針對(duì)230 MHz頻段頻點(diǎn)分布離散、帶寬窄、無(wú)法直接進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題，設(shè)計(jì)出一種新型的低成本、高可靠性、高性能的數(shù)字中頻接收機(jī)。該接收機(jī)采用兩級(jí)數(shù)字下變頻、下采樣、濾波結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)230 MHz頻段40個(gè)離散頻點(diǎn)的聚合,從而達(dá)到寬帶傳輸?shù)男Ч＝?jīng)仿真及FPGA驗(yàn)證通過(guò)后，該接收機(jī)已應(yīng)用到LTE230無(wú)線通信基帶芯片并在試點(diǎn)項(xiàng)目中長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，充分表明數(shù)字中頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)是很成功的。

關(guān)鍵詞： LTE230；數(shù)字中頻接收機(jī)；數(shù)字下變頻；下采樣；濾波器

中圖分類號(hào)： TN851

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.170880

中文引用格式： 周春良，周芝梅，王連成，等. LTE230數(shù)字中頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(9)：46-49.

英文引用格式： Zhou Chunliang，Zhou Zhimei，Wang Liancheng，et al. Design of a digital IF receiver for LTE230[J].Application of Electronic Technique，2017，43(9)：46-49.

0 引言

LTE230是一種基于TD-LTE先進(jìn)技術(shù)、結(jié)合電力行業(yè)業(yè)務(wù)定制開發(fā)的專用無(wú)線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)部署在223-235 MHz頻段（簡(jiǎn)稱230頻段）上。230頻段資源呈無(wú)規(guī)則、梳狀結(jié)構(gòu)，頻點(diǎn)分布離散，單頻點(diǎn)帶寬很窄、傳輸能力有限，在電力應(yīng)用中為了進(jìn)行高速率數(shù)據(jù)傳輸，須聚合幾十個(gè)頻點(diǎn)來(lái)解決頻帶資源受限的問(wèn)題^[1]。現(xiàn)有LTE-Advanced系統(tǒng)的載波聚合處理方法是針對(duì)大帶寬、高速率的公網(wǎng)頻段設(shè)計(jì)的，在頻點(diǎn)數(shù)、頻點(diǎn)帶寬、鄰頻抑制等方面差異較大，無(wú)法直接應(yīng)用到230頻段；文獻(xiàn)[2]借鑒LTE-Advanced提出的230頻段中頻接收機(jī)采用3路獨(dú)立的混頻、中頻帶通濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換，本質(zhì)上是一種模擬實(shí)現(xiàn)方式，硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性有待提高，并不適用于LTE230終端通信模塊中。針對(duì)230頻段載波聚合的中頻信號(hào)處理，本文以接收機(jī)為例，專門設(shè)計(jì)了一種低成本、高可靠性、高性能的數(shù)字中頻接收機(jī)。

1 230頻段頻譜特點(diǎn)及LTE230幀結(jié)構(gòu)

230頻段是國(guó)家無(wú)委會(huì)規(guī)定作為遙測(cè)、遙控和數(shù)據(jù)傳輸使用的頻段，目前主要被能源、軍隊(duì)、水利、地礦等行業(yè)使用。230頻段總帶寬為12 MHz，劃分為480個(gè)頻點(diǎn)，每個(gè)頻點(diǎn)為25 kHz，其中有40個(gè)頻點(diǎn)可用于電力負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)，如圖1，40個(gè)頻點(diǎn)分為3個(gè)簇，中間10個(gè)為單工頻點(diǎn)，兩邊各有15對(duì)雙工頻點(diǎn)^[2]。

LTE230在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、空口技術(shù)等方面和TD-LTE基本相同，但工作頻段及系統(tǒng)可配帶寬較為特殊，導(dǎo)致物理層幀結(jié)構(gòu)有較大差異。如圖2，LTE230每個(gè)頻點(diǎn)的一個(gè)無(wú)線幀均包含5個(gè)時(shí)長(zhǎng)為5 ms的子幀，每個(gè)子幀包括9個(gè)OFDM符號(hào)，OFDM符號(hào)采用64點(diǎn)FFT，子載波間隔為2 kHz，有效子載波數(shù)10個(gè)。

2 接收機(jī)總體設(shè)計(jì)

2.1 接收機(jī)設(shè)計(jì)原理

230頻段頻點(diǎn)雖離散，但在連續(xù)的12 MHz帶寬內(nèi)，和LTE-Advanced相比總帶寬要小很多，可采用單頻段非連續(xù)載波聚合方式，通過(guò)一個(gè)射頻單元，將230頻段12 MHz帶寬內(nèi)信號(hào)作為一個(gè)整體搬到零頻，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，在數(shù)字域進(jìn)行中頻接收處理，將分散在12 MHz帶寬內(nèi)獨(dú)立的帶寬為25 kHz的高速中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為低速基帶信號(hào)，以便后續(xù)信號(hào)處理。

