基于软件无线电技术的4G数字接收系统设计

司马吉凯

（长沙航空职业技术学院，湖南长沙 410124）

基于软件无线电技术的4G数字接收系统设计

司马吉凯

（长沙航空职业技术学院，湖南长沙 410124）

研究了基于软件无线电技术的体系结构，设计了一种基于软件无线电技术的4G数字接收系统，并对该系统各主要部分电路设计进行了详细阐述。该设计系统具有双通道，采样速率可达到65MHz，分辨率12bit。由于该设计采用了FPGA作为信号处理器，其设计灵活及可编程等特点使得该设计具有较强的通用性，适合4G通信中应用。

软件无线电;4G通信;带通采样;FPGA

随着通信技术的发展，3G通信被广泛应用，随之而来的4G通信也倍受青睐。作为4G通信中的关键技术之一，软件无线电技术成为了众多学者研究的热点。［1］按照软件无线电的思想，A/D转换器应该尽可能的靠近天线，同时为了满足更多系统的需求，A/D转换器应尽可能的采用宽带A/D转换器。从软件无线电接收结构中可以看到，射频采样结构是最理想的实现方案。但是受A/D转换器性能的限制，主要是采样率和分辨率的限制，在一些载波频率较高或者系统频带宽度较大的系统中，射频采样的软件无线电接收结构很难实现。［2］绝大部分系统采用模拟混频技术，将射频信号进行一次或多次混频后得到中频信号，并利用A/D转换器对中频信号进行采样，即基于中频采样的软件无线电接收结构较为常用。文章结合4G通信中的应用，提出了一种基于软件电线电技术的数字接收系统。

1 软件无线电体系结构

1．1 射频带通采样结构

射频带通采样结构如图1所示，由于在A/D转换器前采用了带宽相对较窄的电调滤波器，其对高速A/D转换器性能要求可以适当降低，该结构中根据所需的处理带宽进行带通采样，对A/D的采样速率的要求相对降低，对后续DSP的处理速度要求也可以随之大大降低。［3］但实际中对A/D中采样保持器的速度要求还是比较高的，实现起来还是很困难。

图1 射频带通采样数字化结构

1．2 中频带通采样结构

宽带中频带通采样结构如图2所示，该结构采用了超外差体制，利用模拟电路将射频信号变换到适当的中频，同时中频采用宽带滤波器进行信号滤波，其中频带宽较宽，可以适应更多的无线电通信系统。［4］该结构中同样采用了高速A/D转换器，但由于中频带宽的限制，对高速A/D转换器的性能要求相对降低，同时对后续数字信号处理器性能要求也随之降低。显而易见，这种宽带中频带通采样软件无线电结构复杂程度最高，灵活性最差，其设计思想也更远离软件无线电的要求．但是由于受到高速A/D器件的性能制约，宽带中频带通采样结构对器件的性能要求最低，因而是目前最可行的软件无线电结构。随着电子元器件特别是高速A/D转换器性能的不断提升，射频低通采样结构和射频带通采样结构将会成为软件无线电的主流。

图2 中频带通采样数字化结构

中频带通采样结构和上面两种结构相比，主要区别在于增加了模拟电路部分，特别是混频器的使用。如图2所示的中频带通采样结构采用了超外差体制，通过本振信号与输入或输出信号混频后送到后一级进行处理。整个电路的工作过程如下：接收过程中信号经过低频放大器后与本振信号进行混频，混频后经过宽带滤波器，此时输出信号已经被混频到中频，其中中频的选择一般选择为低中频;混频后的中频信号经过中频放大器后送到A/D转换器中完成模数转换。

2 软件无线电接收系统设计

针对4G通信中的应用需求，结合软件无线电带通采样结构设计，设计了一种基于软件无线电带通采样结构的的数字接收系统，如图3所示。［5］该系统利用AD9238实现中频信号的采样，将采样后的数字量送给FPGA进行相应的数字处理。

