摘 要：提出了一種基于FPGA的數(shù)字選頻器設計方案，該數(shù)字選頻器應用于八通道的GSM系統(tǒng)直放站，采用低成本的FPGA芯片Xilink Spartan-3A DSP XC3SD3400A進行數(shù)字信號處理。給出了較詳細的硬件設計方案，并通過Agilent Technologies N5230A網(wǎng)絡分析儀對數(shù)字選頻器進行了測量，被選出的有效相鄰信道之間的最小間隔能達到1 MHz，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的選頻功能，可滿足實際應用的要求。

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關鍵詞：FPGA； 數(shù)字選頻器； GSM； 直放站

中圖分類號：TN710-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)01-0088-04

Design of digital frequency choice device based on FPGA

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ZHANG Yao1， YANG Hong1， ZHANG Hao2， LI Jie2

(1.College of Electrical Engineering， Chongqing University of Posts and Telecommunications， Chongqing 400065， China； 

2.Institute of Microelectronics， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100029， China)

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Abstract：

A design scheme of FPGA-based digital frequency choice device is introduced. The frequency choice device was used in GSM repeater with eight channels， which used low-cost FPGA chip Xilinx Spartan- 3A DSP XC3SD3400A for digital signal processing. A hardware design is proposed. The frequency choice device was measured by Agilent Technologies N5230A network analyzer， and the minimum spacing between adjacent effective channels could reach 1 MHz. A better frequency choice function can be realized， which can meet the requirements of practical application.

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Keywords： FPGA; digital frequency choice device; GSM; repeater

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收稿日期：2011-08-18

基金項目：國家863項目：面向軟件無線電的寬帶數(shù)據(jù)變換和可重構射頻集成電路(2009AA011606);

重慶市教委科學技術研究項目(KJ100512)；重慶市自然科學基金項目(CSTC2010BB2412)

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)，要架設模擬或數(shù)字基站成本太高，基礎設施也比較復雜，為此提供一種成本低、架設簡單，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)絡覆蓋規(guī)模、最多的用戶數(shù)、種類多樣的業(yè)務，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)字無線選頻器進行設計，以達到低成本擴大無線網(wǎng)絡覆蓋范圍和優(yōu)化網(wǎng)絡的目的。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構

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

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圖1 數(shù)字選頻器工作效果示意圖

如圖1所示，數(shù)字選頻器就是僅放大選中的頻段，抑制未選中的頻段，實現(xiàn)降低信道間干擾的目的。系統(tǒng)總體結(jié)構框圖如圖2所示。數(shù)字選頻系統(tǒng)主要由A/D模塊、FPGA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。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構框圖

軟件無線電的思想是將無線電收發(fā)信機的數(shù)字化點(A/D/A)盡可能靠近天線，理想的情況是在天線的后端進行射頻采樣，數(shù)字化之后，所有的處理都可以用很靈活的方法實現(xiàn)[1]。但是由于目前ADC器件性能的限制，還無法達到在射頻端進行數(shù)字化，在中頻實現(xiàn)數(shù)字化是一個較妥的方案[2]。

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FPGA按預定算法對來自AD6655的數(shù)字信號進行數(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的寄存器進行配置，并與FPGA之間進行通信。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 系統(tǒng)電源設計 

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

圖3 系統(tǒng)電源總體設計框圖

RT8289是一款DC/DC芯片，轉(zhuǎn)換效率高達90%，內(nèi)部具有緩啟動功能，能在寬范圍的輸入電壓下實現(xiàn)高達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3 A，配置電路比較簡單，而且在配置電路結(jié)構不變的情況下，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)時鐘模塊設計

整個系統(tǒng)時鐘主要由時鐘芯片AD9516提供，AD9516是14路輸出時鐘發(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1.6 GHz，LVDS輸出的工作頻率達800 MHz，CMOS輸出的工作頻率達250 MHz。每對輸出均有分頻器，其分頻比和粗調(diào)延遲(或相位)均可以設置[3]。 

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

圖4 系統(tǒng)時鐘結(jié)構框圖

TCXO為AD9516提供10 MHz的參考時鐘，VCXO為AD9516提供122.88 MHz的外部時鐘，VCXO與TCXO保持相位同步，AD9516為A/D提供122.88 MHz的差分時鐘A/D_CLK，A/D在時鐘A/D_CLK下進行采樣;AD9516為D/A提供122.88 MHz的差分時鐘D/A_CLK，D/A在時鐘D/A_CLK下進行數(shù)模轉(zhuǎn)換;A/D提供時鐘FPGA_A/D_CLK給FPGA，A/D在此時鐘下傳送數(shù)字信號給FPGA;D/A提供時鐘FPGA_D/A_CLK給FPGA，D/A在此時鐘下從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 DSP XC3SD3400A，由Xilinx公司生產(chǎn)，系統(tǒng)門數(shù)為3 400k，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[4-5]。

