GSM／EDGE基站系统直接中频数字化接收机.doc

GSM／EDGE基站系统直接中频数字化接收机 ? 张予 ? 【摘要】介绍了GSM／EDGE兼容的基站系统直接中频数字化接收机的结构，分析了系统的灵敏度，阐述了中频数字化的原理以及相关的模拟／数字变换器的重要指标，并给出了高速数字信号处理的实例。 关键词：GSM；EDGE；模拟／数字转换器；数字下变频器；软件无线电　 一、前　言 GSM蜂窝移动通信系统发展到今天已经取得了很大的成功。其用户数量激增并且遍布全球各地，市场占有率也相当大。随着用户对高速数据业务、多媒体和视频业务的需求，使得GSM网络不断的发展、演变和完善，这种演变是以GSM网络为核心的。首先，在现有的GSM网络上做一些改进，演变为能承载GPRS（General packet radio service）业务实体的GPRS网络，其数据传输速率达到144kbit／s；其次，在现有的GSM网络上做进一步的改进，演变为EDGE（Enhanced Data rates for GSM Evolution）网络，伴随着系统由GSM网络演变为EDGE网络，系统的调制方式将由GMSK调制变为8PSK调制，其数据传输速率可达384kbit／s，可与3G WCDMA相媲美。从系统的硬件实现上，满足向后兼容的设计是必要的，因为这样可以在同一硬件平台只升级或改变系统的软件来实现系统的升级或模式改变，这就是软件无线电的思想。在工程上就是尽可能的用数字化可编程器件代替模拟器件以增大其灵活性。随着数字技术和微电子技术的迅速发展，数字信号处理器（DSP）等可编程器件的运算能力在成倍的提高，同时模拟／数字转换器ADC的性能和速度也在飞速的提高，这就使得直接中频数字化处理成为现实。虽然亦有对上千MHz的射频信号进行直接数字化处理的模拟／数字转换器，但是现在较为有利和成熟的还是在数百MHz的中频段进行数字化处理。下面就GSM／EDGE兼容的直接中频数字化接收机作一探讨。 二、GSM基站接收系统直接中频数字化接收机结构　　 GSM基站的接收系统一般都采用超外差接收机，是一种模拟电路和数字电路的混合型系统结构。在模拟中频部分用一级中频取代了传统的两级中频；载波解调采用模拟中频正交解调获得基带的I和Q模拟信号；基带信号的处理采用ADC—DSP结构，其基本框架结构见图1。　　　　 ? 天线感应的射频信号经过双工器的带通滤波、低噪声放大（LNA）、混频产生中频信号（几百MHz）；对中频信号的处理包括放大、滤波、增益控制放大AGC、滤波和放大；然后进行模拟信号正交解调输出正交的基带I、Q模拟信号；最后对基带信号进行滤波、放大和ADC模／数转换得到数字信号，送入DSP进行数字信号处理。在这种接收机中为了满足GSM网络的规范对信道外强信号抑制的要求，在中频部分使用了两级声表面波SAW滤波器以加强对邻信道信号的衰减；为了满足接收机对动态范围的要求，在中频部分采用快速AGC增益控制，实现这种AGC增益控制要在中频部分增加增益控制放大器、接收信号强度RSSI检测及相应的控制电路等，这种电路繁琐而复杂，不仅成本高而且性能亦难以保证。随着大规模集成电路技术的巨大发展，模拟／数字转换器ADC的性能大大提高，完全可以实现对数百兆的模拟带通中频信号的模拟／数字转换，即直接中频数字化。直接中频数字化接收机基本框架结构见图2。　　 天线到中强频部分的处理与图1基本相同，所不同的是此处中频部分去掉了增益控制放大器和相应的信号度检测及控制电路，因此电路结构简明。图2所示框图中的数控可变增益放大器，直接受控于后级的数字信号下变频器，其作用是为了扩展模拟／数字转换器ADC的动态范围。ADC采样得到的高速数字流先经数字信号下变频器处理，然后再送到通用的DSP做基带处理。数字信号下变频器的主要作用是实现中频数字解调、数字滤波和抽取等功能（详细功能在后面讨论）。 三、中频高速模拟／数字转换　　 1．采样定理的应用　　 对时域连续模拟信号的采样方式有许多种，在此简要说明对于低通型信号和带通型信号的采样原理。如果连续信号f（t）的频谱限制在0～B之间，则最低采样率fs≥2 B，fs称为奈奎斯特频率（Nyquist Frequency）。图3显示低通信号被采样后的频谱，从图中可以看出，当fs＜2 B时采样后的信号频谱发生混叠，形成折叠噪声，这是要避免的。当fs＝2 B时虽然采样后的信号频谱没有发生混叠，但不存在防卫带因而对接收滤波器的要求严格，所以为了滤波器实现的便利，一般留出一定的防卫带，此时的情形就是fs＞2 B。如果连续信号的频谱不是限制在0～B之间的低通信号，而是限制在f1与f2之间（f1为信号最低频率，f2为信号最高频率）的带通信号，带宽B＝f2－f1，则其最低的抽样频率fs为： 2f2/（n＋1）≤fs≤2f1/n 式中n是不大于f1/B的