新聞中心

EEPW首頁 > 嵌入式系統(tǒng) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 基于FPGA的GSM系統(tǒng)直放站數(shù)字選頻器設(shè)計(jì)

基于FPGA的GSM系統(tǒng)直放站數(shù)字選頻器設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2017-06-05 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

0 引言

隨著移動通信的迅速發(fā)展,無論何種無線通信的覆蓋區(qū)域都將產(chǎn)生弱信號區(qū)和盲區(qū),要架設(shè)模擬或數(shù)字基站成本太高,基礎(chǔ)設(shè)施也比較復(fù)雜,為此提供一種成本低、架設(shè)簡單,卻具有小型基站功能的直放站是很有必要的。GSM移動通信系統(tǒng)在我國經(jīng)過多年的發(fā)展,目前已經(jīng)擁有最大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)模、最多的用戶數(shù)、種類多樣的業(yè)務(wù),在我國移動通信市場中占有重要的地位。本文對GSM直放站的數(shù)字無線選頻器進(jìn)行設(shè)計(jì),以達(dá)到低成本擴(kuò)大無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的目的。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201706/349031.htm

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

GSM900中上下行信道各120個(gè),帶寬為24 MHz,其中上行頻段為885~909 MHz,下行頻段為930~954 MHz,工作效果示意圖如圖1所示。

如圖1所示,就是僅放大選中的頻段,抑制未選中的頻段,實(shí)現(xiàn)降低信道間干擾的目的。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。數(shù)字選頻系統(tǒng)主要由A/D模塊、可編程邏輯器件模塊、D/A模塊以及MCU管理模塊四部分組成。

軟件無線電的思想是將無線電收發(fā)信機(jī)的數(shù)字化點(diǎn)(A/D/A)盡可能靠近天線,理想的情況是在天線的后端進(jìn)行射頻采樣,數(shù)字化之后,所有的處理都可以用很靈活的方法實(shí)現(xiàn)。但是由于目前ADC器件性能的限制,還無法達(dá)到在射頻端進(jìn)行數(shù)字化,在中頻實(shí)現(xiàn)數(shù)字化是一個(gè)較妥的方案。

GSM直放站數(shù)字選頻系統(tǒng)就是利用數(shù)字處理的手段實(shí)現(xiàn)濾波器功能,以替代現(xiàn)有直放站中的模擬選頻模塊。本系統(tǒng)通過AD6655接收下變頻后的模擬中頻信號,通過A/D采樣將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,采樣頻率為122.88 MHz。然后由按預(yù)定算法對來自AD6655的數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字處理,處理后的結(jié)果再由AD9779轉(zhuǎn)換成模擬信號。MCU通過SPI接口對AD6655,AD9779和AD9516的寄存器進(jìn)行配置,并與之間進(jìn)行通信。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電源在整個(gè)系統(tǒng)中占有極其重要的地位,其設(shè)計(jì)的成功與否關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行以及性能表現(xiàn)的好壞。由于本系統(tǒng)電平值比較多,同時(shí)基于系統(tǒng)性能、功耗的考慮,故采用以下方案給整個(gè)系統(tǒng)供電。系統(tǒng)電源總體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

RT8289是一款DC/DC芯片,轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90%,內(nèi)部具有緩啟動功能,能在寬范圍的輸入電壓下實(shí)現(xiàn)高達(dá)5 A的連續(xù)電流輸出,輸入電壓范圍為5.5~32 V,輸出電壓可調(diào)為1.222~26 V;LT1764電源芯片為LDO,輸出電流理論上可達(dá)3 A,寬輸入電壓范圍為2.7~20 V,輸出電壓可調(diào)為1.21~20 V,固定輸出電壓有:1.5 V,1.8 V,2.5 V,3.3 V。TPS74401電源芯片為LDO,支持輸入電壓低至0.9 V,輸出電壓為0.8~3.6 V可調(diào),輸出電流最大可達(dá)3 A,配置電路比較簡單,而且在配置電路結(jié)構(gòu)不變的情況下,可以通過調(diào)整配置電阻來改變輸出電壓,方便調(diào)試。