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。當工作在32.7～70 MHz帶寬內(nèi)，采樣速率為150 MSPS時，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。CMOS的數(shù)據(jù)和時鐘輸出能直接連接到現(xiàn)有的FPGA上，片上基準和采樣保持電路為系統(tǒng)設計提供了靈活性，可通過SPI進行控制，標準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[6]。

在AD6655接口電路中，MCU通過SPI接口對AD6655進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輸出差分時鐘信號送至AD6655的時鐘差分輸入端CLK+和CLK-，同時AD6655本身輸出的差分時鐘也送至FPGA的時鐘輸入引腳。AD6655的差分數(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，故其兩者之間連接必須通過一個BUFFER芯片NC7WZ07進行轉(zhuǎn)換，同時起到隔離的作用，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TxDACR○系列高性能、低功耗CMOS數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的第二代16 b分辨率產(chǎn)品。所有器件都采用相同的接口選項、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，同時支持最高1 000 MSPS的轉(zhuǎn)換速率[7]。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)，此設計中變壓器選用TC1-1T。

2.4 系統(tǒng)控制設計

系統(tǒng)控制是由16位單片機MSP430F147來實現(xiàn)的，系統(tǒng)控制框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)控制框圖

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標稱輸入幅度的相對關系。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MSP430的SPI串行接口實現(xiàn)的，且MSP430的SPI是三線的。其中MCU側(cè)的SPI是復用的，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的時鐘是復用的MCU主機側(cè)的SPI時鐘信號。

對AD6655寄存器的配置是通過其自帶的三線SPI實現(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的標準四線全雙工SPI是不同的，要通過一個專門的轉(zhuǎn)換電路實現(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，沒有專門的硬件復位，只能使用軟件控制寄存器實現(xiàn)復位。

對AD9779和AD9516的寄存器配置通過其分別的SPI功能管腳實現(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片選使能和芯片復位也是分別通過MSP430的GPIO來控制。

2.4.3 芯片復位、中斷控制及其他

各芯片的復位是通過MSP430的GPIO控制各芯片的RESET引腳實現(xiàn)的，這樣可以實現(xiàn)軟件復位，同時在各芯片的RESET引腳上加一個開關實現(xiàn)各芯片獨立的開關控制的硬件復位。

FPGA連接MSP430的五個外部中斷。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串口實現(xiàn)MSP430與PC機的串行通信。

3 測試結(jié)果

本數(shù)字選頻器采用Agilent Technologies N5230A網(wǎng)絡分析儀進行掃頻測試。通過軟件設定該數(shù)字選頻器的下行模塊參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)字選頻器下行模塊參數(shù)

頻道號對應GSM下行號頻點 /MHz

01 000930.2

10935

25936

320939

435942

555946

675950

795954

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

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圖6 數(shù)字選頻器下行模塊頻率響應

圖7 數(shù)字選頻器下行模塊群延時

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到1 MHz；從圖7可以看出該系統(tǒng)的群延時比較小，表明設計的濾波器性能較好，信號失真較小，系統(tǒng)實時性較好，能夠滿足實際應用的要求。

4 結(jié) 語

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

參 考 文 獻

［1］MITOLA Joe. Software radio architecture [J]. IEEE Communications Magazine，1995，15(5): 26-39.

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［2］鈕心析，楊義先.軟件無線電技術與應用［M］.北京：北京郵電大學出版社，2000.

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［3］Analog Devices Inc.AD9516 datasheet [EB/OL]. [2010-05-21]. http://www.analog.com/zh/clock-and-timing/clock-generation-and-distribution/ad9516-3/products/product.html.

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［4］Xilinx 公司. Spartan-3A FPGA datasheets [EB/OL]. [2009-10-12]. http://www.xilinx.com/support/documentation/spartan-3a_data_sheets.htm.

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［5］田耘，徐文波.Xilinx FPGA開發(fā)實用教程［M］.北京:清華大學出版社，2008.

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［6］Analog Devices Inc. AD6655 datasheet [EB/OL]. [2009-09-21]. http://www.analog.com/zh/digital-to-analog-converters/digital-updown-converters/ad6655/products/product.html.

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［7］Analog Devices Inc.AD9779 datasheet [EB/OL]. [2008-06-19]. http://search.analog.com/search/ProductSearch.aspx?query=AD9779locale=zh.

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作者簡介：

張 曜 男，1986年出生，湖北隨州人，碩士研究生。主要研究方向為無線通信及硬件設計。

楊 虹 男，1966年出生，四川蓬溪人，教授，碩士生導師。主要研究方向為微波/毫米波集成電路設計與天線設計。

張 浩 男，1975年出生，湖南人，副研究員。主要研究方向為下一代無線通信及關鍵技術。