CN101188590B - 多载波信号处理的数字下变频系统及其数字下变频方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多载波信号处理的数字下变频系统，包括A/D采样和AGC控制模块、单通道NCO产生模块、第一级正交调制处理模块、第一级抽取滤波器组、多通道NCO产生模块、第二级复数调制处理模块、第二级抽取滤波器组、可变增益调节模块、本振抑制模块、数据格式转换模块、数据接口控制模块、DDC系统总控制模块；所述DDC系统总控制模块的输出端同时与单通道NCO产生模块、多通道NCO产生模块、可变增益调节模块、本振抑制模块、数据格式转换模块与数据接口控制模块的输入端连接。本发明的数字下变频系统的载波数目可以根据实际设计要求任意进行增减，有效的提高了系统的灵活性和可扩展性。

Description

多载波信号处理的数字下变频系统及其数字下变频方法

技术领域

本发明涉及移动通信领域，尤其涉及多载波信号处理的数字下变频系统及其数字下变频方法。

背景技术

随着移动通信的发展，移动通信用户数急剧增加，运营商不得不对各种制式的移动通信系统进行扩容处理，以满足用户的通信需求。如中国移动通信集团，每年都要增加大量的载波数资源，以满足日益增长的移动通信用户市场需求。如今的通信系统扩容处理，都是采用多载波技术，这就要求相应的移动通信产品也具有多载波处理能力。

通信技术的不断进步，也使得当今越来越多的通信产品采用数字技术来实现，所以，随着多载波系统的不断应用，一方面需要支持多载波处理功能的产品，另一方面，随着用户对产品体积、功耗方面的要求，产品需要逐步向低功耗、小型化、微型化方向发展。所以，从单载波处理系统扩展到多载波系统，不能简单将单路系统级联起来合成多载波系统，而应该将单路系统的功能进行合并和扩展，形成多载波系统，以完成多载波的信号的处理。在基于软件无线电架构的移动通信产品中，需要具有多载波技术的数字下变频系统和数字上变频系统。

在数字中频处理系统中，数字下变频器(DDC：Digital Down Conversion)主要功能是将数字化后的模拟中频信号下变频到零中频信号，并将满足中频采样定理的高速采样信号降低为低速率采样信号，最后送到基带处理部分进行解调处理。目前，应用较多的是单载波的数字下变频器，主要实现对单路数据的调制。多载波数字下变频器，一般只能支持对四载波数据的调制，要扩展到8载波以上的系统，需要集成多个数字下变频器，一方面会增加系统成本，另一方面，也不易实现产品的小型化、系统功耗较大。

图1是公知的四载波数字下变频器的原理框图。数据处理流程如下：宽带模拟信号输入，经过宽带A/D转换器进行A/D采样处理，输出高速的宽带数字信号。该数字信号与不同频点的NCO(Numerical Controlled Oscillator，数字控制振荡器)进行混频处理，输出高速的基带I、Q信号，每个载波信号通过对应的抽取滤波器组，最后，输出经过抽取滤波后的低速基带I、Q信号。可以看出，该结构的多载波数字下变频器，A/D转换后，每载波信号单独进行数字下变频处理，最后输出低速的基带I、Q信号，优点在于时序和逻辑控制非常简单，而且，每载波的数字下变频处理不受其他载波的影响，应用简单、方便。缺点在于每个载波单独处理，需要较多的硬件资源。此外，图1所示的下变频系统也可以通过TDM(TDM：Time Division Multiplex时分模式)模式形成8载波或16载波的下变频系统，但在TDM应用模式下，由于载波数目与数据速率的乘积必须小于某一个恒定值，这样，使得输出数据速率有一定的限制，系统的应用范围大大缩小。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供多载波信号处理的数字下变频系统及其数字下变频方法，本发明有效节约器件的资源，降低多载波数字下变频器的功耗和成本，提高了系统的灵活性和扩展性。

本发明的目的通过下述技术方案实现：多载波信号处理的数字下变频系统，包括A/D采样和AGC(Automatic Gain Control，自动增益控制)控制模块、单通道NCO产生模块、第一级正交调制处理模块、第一级抽取滤波器组、多通道NCO产生模块、第二级复数调制处理模块、第二级抽取滤波器组、可变增益调节模块、本振抑制模块、数据格式转换模块、数据接口控制模块、DDC(Digital DownConversion，数字下变频器)系统总控制模块；所述A/D采样和AGC控制模块输出端依次通过第一级正交调制处理模块、第一级抽取滤波器组、第二级复数调制处理模块、第二级抽取滤波器组、可变增益调节模块、本振抑制模块、数据格式转换模块与数据接口控制模块的输入端连接；所述单通道NCO产生模块的输出端与第一级正交调制处理模块的输入端连接；所述多通道NCO产生模块的输出端与第二级复数调制处理模块的输入端连接；所述DDC系统总控制模块的输出端同时与单通道NCO产生模块、多通道NCO产生模块、可变增益调节模块、本振抑制模块、数据格式转换模块与数据接口控制模块的输入端连接。