2.2 系統(tǒng)時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘主要由時(shí)鐘芯片AD9516提供,AD9516是14路輸出時(shí)鐘發(fā)生器,配有片內(nèi)集成鎖相環(huán)(PLL)和電壓控制振蕩器(VCO),也可以使用最高2.4 GHz的外部VCO/VCXO。AD9516具有出色的低抖動和相位噪聲特性,可極大地提升數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能。AD9516提供6路LVPECL輸出、4路LVDS輸出和8路CMOS輸出。LVPECL輸出的工作頻率達(dá)1.6 GHz,LVDS輸出的工作頻率達(dá)800 MHz,CMOS輸出的工作頻率達(dá)250 MHz。每對輸出均有分頻器,其分頻比和粗調(diào)延遲(或相位)均可以設(shè)置。

系統(tǒng)時(shí)鐘結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示,其中VCXO為外部122.88 MHz的壓控晶振,TCXO為10 MHz的溫度補(bǔ)償晶振,由它提供時(shí)鐘參考相位。

TCXO為AD9516提供10 MHz的參考時(shí)鐘,VCXO為AD9516提供122.88MHz的外部時(shí)鐘,VCXO與TCXO保持相位同步,AD9516為A/D提供122.88 MHz的差分時(shí)鐘A/D_CLK,A/D在時(shí)鐘A/D_CLK下進(jìn)行采樣;AD9516為D/A提供122.88 MHz的差分時(shí)鐘D/A_CLK,D/A在時(shí)鐘D/A_CLK下進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換;A/D提供時(shí)鐘FPGA_A/D_CLK給FPGA,A/D在此時(shí)鐘下傳送數(shù)字信號給FPGA;D/A提供時(shí)鐘FPGA_D/A_CLK給FPGA,D/A在此時(shí)鐘下從FPGA接收數(shù)字信號。

2.3 FPGA模塊、A/D模塊和D/A模塊

FPGA 選用低成本的 Spartan-3A DSPXC3SD3400A,由Xilinx公司生產(chǎn),系統(tǒng)門數(shù)為3400k,Slice數(shù)目為23 872,分布式RAM容量為373 Kb,塊RAM容量為2 268 Kb,專用乘法器數(shù)為126,DCM數(shù)目為8,最大可用I/O數(shù)為469,最大差分I/O對數(shù)為213。FLASH型號為M25P32。FPGA采用的配置模式為MASTER SPI模式。
A/D轉(zhuǎn)換芯片選用AD6655,AD6655是一款14 b,150 MSPS的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。當(dāng)工作在32.7~70 MHz帶寬內(nèi),采樣速率為150 MSPS時(shí),SNR為74.5 dBc;而在70 MHz帶寬內(nèi),SFDR為80 dBc。具有高性能,低功耗,易于使用的優(yōu)點(diǎn)。CMOS的數(shù)據(jù)和時(shí)鐘輸出能直接連接到現(xiàn)有的FPGA上,片上基準(zhǔn)和采樣保持電路為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了靈活性,可通過SPI進(jìn)行控制,標(biāo)準(zhǔn)的串行接口提供各種功能,比如數(shù)據(jù)格式修改,穩(wěn)定時(shí)鐘占空比,支持掉電模式和增益調(diào)整。內(nèi)部集成了DDC和NCO。

在AD6655接口電路中,MCU通過SPI接口對AD6655進(jìn)行寄存器配置以使其正常工作。SMA輸入部分經(jīng)過耦合電路后送至AD6655的差分輸入端VIN+和VIN-,AD9516輸出差分時(shí)鐘信號送至AD6655的時(shí)鐘差分輸入端CLK+和CLK-,同時(shí)AD6655本身輸出的差分時(shí)鐘也送至FPGA的時(shí)鐘輸入引腳。AD6655的差分?jǐn)?shù)據(jù)輸出接至FPGA的I/O口。由于AD6655的SPI接口的數(shù)據(jù)線口是雙向的,而MCU的SPI數(shù)據(jù)線均是單向的,故其兩者之問連接必須通過一個(gè)BUFFER芯片NC7WZ07進(jìn)行轉(zhuǎn)換,同時(shí)起到隔離的作用,使AD6655更好地全動態(tài)范圍工作。

D/A轉(zhuǎn)換芯片選用AD9779,AD9779屬于TxDAC系列高性能、低功耗CMOS數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的第二代16b分辨率產(chǎn)品。所有器件都采用相同的接口選項(xiàng)、小型封裝和引腳排列,因而可以根據(jù)性能、分辨率和成本的要求,向上或向下兼容選擇適合的器件。AD9779提供出色的交流和直流性能,同時(shí)支持最高1000 MSPS的轉(zhuǎn)換速率。由于AD9779輸出為差分信號,故需要通過變壓器轉(zhuǎn)成單端信號。變壓器的選型需要考慮回波損耗、帶寬、平衡性等參數(shù),此設(shè)計(jì)中變壓器選用TC1-1T。