2.2 接收機(jī)總體結(jié)構(gòu)

如圖3，接收機(jī)主要由射頻芯片和基帶芯片組成，射頻芯片采用AD9361，內(nèi)嵌模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器，工作在單端口TDD模式，可分時(shí)進(jìn)行收發(fā)。射頻芯片和基帶芯片之間采用基于JESD207的12 bit并行數(shù)字雙沿接口，接收時(shí)由射頻芯片產(chǎn)生12.8 MHz時(shí)鐘，I路數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿傳送，Q路在下降沿傳送。射頻接口的主要功能是產(chǎn)生接收控制信號(hào)并把射頻芯片數(shù)字接口的DDR I/Q數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為并行I/Q數(shù)據(jù)，同時(shí)完成從射頻接口12.8 MHz時(shí)鐘域到中頻接收鏈路51.2 MHz時(shí)鐘域的轉(zhuǎn)換。中頻接收鏈路負(fù)責(zé)把所需頻點(diǎn)基帶信號(hào)從中頻信號(hào)中抽取出來(lái)經(jīng)接收DMA送到系統(tǒng)存儲(chǔ)器，并通過(guò)中斷通知基帶處理SoC中的DSP進(jìn)行后續(xù)的FFT運(yùn)算、解調(diào)、解碼等處理。

2.3 中頻接收鏈路設(shè)計(jì)指標(biāo)

中頻接收鏈路通過(guò)數(shù)字下變頻和抽取濾波來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)從中頻到基帶的變換，在上述變換過(guò)程中，須盡量保證帶內(nèi)信號(hào)的時(shí)頻域特性不變并最大限度抑制帶外噪聲。中頻接收鏈路是接收機(jī)性能的關(guān)鍵部件，根據(jù)LTE230規(guī)范，經(jīng)系統(tǒng)分析提取出如表1的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

2.4 中頻接收鏈路結(jié)構(gòu)

如圖4，中頻接收機(jī)數(shù)據(jù)鏈路采用兩級(jí)數(shù)字下變頻、下采樣、濾波結(jié)構(gòu)，從射頻接收到的數(shù)據(jù)中抽取出所需的每個(gè)頻點(diǎn)數(shù)據(jù)。

針對(duì)230頻段電力40個(gè)授權(quán)頻點(diǎn)分為3個(gè)簇的頻譜分配情況，一級(jí)下變頻采用3路獨(dú)立的數(shù)控振蕩器NCO1(Numerically Controlled Oscillator)將每個(gè)簇作為一個(gè)整體搬移到零頻。NCO1后緊跟一個(gè)半帶濾波器HBF（Half Band Filter）進(jìn)行2倍抽取（12.8～6.4 MS/s）及高頻分量的濾波。

二級(jí)下變頻采用40路獨(dú)立的數(shù)控振蕩器NCO2將所需的頻點(diǎn)信號(hào)從3個(gè)簇中搬移到零頻，實(shí)現(xiàn)對(duì)所需頻點(diǎn)信號(hào)的提取。NCO2輸出的頻點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器CIC(Cascaded Integrator Comb)進(jìn)行50倍的抽取濾波（6.4～128 KS/s）。CIC后級(jí)聯(lián)一個(gè)高階低通濾波器LPF(Low Pass Filter)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)頻點(diǎn)帶外信號(hào)的抑制。

3 中頻接收鏈路模塊設(shè)計(jì)

3.1 模塊設(shè)計(jì)方法

中頻接收鏈路濾波器采用MATLAB的fdatool進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，根據(jù)鏈路指標(biāo)進(jìn)行分解，確定各個(gè)濾波器的階數(shù)、系數(shù)和位寬。在相應(yīng)數(shù)字電路RTL設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到LTE230專網(wǎng)還處在不斷發(fā)展過(guò)程中，以及不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)帶寬需求的差異，在留有一定性能余量的同時(shí)，在頻點(diǎn)數(shù)、NCO載波頻率、HBF和LPF階數(shù)及系數(shù)等方面都可通過(guò)軟件靈活配置。

3.2 數(shù)控振蕩器NCO

在LTE230中，接收的中頻信號(hào)有I/Q兩路，其下變頻原理如式(1)，可通過(guò)相位累加后經(jīng)NCO產(chǎn)生正余弦本振信號(hào)與接收信號(hào)復(fù)數(shù)相乘實(shí)現(xiàn)下變頻。