所述A/D采样和AGC控制模块包括AGC控制模块、A/D转换模块和控制处理模块，所述AGC控制模块通过A/D转换模块与控制处理模块连接。

所述第二级复数调制处理模块包括多个调制累加模块和一个数据时序调整处理模块，所述多个调制累加模块同时与数据时序调整处理模块连接；所述调制累加模块包括NCO信号延时处理模块，抽取滤波后I、Q信号延时处理模块，乘法器，混频后I、Q信号延时处理模块，累加器和累加后I、Q信号延时处理模块；所述多通道NCO产生模块与多个调制累加模块的NCO信号延时处理模块，乘法器，混频后I、Q信号延时处理模块，累加器，累加后I、Q信号延时处理模块，数据时序调整处理模块依次连接；所述第一级抽取滤波器组与多个调制累加模块的抽取滤波后I、Q信号延时处理模块，乘法器，混频后I、Q信号延时处理模块，累加器，累加后I、Q信号延时处理模块，数据时序调整处理模块依次连接。

所述第一级抽取滤波器组或第二级抽取滤波器组分别由一个、两个或三个内插滤波器组成。

所述内插滤波器是FIR、IIR、CIC或半带内插滤波器。

所述多载波数字下变频系统用CPLD、FPGA、EPLD、DSP或专用ASIC芯片来实现。

一种基于多载波信号处理的数字下变频系统的数字下变频方法，包括以下步骤：

(1)模拟中频信号输入到AGC控制模块，通过A/D转换模块形成数字中频信号，控制处理模块根据数字中频信号的特性，输出反馈决策和控制信息到AGC控制模块，实现对A/D转换模块的AGC控制；

(2)A/D采样和AGC控制模块输出的数字中频信号输入到第一级正交调制处理模块，与单通道NCO产生模块输出的cos和sin信号进行混频调制处理，输出零中频的数字信号，零中频的数字信号进入到第一级抽取滤波器组进行数据抽取和滤波处理；

(3)经过第一级抽取滤波器组进行抽取滤波后的数据输入到第二级复数调制处理模块，与多通道NCO产生模块产生的多个不同频率的cos和sin信号进行混频调制处理，形成多载波I、Q信号；多载波I、Q信号通过第二级抽取滤波器组进行进一步的数据抽取和滤波处理，输出低速的多载波基带I、Q信号；

(4)经过两级调制后的信号经过可变增益调节模块，每个载波的增益都可以独立进行相应的调整，输出符合系统增益要求的I、Q信号；

(5)可变增益调节模块输出的信号通过本振抑制模块进行直流本振泄漏以及载波泄漏的抑制，然后，通过数据格式转换模块控制输出信号的格式，最后，再通过数据接口控制模块，输出并行、串行或交织模式的I、Q信号。

所述步骤(5)中通过数据格式转换模块控制输出信号的格式，其中输出信号的格式包括二进制补码、原码、偏移码。

本发明与现有技术相比具有如下优点和有益效果：

1、有利于采用诸如FPGA、CPLD、EPLD、DSP等可编程逻辑器件实现，载波数可以随应用需求增减，大大增加了系统的灵活性和可扩展性。

2、提供了多个人机交互接口，可以任意设置频点、增益、数据格式、数据输出时序等，可以满足不同设计需求的系统，具有很宽的适用范围。

3、将多载波信号调制处理模块放置在第一级抽取滤波模块之后，这样，由于经过第一级抽取滤波，数据速率不是很高，这样，就可以采用时分复用资源的方式来实现累加运算，可以大大节约资源。

4.在AGC处理方面，直接对高速的数字中频信号进行AGC控制，处理时延短，实时性好；由于仅仅对A/D转换后的信号进行数据处理，而不是根据基带I、Q数据提取决策信息，数据处理量小。

