一種數(shù)字無線站的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開一種數(shù)字無線站，包括ARM、時(shí)鐘芯片，還包括逐級相連的射頻電路、雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、主處理芯片、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，ARM分別與主處理芯片和雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片相連；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片用于將射頻電路輸入的中頻為76.8MHZ的GSM幀信號，通過61.44MHZ采樣得到頻點(diǎn)為15.36MHZ、數(shù)據(jù)速率為61.44MHZ的數(shù)字信號并輸入主處理芯片；所述主處理芯片用于對數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字信號濾波、頻率搬移、自動(dòng)頻率校正最終生成輸入數(shù)據(jù)至同步控制電路；同步控制電路用于根據(jù)輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生輸出電壓控制晶振時(shí)鐘脈沖CP實(shí)現(xiàn)頻率校正。
【專利說明】一種數(shù)字無線站
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本實(shí)用新型涉及一種實(shí)現(xiàn)自動(dòng)頻率校正的數(shù)字無線站。
【背景技術(shù)】
[0002]在無線通信系統(tǒng)中，收發(fā)無線站之間為了確保正常通信，必須保證接收端的頻率源信號頻率與發(fā)射頻端的頻率源信號的頻率一致，以達(dá)到同步的目的，才能正確解調(diào)用戶傳輸?shù)男盘枴?br> [0003]常規(guī)的數(shù)字無線站為了達(dá)到同步，收發(fā)兩端都采用了高精度的晶體振蕩器其價(jià)格昂貴，同時(shí)長時(shí)間使用后會(huì)出現(xiàn)頻率漂移，收發(fā)兩端就會(huì)出現(xiàn)頻偏，需要定期進(jìn)行人工進(jìn)行頻率校正，對于某些無線站使用廉價(jià)晶振，因時(shí)間久遠(yuǎn)使得其穩(wěn)定度降低，這樣就會(huì)對接收到的數(shù)據(jù)附加一個(gè)頻率偏移，這樣就會(huì)導(dǎo)致近遠(yuǎn)端系統(tǒng)頻率存在頻偏，遠(yuǎn)端沒法解調(diào)近端的信號，使得近遠(yuǎn)端無法同步。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]為解決上述拘束問題，本實(shí)用新型采用的一個(gè)技術(shù)方案是:
[0005]提供一種數(shù)字無線站，包括ARM、時(shí)鐘芯片，所述數(shù)字無線站還包括逐級相連的射頻電路、雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、主處理芯片、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，所述雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片接入主處理芯片的輸入端，所述主處理芯片的輸出端通過數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片連接至射頻電路，ARM分別與主處理芯片和雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片相連；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片用于將射頻電路輸入的中頻為76.8MHZ的GSM幀信號，通過61.44MHZ采樣得到頻點(diǎn)為15.36MHZ、數(shù)據(jù)速率為61.44MHZ的數(shù)字信號并輸入主處理芯片；所述主處理芯片用于對數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字信號濾波、頻率搬移、自動(dòng)頻率校正最終生成輸入數(shù)據(jù)至同步控制電路；同步控制電路用于根據(jù)輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生輸出電壓控制晶振時(shí)鐘脈沖CP實(shí)現(xiàn)頻率校正；所述主處理芯片包括FCCH信道檢測電路、頻偏校正電路、頻率誤差估算計(jì)算電路；變頻抽取濾波電路用于對接收到的數(shù)字信號進(jìn)行下變頻抽取濾波，得到269.473K的GSM信號；FCCH信道檢測電路用于對GSM信號進(jìn)行FCCH檢測獲取FCCH信號；頻偏校正電路用于將FCCH數(shù)據(jù)擬合成直線的斜率并解調(diào)出輸出斜率；頻率誤差估算計(jì)算電路用于將輸出斜率與理想斜率進(jìn)行比較計(jì)算出斜率偏差值相應(yīng)得到頻率偏差值，然后根據(jù)斜率偏差值通過查找表得到同步控制電路的輸入數(shù)據(jù)并將輸入數(shù)據(jù)配置給同步控制電路；所述同步控制電路用于根據(jù)輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生輸出電壓控制晶振時(shí)鐘脈沖CP實(shí)現(xiàn)頻率校正。