NCO1和NCO2工作頻點(diǎn)可配，精度皆為25 kHz(Δf)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)相同。NCO1對(duì)應(yīng)的采樣率為12.8 MS/s(F_s)，相位累加字位寬為9 bit(2^N=F_s/Δf)；NCO2的采樣率為6.4 MS/s，相位累加字位寬為8 bit。NCO1和NCO2正余弦載波采用查找表的方式實(shí)現(xiàn)，查找表只需保存π/4角度內(nèi)的正余弦值，其他的可通過(guò)正余弦變換或符號(hào)變換查表得到，NCO1和NCO2對(duì)應(yīng)的查找表正余弦值分別為64個(gè)和32個(gè)，位寬為16 bit。下變頻中復(fù)數(shù)相乘需要4次乘法運(yùn)算，因NCO1和NCO2工作時(shí)鐘頻率是采樣率的4倍和8倍，采用時(shí)分復(fù)用方式，只各需一個(gè)乘法器。

3.3 半帶濾波器HBF

HBF是一種特殊的FIR濾波器，其通帶和阻帶相對(duì)于1/2的Nyquist頻率對(duì)稱且寬度相等，HBF沖激響應(yīng)為：

從式(2)可以看出，HBF沖激響應(yīng)除了在h(0)零點(diǎn)處為1外，在其他偶數(shù)點(diǎn)的取值均為零，和普通的2倍抽取FIR相比，不但系數(shù)對(duì)稱且有近一半為零，可減少一半濾波運(yùn)算量。

HBF默認(rèn)通帶帶寬為2 MHz，最大可配階數(shù)為25階，阻帶抑制為78 dB，系數(shù)量化為16位，系數(shù)關(guān)于中心抽頭（1/2）對(duì)稱，有效系數(shù)僅有6個(gè)，只需進(jìn)行6次乘法運(yùn)算，HBF工作時(shí)鐘頻率為輸出采樣率的8倍，采用時(shí)分復(fù)用的方式，I/Q兩路各一個(gè)乘法器即可實(shí)現(xiàn)。

3.4 級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器CIC

CIC是一種有效的插值和抽取濾波器，廣泛應(yīng)用于多速率數(shù)字信號(hào)處理中。單級(jí)CIC的第一旁瓣抑制為13.46 dB，阻帶衰減極不理想^[3]，實(shí)際應(yīng)用中，常采用級(jí)聯(lián)的方式，但級(jí)聯(lián)一般不超過(guò)5級(jí)，否則通帶內(nèi)失真將會(huì)增大。在LTE230中，采用4級(jí)CIC，抽取因子為50（N=4，R=50），具體結(jié)構(gòu)如圖5，從圖中可以看出，CIC結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，由積分器和梳狀濾波器組成，兩者對(duì)應(yīng)的采樣率分別為6.4 MS/s和128 KS/s，實(shí)現(xiàn)時(shí)可用加法器、減法器和延遲寄存器（DFF）來(lái)實(shí)現(xiàn)，沒(méi)有乘法操作，面積小且可達(dá)到很高的處理速度。

通帶衰減是CIC的主要弊端之一，通常在時(shí)域加補(bǔ)償濾波器進(jìn)行通帶補(bǔ)償^[4]。考慮到230頻段頻點(diǎn)有效帶寬很窄且OFDM系統(tǒng)對(duì)通帶平坦度不是十分敏感，在LTE230中通過(guò)對(duì)參考信號(hào)的信道估計(jì)在頻域進(jìn)行插值補(bǔ)償。

3.5 低通濾波器LPF

LPF是抽取濾波的最后一級(jí)，在保證通帶平坦度的同時(shí)，盡量降低CIC的旁瓣幅度并加快阻帶衰減。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)LTE230與傳統(tǒng)230頻段數(shù)傳電臺(tái)的共存，根據(jù)數(shù)傳電臺(tái)規(guī)范^[5]要求，帶外抑制須達(dá)65 dB。

在設(shè)計(jì)時(shí)，LPF最大可配階數(shù)為255階，默認(rèn)通帶帶寬10.8 kHz，阻帶帶寬12.5 kHz，紋波系數(shù)0.02 dB，阻帶抑制65 dB。LPF系數(shù)量化為18位，系數(shù)對(duì)稱且可配，255階LPF I/Q數(shù)據(jù)各需128次乘法運(yùn)算，考慮到LPF工作時(shí)鐘頻率為采樣率的400倍，可采用I/Q數(shù)據(jù)及計(jì)算資源的時(shí)分復(fù)用結(jié)構(gòu)，僅需一個(gè)乘法器和少量加法器就可實(shí)現(xiàn)，大大節(jié)約電路資源。