图3 基于软件无线电带通采样结构的接收系统设计

2．1 A/D转换器电路设计

A/D转换器电路采用ADI公司生产的AD9238芯片，采样的采样速率为65 MSPS，该芯片具有20/ 40/65 MSPS几种不同采样速率，其分辨率为12bit。 AD9238单个芯片集成了双通道，可实现双通道数据采集。由于该芯片输入信号为差分方式，因此，AD9238前端需要采用单端转差分器件。具体电路设计如图4所示。

图4 AD9238电路设计

2．2 FPGA及外围电路设计

设计采用的是Altera公司的器件，其型号为EP2S60。该芯片具有丰富的内部资源，器件内部具有60440个逻辑单元、4个增强型PLL、8个快速PLL、144个18bit乘18bit的乘法器以及24176个自适应逻辑模块。上述丰富的硬件资源对于系统功能开发和应用提供了极大的便利。FPGA的配置主要包括快速被动并行FPP配置方式、异步被动并行PPA配置方式、主动串行AS配置方式、被动串行PS配置方式以及JTAG配置方式。利用拨码开关去配置该芯片的MSEL3、MSEL2、MSEL1和MSEL0引脚，以此实现FPGA的配置方式的选择。

2．3 电源电路设计

由于EP2S60工作电流能达到3A左右，对它供电的电源芯片需要提供足够的电流才能使FPGA正常工作。设计中供电采用了两种直流电源，分别为核心和周边I/O接口供电。该系统中给FPGA供电的电源模块选用TI公司的TPS54810和TPS54610电源芯片，它们最大能提供8A和6A的电流，分别给FPGA提供IO电源（VCCIO）和核电源（VCCINT）。

3 仿真结果及分析

在完成系统功能实现的基础上，对A/D采样进行了测试，输入信号为20MHz的正弦波信号，使用QuartusII内部自带的Signal_Tap提取A/D采样后的波形如图5所示。

图5 A/D采样波形图

由提取波形可看出，采样后的波形为离散的正弦信号，通过将离散的点连接成线后可以看出输入信号为正弦信号。Signal_Tap触发时钟频率，可以通过读取横坐标的标尺数值计算出来采样后的正弦信号频率为20MHz，A/D采样测试结果正确。

4 结论

结合4G通信中的应用，针对软件无线电带通采样结构设计了一种基于FPGA的软件无线电带通采样接收系统。该系统采样速率可达到65MHz，分辨率12bit。由于设计中采用了FPGA作为主要信号处理器，其可编程、设计灵活等特点为4G通信系统的开发和应用提供了便利条件，具有较强的实用性和通用性。

［1］陆迎光．软件无线电理论研究及中频软件无线电接收机子系统设计［D］．上海：东华大学，2004．

［2］李琳，张尔扬，路军．带通信号的直接采样理论［J］．通信学报，2003，（04）．

［3］Zhang Xuejing，Li Jinping，Zou Erning，Ding Xiaojun．Study of Hardware Architecture Based on Software Radio［C］．Information Technology and Applications（IFITA），2010 International Forum，2010．

［4］王益民，彭霞．基于软件无线电的机载数字接收系统设计［J］．现代雷达，2010，（08）．

［5］唐睿，陈霞，谈振辉．软件无线电的数字中频技术在WCDMA基站中的应用［J］．北京交通大学学报，2005，（05）．

［编校：邓桂萍］

4G Digital Receiving System Design Based on Software Rato Technigne

SIMA Jikai
（Changsha Aeronautical Vocational and Technical College，Changsha Hunan 410124）

A architecture based on software radio techniques is studied．A kind of digital receiving system based on software radio is designed．The designs of themain parts of the circuits are introduced in detail．The system has dual channels，the sampling rate of65MHz and 12bit resolution．The design has strong versatility suitable for the application of4G communication according to the application of FPGA，which has flexible design and programmable features．

software radio;4G communication;band－pass sampling;Field Programmable Gate Array

TN925

A

1671－9654（2012）02－057－04

2012－06－09

司马吉凯（1983－），男，湖南湘阴人，助教，工程硕士，研究方向为移动通信。