[0006]本實(shí)用新型的數(shù)字無線站，通過將下行的射頻信號下變至數(shù)字中頻，然后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸入FPGA進(jìn)行數(shù)字信號處理以及相關(guān)的同步信號獲取，通過一個(gè)常用的壓控晶振(VCO)和一些控制電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)頻率校正，不但降低了數(shù)字無線站的成本，同時(shí)同步頻率的精度也較高，無需人工校頻，實(shí)現(xiàn)智能的頻率校正。
【專利附圖】

【附圖說明】[0007]圖1是本實(shí)用新型數(shù)字無線站的結(jié)構(gòu)框圖；
[0008]圖2是是主處理芯片的結(jié)構(gòu)框圖；
[0009]圖3是本實(shí)用新型一實(shí)例中數(shù)字無線站的硬件原理框圖；
[0010]圖4是圖3中同步控制電路的電路框圖。
[0011]主要元件符號說明
[0012]主處理芯片I
[0013]同步控制電路2
[0014]變頻抽取濾波電路10
[0015]FCCH信道檢測電路20
[0016]頻偏校正電路30
[0017]射頻電路3
[0018]雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片4
[0019]數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片 5
[0020]ARM6
【具體實(shí)施方式】
[0021]為詳細(xì)說明本實(shí)用新型的技術(shù)內(nèi)容、構(gòu)造特征、所實(shí)現(xiàn)目的及效果，以下結(jié)合實(shí)施方式并配合附圖詳予說明。
[0022]在GSM系統(tǒng)中，在下行過程中，基站的信號經(jīng)過近端數(shù)字無線站，近端數(shù)字無線站通過射頻無線發(fā)射至遠(yuǎn)端數(shù)字無線站，遠(yuǎn)端數(shù)字無線站將下行的信號通過射頻發(fā)射給移動(dòng)臺(tái)接收，上行反之。其中，移動(dòng)臺(tái)和基站必須正確的同步才能進(jìn)行正常通信，同步的前提就是捕獲頻率校正信號(FCCH)。
[0023]本實(shí)用新型主要是通過對基站下行的FCCH的捕獲，估算出信號的頻率偏移，對近端數(shù)字無線站的頻率源進(jìn)行自動(dòng)校正，使近端數(shù)字無線站的頻率源在頻率的精度允許范圍內(nèi)跟蹤于基站下行的信號的FCCH信道，同樣，遠(yuǎn)端的無線接收設(shè)備也將通過近端數(shù)字無線站發(fā)射基站的下行同步信號進(jìn)行自動(dòng)校正，以達(dá)到近遠(yuǎn)端數(shù)字無線站同步的目的。具體地址，主要是通過將下行的射頻信號下變至數(shù)字中頻，然后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸入FPGA進(jìn)行數(shù)字信號處理，以及相關(guān)的同步信號獲取，通過一個(gè)常用的壓控晶振(VCO)和一些控制電路便可實(shí)現(xiàn)，不但降低了數(shù)字無線站的成本，同時(shí)同步頻率的精度也較高，無需人工校頻，實(shí)現(xiàn)智能的頻率校正。
[0024]GSM系統(tǒng)中的無線接口綜合了頻分多址和時(shí)分多址技術(shù)，傳輸?shù)膯挝皇?56個(gè)調(diào)制比特的序列為一個(gè)突發(fā)，突發(fā)占用200KHZ的頻帶寬度，持續(xù)時(shí)間為0.577ms為一個(gè)時(shí)隙，對于單載波小區(qū)，一般時(shí)隙O映射為BCCH信道(FCCH+SCH+BCCH+CCCH，main BCCH組合)，對于下行的51復(fù)幀結(jié)構(gòu)，在該公共控制信道中，F(xiàn)CCH脈沖占有其中的第0、10、20、30、40幀。因此檢測到FCCH后，便可確定SCH的位置，同時(shí)FCCH結(jié)構(gòu)比較特殊，有用數(shù)據(jù)為142全0，這樣的結(jié)構(gòu)便于移動(dòng)臺(tái)更好地捕獲。理想情況下，如果不是全O或全I(xiàn)序列，則必然存在相鄰符號間的相位差為-Π/2的情況，如果再對該信號作-Π/2的相位反轉(zhuǎn)，則相鄰符號的相位差為-Π，而對于FCCH信道，相鄰符號經(jīng)過反轉(zhuǎn)后的相位差為O。GSM系統(tǒng)采用GMSK調(diào)制方式，調(diào)制后的FCCH是一個(gè)純正弦波，因此可以通過解其相位的變化來糾正頻率的偏差。[0025]請參閱圖1，是本實(shí)用新型數(shù)字無線站的結(jié)構(gòu)框圖，所述數(shù)字無線站包括ARM6、時(shí)鐘芯片7，還包括逐級相連的射頻電路3、雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片4、主處理芯片1、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片5，所述雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片4接入主處理芯片I的輸入端，所述主處理芯片I的輸出端通過數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片5連接至射頻電路3，ARM分別與主處理芯片I和雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片4相連。