2.4 系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制是由16位單片機(jī)F147來實(shí)現(xiàn)的,系統(tǒng)控制框圖如圖5所示。



2.4.1 狀態(tài)指示

芯片工作狀態(tài)的顯示是由芯片的狀態(tài)管腳在FPGA上通過LED指示實(shí)現(xiàn)的。其中AD6655通過寄存器0x104[3:1]控制管腳FDA[0:3]和FDB[0:3]分別指示A和B通道的ADC快速幅度與FS標(biāo)稱輸入幅度的相對關(guān)系。AD9779直接通過它的PLLLOCK管腳指示PLL是否已經(jīng)鎖定。AD9516是通過配置寄存器0X1B,0X1A,0X17分別控制管腳2,3,6上顯示VCO,PLL,HoldOver的狀態(tài)。

2.4.2 芯片配置

各芯片工作狀態(tài)的配置是通過的SPI串行接口實(shí)現(xiàn)的,且的SPI是三線的。其中MCU側(cè)的SPI是復(fù)用的,對各芯片的選擇是通過GPIO控制各芯片上的SPI的片選位。各芯片SPI的時(shí)鐘是復(fù)用的MCU主機(jī)側(cè)的SPI時(shí)鐘信號。

對AD6655寄存器的配置是通過其自帶的三線SPI實(shí)現(xiàn)的。AD6655的SPI接口中數(shù)據(jù)輸入/輸出共用同一根線,這與MSP430的標(biāo)準(zhǔn)四線全雙工SPI是不同的,要通過一個(gè)專門的轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)兩條單向的SI/SO線和雙向的SDIO線的轉(zhuǎn)換。AD6655的SPI片選信號通過MSP430的GPIO控制,沒有專門的硬件復(fù)位,只能使用軟件控制寄存器實(shí)現(xiàn)復(fù)位。

對AD9779和AD9516的寄存器配置通過其分別的SPI功能管腳實(shí)現(xiàn)。兩種芯片的SPI都是既可以使用三線,也可以使用四線。二者的SPI片選使能和芯片復(fù)位也是分別通過MSP430的GPIO來控制。

2.4.3 芯片復(fù)位、中斷控制及其他

各芯片的復(fù)位是通過MSP430的GPIO控制各芯片的RESET引腳實(shí)現(xiàn)的,這樣可以實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)位,同時(shí)在各芯片的RESET引腳上加一個(gè)開關(guān)實(shí)現(xiàn)各芯片獨(dú)立的開關(guān)控制的硬件復(fù)位。

FPGA連接MSP430的五個(gè)外部中斷。MSP430通過LED0~4指示狀態(tài)。JTAG口下載程序?qū)崿F(xiàn)硬件調(diào)試。RS 485串口實(shí)現(xiàn)MSP430與PC機(jī)的串行通信。

3 測試結(jié)果

采用Agilent Technologies N5230A網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行掃頻測試。通過軟件設(shè)定該數(shù)字選頻器的下行模塊參數(shù)如表1所示。

通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測試數(shù)字選頻器下行模塊的頻率響應(yīng)和群延時(shí),如圖6,圖7所示。

從圖6可以看出,該數(shù)字選頻器能夠?qū)崿F(xiàn)比較好的選頻功能,被選出的有效相鄰信道之間最小間隔能達(dá)到1 MHz;從圖7可以看出該系統(tǒng)的群延時(shí)比較小,表明設(shè)計(jì)的濾波器性能較好,信號失真較小,系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較好,能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

4 結(jié)語

本文介紹了應(yīng)用于GSM系統(tǒng)商放站的基于FPGA的八通道數(shù)字選頻器的沒計(jì)。數(shù)字選頻器應(yīng)用于直放站中,能夠起到降低信道之間相互干擾的作用,儀放大選中的頻段信道,被選中的信道之間最小間隔能達(dá)到1 MHz,且群延時(shí)小,系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好,具有較好的選頻效果,能夠滿足實(shí)際應(yīng)用要求。該數(shù)字選頻器的設(shè)計(jì)采用低成本器件,小巧輕便,易安裝,成本低,具有良好的市場應(yīng)用前景。



關(guān)鍵詞: 數(shù)字選頻器 MSP430 FPGA

評論


相關(guān)推薦

技術(shù)專區(qū)

關(guān)閉