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基于FPGA的数字选频器设计

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基于FPGA的数字选频器设计 2012年1月1日 第35卷第1期 现代电子技术 Modern Electronics Technique Jan.2012 Vol.35No.1 基于FPGA的数字选频器设计 张 曜1,杨 虹1,张 浩2,李 杰2 (1.重庆邮电大学 光电工程学院,重庆 400065;2.中国科学院 微电子研究所,北京 100029) 摘 要:提出了一种基于FPGA的数字选频器设计方案,该数字选频器应用于八通道的GSM 系统直放站,采用低成本 的FPGA芯片Xilink Spartan-3ADSP XC3SD340...

基于FPGA的数字选频器设计
2012年1月1日 第35卷第1期 现代电子技术 Modern Electronics Technique Jan.2012 Vol.35No.1 基于FPGA的数字选频器 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 张 曜1,杨 虹1,张 浩2,李 杰2 (1.重庆邮电大学 光电 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院,重庆 400065;2.中国科学院 微电子研究所,北京 100029) 摘 要:提出了一种基于FPGA的数字选频器设计方案,该数字选频器应用于八通道的GSM 系统直放站,采用低成本 的FPGA芯片Xilink Spartan-3ADSP XC3SD3400A进行数字信号处理。给出了较详细的硬件设计方案,并通过 Agilent Technologies N5230A网络分析仪对数字选频器进行了测量,被选出的有效相邻信道之间的最小间隔能达到1MHz,能够实 现较好的选频功能,可满足实际应用的要求。 关键词:FPGA;数字选频器;GSM;直放站 中图分类号:TN710-34     文献标识码:A     文章编号:1004-373X(2012)01-0088-04 Design of digital frequency choice device based on FPGA 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) 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-3ADSP XC3SD3400Afor digital signal processing.A hardware design is proposed.The frequency choice device was measured by Agilent Technologies N5230Anetwork analyzer,and the minimum spacing between adjacent effective channels could reach 1MHz.A better fre- quency choice function can be realized,which can meet the requirements of practical application. Keywords:FPGA;digital frequency choice device;GSM;repeater 收稿日期:2011-08-18 基金项目:国家863项目:面向软件无线电的宽带数据变换和 可重构射频集成电路(2009AA011606);重庆市教 委科学技术研究项目(KJ100512);重庆市自然科 学基金项目(CSTC2010BB2412) 0 引 言 随着移动通信的迅速发展,无论何种无线通信的覆 盖区域都将产生弱信号区和盲区,要架设模拟或数字基 站成本太高,基础设施也比较复杂,为此提供一种成本 低、架设简单,却具有小型基站功能的直放站是很有必 要的。GSM移动通信系统在我国经过多年的发展,目 前已经拥有最大的网络覆盖规模、最多的用户数、种类 多样的业务,在我国移动通信市场中占有重要的地位。 本文对GSM直放站的数字无线选频器进行设计,以达 到低成本扩大无线网络覆盖范围和优化网络的目的。 1 系统总体结构 GSM900中上下行信道各120个,带宽为24MHz, 其中上行频段为885~909MHz,下行频段为930~ 954MHz,数字选频器工作效果示意图如图1所示。 图1 数字选频器工作效果示意图 如图1所示,数字选频器就是仅放大选中的频段, 抑制未选中的频段,实现降低信道间干扰的目的。系统 总体结构框图如图2所示。数字选频系统主要由A/D 模块、FPGA 可编程逻辑器件模块、D/A 模块以及 MCU管理模块四部分组成。 