[0026]模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片5用于將射頻電路3輸入的中頻為76.8MHZ的GSM幀信號，通過61.44MHZ采樣得到頻點(diǎn)為15.36MHZ、數(shù)據(jù)速率為61.44MHZ的數(shù)字信號并輸入主處理芯片
1
[0027]所述主處理芯片I用于對數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字信號濾波、頻率搬移、自動(dòng)頻率校正最終生成輸入數(shù)據(jù)至同步控制電路。
[0028]同步控制電路2由穩(wěn)壓芯片、與穩(wěn)壓芯片相連數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、以及與所述數(shù)模轉(zhuǎn)換電路連接的壓控晶振，同步控制電路2用于根據(jù)輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生輸出電壓控制晶振時(shí)鐘脈沖CP實(shí)現(xiàn)頻率校正。
[0029]請參閱圖2，是主處理芯片的結(jié)構(gòu)框圖。所述主處理芯片I包括變頻抽取濾波電路10、FCCH信道檢測電路20、頻偏校正電路30、頻率誤差估算計(jì)算電路40。
[0030]變頻抽取濾波電路10用于對接收到的經(jīng)過采樣的頻點(diǎn)為15.36MHZ，數(shù)據(jù)速率為61.44MHZ的數(shù)字信號進(jìn)行下變頻抽取濾波，得到269.473K的GSM信號。
[0031 ] FCCH信道檢測電路20用于對GSM信號進(jìn)行FCCH檢測獲取FCCH信號。
[0032]理想情況下，F(xiàn)CCH接收信號的相位為:
[0033]Φ (?) = Φ0+Π/(2*Ts)*t公式 I`[0034]其中，Ts=l/fs=l/270.833kbit/s=3.7us，為一個(gè)符號周期。但實(shí)際環(huán)境存在相位誤差εηα)，設(shè)接收到信號的頻率偏移為Af，則一條徑時(shí)FCCH的接收信號可表示為:
[0035]Φ (?) = Φ0+Π/(2*Ts)*t+2n Δ f*t+ε n(t) 公式 2
[0036]令t=i*Ts，則離散的時(shí)間信號為:
[0037]Φ (i) = (ji0+n/2*i+2nAf*Ts*i+en(i)i=0，l，....，141 公式 3
[0038]對φ⑴依次進(jìn)行_n/2i的相位補(bǔ)償后，可得到:
[0039]Φ，α) = Φ，0+2Π Af*Ts*i+ε n(i) i=0，I，....，141 公式 4
[0040]由上式可以看到理想無噪聲的情況下，序列索引i與相位Φ/是截距為Φ?！?、斜率為k=2n Δ fTs的直線上的點(diǎn)。通過求直線斜率的方法得到斜率k，從而求出頻偏Δ f。
[0041]頻偏校正電路30用于將FCCH數(shù)據(jù)擬合成直線的斜率并解調(diào)出輸出斜率，計(jì)算出斜率偏差值相應(yīng)得到頻率偏差值，然后根據(jù)斜率偏差值通過查找表得到同步控制電路的輸入數(shù)據(jù)并將輸入數(shù)據(jù)配置給同步控制電路2。
[0042]下面結(jié)合一具體實(shí)例對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)的說明。請一并參閱圖3、圖4圖3是本實(shí)用新型一實(shí)例中數(shù)字無線站的硬件原理框圖。
[0043]圖3中，AD58C28為11位的雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，兩片DA5688是數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，用于實(shí)現(xiàn)上下行兩條鏈路的設(shè)計(jì)。主處理芯片F(xiàn)PGA是xilinx的X6cslx75t，由于FPGA是一種現(xiàn)場可編程器件，有較高的靈活性進(jìn)行信號處理，只要修改軟件便可以實(shí)現(xiàn)不同制式的系統(tǒng)及電路升級。AD9516是時(shí)鐘芯片，用于給各個(gè)處理電路提供多路時(shí)鐘。同步控制電路主要通過自動(dòng)頻率校正算法，計(jì)算出來的校正值去調(diào)整壓控晶振以實(shí)現(xiàn)頻率的校正。ARM主要是配置相關(guān)處理電路以及處理與外部的監(jiān)控部分。射頻電路部分的上下變頻部分針對多種制式的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