4 仿真及FPGA驗(yàn)證

4.1 仿真驗(yàn)證

LTE230基帶處理非常復(fù)雜，為簡(jiǎn)化仿真驗(yàn)證，采用不同頻率正余弦波代替LTE230中頻信號(hào)。40個(gè)頻點(diǎn)的處理過(guò)程相同，只仿真其中一個(gè)。MATLAB仿真參數(shù)設(shè)定如下：

NCO1本振頻率為2 MHz(80×25 kHz)，NCO2本振頻率為125 kHz（5×25 kHz），對(duì)應(yīng)230頻段231.125 MHz(射頻中心頻率229)。中頻輸入4個(gè)復(fù)信號(hào)(cos(2πft)+jsin(2πft))，頻率f分別為2.111 MHz、2.121 MHz、2.127 MHz和2.137 MHz。經(jīng)計(jì)算可知，NCO1和HBF后有4個(gè)頻率：0.111 MHz、0.121 MHz、0.127 MHz和0.137 MHz，NCO2和CIC后有4個(gè)頻率：-14 kHz、-4 kHz、2 kHz和12 kHz，因LPF通帶為10.8 kHz，阻帶為12.5 kHz，經(jīng)LPF后，-4 kHz、2 kHz信號(hào)不變，-14 kHz信號(hào)被濾掉，12 kHz的信號(hào)被衰減。圖6是CIC和LPF仿真輸出的信號(hào)功率譜密度，從圖中可看出，仿真結(jié)果與計(jì)算值一致，NCO1、HBF和NCO2的仿真結(jié)果也與理論值吻合，由于篇幅原因未一一列出，整體的仿真結(jié)果表明本文提出的數(shù)字中頻接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法是可行的。

MATLAB仿真通過(guò)后把各節(jié)點(diǎn)輸入輸出導(dǎo)入RTL驗(yàn)證平臺(tái)進(jìn)行仿真， RTL代碼和定點(diǎn)算法精確匹配，通過(guò)數(shù)據(jù)比對(duì)來(lái)保障其正確性。

4.2 FPGA驗(yàn)證

受FPGA器件速度的限制，基帶處理SoC不能全速運(yùn)行，無(wú)法進(jìn)行完整的LTE230系統(tǒng)測(cè)試，主要進(jìn)行單音信號(hào)和LTE230駐留過(guò)程的測(cè)試。單音測(cè)試和仿真類似，由信號(hào)發(fā)生儀產(chǎn)生單音信號(hào)經(jīng)射頻下變頻后送到中頻進(jìn)行處理，處理結(jié)果導(dǎo)入MATLAB進(jìn)行波形與頻譜分析。LTE230駐留過(guò)程是終端開機(jī)后與基站建立連接的必要過(guò)程，包括小區(qū)搜索和廣播信息接收等步驟。由于230頻段單頻點(diǎn)有效子載波數(shù)僅10個(gè)，駐留過(guò)程所用的主同步信號(hào)、輔同步信號(hào)及廣播信道須占用多個(gè)OFDM符號(hào)中所有的有效子載波，故這是一個(gè)很典型的中頻接收性能測(cè)試場(chǎng)景，實(shí)測(cè)表明駐留過(guò)程的靈敏度高達(dá)-124 dBm，完全滿足系統(tǒng)需求。

5 結(jié)論

本文針對(duì)230頻段特點(diǎn)及LTE230系統(tǒng)需求，設(shè)計(jì)了一種全數(shù)字中頻接收機(jī)，采用兩級(jí)數(shù)字下變頻及高階數(shù)字濾波器，通過(guò)時(shí)分復(fù)用的方式，以較小的電路面積有效地解決了230頻段頻點(diǎn)多、分布離散、鄰頻抑制要求高等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)230頻段40個(gè)頻點(diǎn)的聚合，可滿足高速率電力應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸要求。數(shù)字中頻接收機(jī)經(jīng)MATLAB算法設(shè)計(jì)與仿真、RTL仿真和FPGA驗(yàn)證后已成功應(yīng)用到LTE230無(wú)線通信基帶芯片[1]中，目前基于芯片的通信模塊已在試點(diǎn)項(xiàng)目中穩(wěn)定運(yùn)行兩年多，各項(xiàng)功能性能指標(biāo)良好，完全滿足實(shí)際應(yīng)用需求，充分表明數(shù)字中頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)是成功的。