图2 系统总体结构框图 软件无线电的思想是将无线电收发信机的数字化 点(A/D/A)尽可能靠近天线,理想的情况是在天线的 后端进行射频采样,数字化之后,所有的处理都可以用 很灵活的方法实现[1]。但是由于目前 ADC器件性能 的限制,还无法达到在射频端进行数字化,在中频实现 数字化是一个较妥的方案[2]。 GSM直放站数字选频系统就是利用数字处理的手 段实现滤波器功能,以替代现有直放站中的模拟选频模 块。本系统通过 AD6655接收下变频后的模拟中频信 号,通过A/D采样将模拟信号转换为数字信号,采样频 率为122.88MHz。然后由FPGA按预定算法对来自 AD6655的数字信号进行数字处理,处理后的结果再由 AD9779转换成模拟信号。MCU 通过 SPI接口对 AD6655,AD9779和AD9516的寄存器进行配置,并与 FPGA之间进行通信。 2 系统硬件电路设计 2.1 系统电源设计 系统电源在整个系统中占有极其重要的地位,其设 计的成功与否关系到整个系统能否稳定运行以及性能 表现的好坏。由于本系统电平值比较多,同时基于系统 性能、功耗的考虑,故采用以下方案给整个系统供电。 系统电源总体设计框图如图3所示。 图3 系统电源总体设计框图 RT8289是一款DC/DC芯片,转换效率高达90%, 内部具有缓启动功能,能在宽范围的输入电压下实现高 达5A的连续电流输出,输入电压范围为5.5~32V,输 出电压可调为1.222~26V;LT1764电源芯片为LDO, 输出电流理论上可达3A,宽输入电压范围为2.7~ 20V,输出电压可调为1.21~20V,固定输出电压有: 1.5V,1.8V,2.5V,3.3V。TPS74401电源芯片为 LDO,支持输入电压低至0.9V,输出电压为0.8~ 3.6V可调,输出电流最大可达3A,配置电路比较简 单,而且在配置电路结构不变的情况下,可以通过调整 配置电阻来改变输出电压,方便调试。 2.2 系统时钟模块设计 整个系统时钟主要由时钟芯片 AD9516提供, AD9516是14路输出时钟发生器,配有片内集成锁相 环(PLL)和电压控制振荡器(VCO),也可以使用最高 2.4GHz的外部VCO/VCXO。AD9516具有出色的低 抖动和相位噪声特性,可极大地提升数据转换器的性 能。AD9516提供6路LVPECL输出、4路LVDS输出 和8路 CMOS输出。LVPECL 输出的工作频率达 1.6GHz,LVDS输出的工作频率达800MHz,CMOS 输出的工作频率达250MHz。每对输出均有分频器, 其分频比和粗调延迟(或相位)均可以设置[3]。 系统时钟结构框图如图4所示,其中 VCXO为外 部122.88MHz的压控晶振,TCXO为10MHz的温度 补偿晶振,由它提供时钟参考相位。 图4 系统时钟结构框图 TCXO 为 AD9516提供 10 MHz的参考时钟, VCXO 为 AD9516提供122.88 MHz的外部时钟, VCXO与TCXO保持相位同步,AD9516为 A/D提供 122.88 MHz的差分时钟 A/D_CLK,A/D 在时钟 A/D_CLK 下 进 行 采 样;AD9516 为 D/A 提 供 122.88MHz的差分时钟D/A_CLK,D/A在时钟D/A _CLK下进行数模转换;A/D提供时钟FPGA_A/D_ CLK 给 FPGA,A/D 在此时钟下传送数字信号给 FPGA;D/A 提供时钟 FPGA_D/A_CLK 给 FPGA, D/A在此时钟下从FPGA接收数字信号。 2.3 FPGA模块、A/D模块和D/A模块 FPGA 选 用 低 成 本 的 Spartan-3A DSP XC3SD3400A,由Xilinx公司生产,系统门数为3 400k, Slice数目为23 872,分布式 RAM 容量为373Kb,块 RAM容量为2 268Kb,专用乘法器数为126,DCM 数 目为8,最大可用I/O数为469,最大差分I/O对数为 213。FLASH型号为 M25P32。FPGA采用的配置模 式为 MASTER SPI模式[4-5]。 A/D转换芯片选用AD6655,AD6655是一款14b, 150MSPS的模数转换器。当工作在32.7~70MHz 带宽内,采样速率为150MSPS时,SNR为74.5dBc; 而在70MHz带宽内,SFDR为80dBc。具有高性能, 低功耗,易于使用的优点。CMOS的数据和时钟输出 能直接连接到现有的FPGA上,片上基准和采样保持 电路为系统设计提供了灵活性,可通过SPI进行控制, 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的串行接口提供各种功能,比如数据格式修改,稳 定时钟占空比,支持掉电模式和增益调整。内部集成了 DDC和NCO[6]。 98第1期 张 曜等:基于FPGA的数字选频器设计 在AD6655接口电路中,MCU 通过 SPI接口对 AD6655进行寄存器配置以使其正常工作。