[0044]圖4是圖3中同步控制電路的電路框圖。同步控制電路主要是由穩(wěn)定度較高的穩(wěn)壓芯片REF5050、串行16位精度的DAC8411、以及常規(guī)的壓控晶振組成。由于本系統(tǒng)要求的精度較高，因此需要低噪聲、低溫漂、高精度電壓參考芯片REF5050，具體指標(biāo):low temperature drift:-high-grade:3ppm/c> high accuracy:high-grade:0.05%> lownoise:3uVpp/V給DAC8411做準(zhǔn)確電壓參考，以保證精度的穩(wěn)定性。同時(shí)需求高精度的DAC8411以便能實(shí)現(xiàn)較高精度的調(diào)節(jié)頻率的偏移，具體的功能:FPGA通過自動(dòng)校準(zhǔn)算法，計(jì)算出當(dāng)前的系統(tǒng)與基放下行的同步信號的頻偏誤差，再將此誤差斜率通過查表的方式輸出一個(gè)校正完的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號去控制壓控晶振的CP端，以校正壓控晶振的頻率，最終使系統(tǒng)達(dá)到自動(dòng)頻率校正的目的。
[0045]基于上述的電路，天線接收經(jīng)過低噪聲輸入然后經(jīng)過射頻電路的下變頻到中頻，輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片；模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入主處理芯片F(xiàn)PGA ；FPGA進(jìn)行抽取、濾波、NCO下變頻搬移至O頻，然后經(jīng)過壓帶處理，進(jìn)行插值、濾波、NCO數(shù)字上變頻，輸出至數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片；數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，輸出給后端的射頻電路進(jìn)行上變頻；最后經(jīng)過上變頻輸出，再經(jīng)過PA放大輸出。
[0046]同時(shí)從下行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片并行操作，通過混頻抽取濾波輸出269.473K的GSM信號，再通過此信號獲取FCCH信道，解調(diào)出相關(guān)的斜率，進(jìn)而計(jì)算出斜率的偏差到得頻率的偏差，然后通過斜率的偏差進(jìn)行查找表得到控制DAC8411的值，最后通過調(diào)整晶振的CP實(shí)現(xiàn)頻率校正的功能。主要采用了 FPGA芯片進(jìn)行濾波器及頻率搬移、自動(dòng)頻率校正實(shí)現(xiàn)。
[0047]數(shù)字無線站信號處理電路主要在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的采樣時(shí)鐘為61.44M，將射頻下變的中 頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，即其采樣率為61.44MSPS。此時(shí)分成兩條鏈路:
[0048]一、是數(shù)字無線站的上下變頻設(shè)計(jì)，主要是進(jìn)行壓帶處理以便在無線的空間傳輸中抗干擾性較好，同時(shí)也不會(huì)占用一些特殊的信道。數(shù)據(jù)速率流程:61.44 — >15.36->3.84—>3.84—>15.36—>61.44，混頻在61.44M位置混頻，混頻及濾波器采用三倍復(fù)用的方式，系統(tǒng)跑184.32M的時(shí)鐘，為了將資源的合理利用，以下為抽取濾波器的設(shè)計(jì):
[0049]61.44—>15.36這一級主要是采用CIC濾波器，由于此濾波器抑制要求不高同時(shí)只消耗slice，不用消耗DSP，因?yàn)楹竺娴脑O(shè)計(jì)需要大量的DSP。
[0050]15.36—>3.84第二級主要是做防混疊的設(shè)計(jì)。
[0051]第三級3.84這級主要是進(jìn)行單速率濾波，這級采樣率較低這樣容易達(dá)到較好的抑制。
[0052]在此列舉15.36—>3.84這級濾波器的參數(shù)一共25階
[0053]
[0.0001 0.0005 0.0012 0.0008 -0.0031
-0.0113 -0.0192 -0.0154 0.0129 0.0698
0.1430 0.2057 0.2304 0.2057 0.1430
0.0698 0,0129 -0.0154 -0.0192 -0.0113[0054]
-0.0031 0.0008 0,0012 0.0005 0.0001],
[0055]此濾波器是通過matlab的fdatool設(shè)計(jì)的。
[0056]上變頻反之將3.84MSPS插取至61.44然后進(jìn)行混頻。其中壓帶處理，實(shí)際上是將外部接收的24M帶寬多載波的信號下變頻至O頻，然后經(jīng)過頻率搬移壓縮至4M或更小帶寬，這個(gè)過程中便要求對濾波器的設(shè)計(jì)有很高的要求，以保證相鄰載波之前不會(huì)有干擾。
[0057]二、外部輸入中頻為76.8MHZ的GSM幀信號，通過AD58C28進(jìn)行61.44MHZ采樣，得到頻點(diǎn)為15.36MHZ、數(shù)據(jù)速率為61.44MHZ的信號，經(jīng)過4*19*3倍降速與濾波，得到數(shù)據(jù)速率為269.473K的GSM信號，然后進(jìn)行同頻獲取算法實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)所采用的硬件結(jié)構(gòu)極為簡單，只需要一個(gè)資源充足的FPGA芯片，以及滿足具體設(shè)計(jì)要求的ADC和DAC即可實(shí)現(xiàn)。