SMA输入部 分经过耦合电路后送至AD6655的差分输入端VIN+和 VIN-,AD9516输出差分时钟信号送至AD6655的时 钟差分输入端CLK+和CLK-,同时 AD6655本身输 出的 差 分 时 钟 也 送 至 FPGA 的 时 钟 输 入 引 脚。 AD6655的差分数据输出接至FPGA的I/O口。由于 AD6655的SPI接口的数据线口是双向的,而 MCU的 SPI数据线均是单向的,故其两者之间连接必须通过 一个BUFFER芯片 NC7WZ07进行转换,同时起到隔 离的作用,使AD6655更好地全动态范围工作。 D/A转换芯片选用AD9779,AD9779属于TxDACR○ 系列高性能、低功耗CMOS数/模转换器的第二代16b 分辨率产品。所有器件都采用相同的接口选项、小型封 装和引脚排列,因而可以根据性能、分辨率和成本的要 求,向上或向下兼容选择适合的器件。AD9779提供出 色的交流和直流性能,同时支持最高1 000MSPS的转 换速率[7]。由于AD9779输出为差分信号,故需要通过 变压器转成单端信号。变压器的选型需要考虑回波损 耗、带 宽、平 衡 性 等 参 数,此 设 计 中 变 压 器 选 用 TC1-1T。 2.4 系统控制设计 系统控制是由16位单片机 MSP430F147来实现 的,系统控制框图如图5所示。 图5 系统控制框图 2.4.1 状态指示 芯片工作状态的显示是由芯片的状态管脚在FP- GA上通过LED指示实现的。其中AD6655通过寄存 器0x104[3:1]控制管脚FDA[0:3]和FDB[0:3]分别 指示A和B通道的ADC快速幅度与FS标称输入幅度 的相对关系。AD9779直接通过它的PLLLOCK管脚 指示PLL是否已经锁定。AD9516是通过配置寄存器 0X1B,0X1A,0X17分别控制管脚2,3,6上显示VCO, PLL,HoldOver的状态。 2.4.2 芯片配置 各芯片工作状态的配置是通过 MSP430的SPI串 行接口实现的,且 MSP430的 SPI是三线的。其中 MCU侧的 SPI是复用的,对各芯片的选择是通过 GPIO控制各芯片上的SPI的片选位。各芯片SPI的 时钟是复用的 MCU主机侧的SPI时钟信号。 对 AD6655寄存器的配置是通过其自带的三线 SPI实现的。AD6655的SPI接口中数据输入/输出共 用同一根线,这与MSP430的标准四线全双工SPI是不 同的,要通过一个专门的转换电路实现两条单向的SI/ SO线和双向的SDIO线的转换。AD6655的SPI片选 信号通过 MSP430的 GPIO控制,没有专门的硬件复 位,只能使用软件控制寄存器实现复位。 对AD9779和AD9516的寄存器配置通过其分别 的SPI功能管脚实现。两种芯片的SPI都是既可以使 用三线,也可以使用四线。二者的SPI片选使能和芯片 复位也是分别通过 MSP430的GPIO来控制。 2.4.3 芯片复位、中断控制及其他 各芯片的复位是通过 MSP430的GPIO控制各芯 片的RESET引脚实现的,这样可以实现软件复位,同 时在各芯片的RESET引脚上加一个开关实现各芯片 独立的开关控制的硬件复位。 FPGA连接 MSP430的五个外部中断。MSP430 通过LED0~4指示状态。JTAG口下载程序实现硬件 调试。RS 485 串口实现 MSP430 与 PC 机的串行 通信。 3 测试结果 本数字选频器采用Agilent Technologies N5230A 网络分析仪进行扫频测试。通过软件设定该数字选频 器的下行模块参数如表1所示。 表1 数字选频器下行模块参数 频道号 对应GSM下行号 频点/MHz 0  1 000  930.2 1  0  935 2  5  936 3  20  939 4  35  942 5  55  946 6  75  950 7  95  954 通过网络分析仪测试数字选频器下行模块的频率 09 现代电子技术 2012年第35卷 响应和群延时,如图6,图7所示。 图6 数字选频器下行模块频率响应 图7 数字选频器下行模块群延时 从图6可以看出,该数字选频器能够实现比较好的 选频功能,被选出的有效相邻信道之间最小间隔能达到 1MHz;从图7可以看出该系统的群延时比较小,表明 设计的滤波器性能较好,信号失真较小,系统实时性较 好,能够满足实际应用的要求。 4 结 语 本文介绍了应用于GSM系统直放站的基于FPGA 的八通道数字选频器的设计。数字选频器应用于直放 站中,能够起到降低信道之间相互干扰的作用,仅放大 选中的频段信道,被选中的信道之间最小间隔能达到 1MHz,且群延时小,系统实时性好,具有较好的选频 效果,能够满足实际应用要求。该数字选频器的设计采 用低成本器件,小巧轻便,易安装,成本低,具有良好的 市场应用前景。 参 考 文 献 [1]MITOLA Joe.Software radio architecture[J].IEEE Com- munications Magazine,1995,15(5):26-39. 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