[0058]本實(shí)用新型的數(shù)字無線站，通過將下行的射頻信號下變至數(shù)字中頻，然后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸入FPGA進(jìn)行數(shù)字信號處理以及相關(guān)的同步信號獲取，通過一個(gè)常用的壓控晶振(VCO)和一些控制電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)頻率校正，不但降低了數(shù)字無線站的成本，同時(shí)同步頻率的精度也較高，無需人工校頻，實(shí)現(xiàn)智能的頻率校正。
[0059]以上所述僅為本實(shí)用新型的實(shí)施例，并非因此限制本實(shí)用新型的專利范圍，凡是利用本實(shí)用新型說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的【技術(shù)領(lǐng)域】，均同理包括在本實(shí)用新型的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種數(shù)字無線站，其特征在于，包括ARM、時(shí)鐘芯片，所述數(shù)字無線站還包括逐級相連的射頻電路、雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、主處理芯片、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，所述雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片接入主處理芯片的輸入端，所述主處理芯片的輸出端通過數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片連接至射頻電路，ARM分別與主處理芯片和雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片相連； 所述模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片用于將射頻電路輸入的中頻為76.8MHZ的GSM幀信號，通過61.44MHZ采樣得到頻點(diǎn)為15.36MHZ、數(shù)據(jù)速率為61.44MHZ的數(shù)字信號并輸入主處理芯片；所述主處理芯片用于對數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字信號濾波、頻率搬移、自動(dòng)頻率校正最終生成輸入數(shù)據(jù)至同步控制電路；同步控制電路用于根據(jù)輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生輸出電壓控制晶振時(shí)鐘脈沖CP實(shí)現(xiàn)頻率校正； 所述主處理芯片包括FCCH信道檢測電路、頻偏校正電路、頻率誤差估算計(jì)算電路；變頻抽取濾波電路用于對接收到的數(shù)字信號進(jìn)行下變頻抽取濾波，得到269.473K的GSM信號；FCCH信道檢測電路用于對GSM信號進(jìn)行FCCH檢測獲取FCCH信號；頻偏校正電路用于將FCCH數(shù)據(jù)擬合成直線的斜率并解調(diào)出輸出斜率；頻率誤差估算計(jì)算電路用于將輸出斜率與理想斜率進(jìn)行比較計(jì)算出斜率偏差值相應(yīng)得到頻率偏差值，然后根據(jù)斜率偏差值通過查找表得到同步控制電路的輸入數(shù)據(jù)并將輸入數(shù)據(jù)配置給同步控制電路；所述同步控制電路用于根據(jù)輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生輸出電壓控制晶振時(shí)鐘脈沖CP實(shí)現(xiàn)頻率校正。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字無線站，其特征在于，所述同步控制電路包括穩(wěn)壓芯片、與穩(wěn)壓芯片相連數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、以及與所述數(shù)模轉(zhuǎn)換電路連接的壓控晶振。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種數(shù)字無線站，其特征在于，所述主處理芯片為FPGA，所述FPGA具體是X6cslx75t芯片。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種數(shù)字無線站，其特征在于，同步控制電路是由穩(wěn)壓芯片REF5050、串行16位精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC8411、以及壓控晶振組成。
【文檔編號】H04L7/00GK203675102SQ201320839572
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2013年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月18日
【發(fā)明者】黃海峰, 張祖良 申請人:福建三元達(dá)通訊股份有限公司