附图说明

图1为公知的四载波数字下变频器的原理框图；

图2为本发明的多载波数字下变频系统的原理框图；

图3为本发明的第二级复数调制处理模块结构框图；

图4是N个载波NCO串行输出模式示意图；

图5是N个载波NCO并行输出模式示意图；

图6是N个载波NCO突发模式NCO输出时序示意图；

图7是N个载波并行输出模式示意图；

图8是N个载波并行交织输出模式示意图；

图9是N个载波串行交织输出模式示意图；

图10是N个载波突发模式输出时序示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图2所示，本发明多载波数字下变频系统包括A/D采样和AGC控制模块、单通道NCO产生模块、第一级正交调制处理模块、第一级抽取滤波器组、多通道NCO产生模块、第二级复数调制处理模块、第二级抽取滤波器组、可变增益调节模块、本振抑制模块、数据格式转换模块、数据接口控制模块、DDC系统总控制模块；所述A/D采样和AGC控制模块输出端依次通过第一级正交调制处理模块、第一级抽取滤波器组、第二级复数调制处理模块、第二级抽取滤波器组、可变增益调节模块、本振抑制模块、数据格式转换模块与数据接口控制模块的输入端连接；所述单通道NCO产生模块的输出端与第一级正交调制处理模块的输入端连接；所述多通道NCO产生模块的输出端与第二级复数调制处理模块的输入端连接；所述DDC系统总控制模块的输出端同时与单通道NCO产生模块、多通道NCO产生模块、可变增益调节模块、本振抑制模块、数据格式转换模块与数据接口控制模块的输入端连接。

A/D采样和AGC控制模块包括AGC控制模块、A/D转换模块和控制处理模块，所述AGC控制模块通过A/D转换模块与控制处理模块连接。AGC控制模块和控制处理模块组成反馈控制系统，AGC控制模块根据控制处理模块发出的决策和控制信号，根据A/D的特性，实现对输入信号的衰减以及放大处理，以起到保护A/D转换器的同时，提高A/D转换模块的动态范围。其中控制处理模块完成输出给AGC控制的控制信号功能外，还必须具备如下一些功能：对A/D转换后的低速信号转换为适合第一级正交调制处理模块需求的高速信号，或是对A/D转换后的高速信号转换为适合第一级正交调制处理模块需求的低速信号，或是对A/D转换后的并行信号转换为适合第一级正交调制处理模块需求的串行信号，或是对A/D转换后的串行信号转换为适合第一级正交调制处理模块需求的并行信号。

第一级正交调制处理模块主要对来自A/D转换和AGC控制模块的数字中频信号以及单通道NCO产生模块所生成的单载波cos和sin信号进行第一级的混频和调制处理，输出以0MHz为中心频点的数字信号。

在本发明中，对调制后的输出的信号进行增益调节和控制，以满足系统设计中对信号输入、输出增益的控制要求。可变增益调节模块开放了一些用户接口，以使得用户能够根据系统设计要求，任意的修改系统增益，具体可由DDC系统总控制模块实现对增益的任意调节。

单通道NCO产生模块功能是产生单载波的cos和sin信号，具体频点可以根据设计要求，由DDC系统总控制模块进行设置。

多通道NCO产生模块主要实现生成多载波的数字sin和cos信号，为第二级复数调制处理模块提供多个本振参考信号。各个载波的频点可以根据设计要求，由DDC系统总控制模块进行单独设置。多通道NCO产生模块能够输出多种时序的本振信号，如图4的串行输出模式、图5的并行输出模式以及图6的突发模式等。

在数字下变频系统中，为了降低A/D采样后数据的传输速率，需要采用数据抽取处理，但数据抽取会引起信号频谱的混迭，需要进行滤波。对应高倍数的抽取处理，为了降低滤波器设计的难度，节约器件资源，一般要采用多级抽取滤波器级联实现。系统中的第一级抽取滤波器组和第二级抽取滤波器组一般都是由一个或两个抽取滤波器组成，特殊情况下，会采用三个抽取滤波器来构成抽取滤波器组。其中，抽取滤波器可以为FIR、IIR以及CIC、半带抽取滤波器等。如系统第一级抽取需要实现16倍数据抽取处理，可以采用CIC抽取4倍和FIR抽取4倍来实现，也可以采用半带滤波器抽取2倍、CIC抽取2倍以及FIR抽取4倍来实现。

在本发明中，本振抑制模块抑制实现抵消下变频处理中由于设计处理等所引入的直流信号以及载波泄漏信号，提高了系统性能。在数字下变频处理中，不可避免会引入直流信号，可以采用“对称舍入”处理方法来抑制直流泄漏，也可以采用直流滤波的方法实现对直流的抑制，还可以采用其他的方法来进行直流的抑制，如求取信号的均值，对信号进行补偿处理。而且，在多载波下变频系统中，每个频点对应的载波泄漏也会对系统性能带来较大的影响，所以，需要对载波泄漏信号进行抑制处理，以减小载波泄漏对其他载波的干扰。具体抑制要求，可以根据系统性能要求，通过DDC系统总控制模块实现任意性能的调节和控制。

数据格式转换模块主要根据后续系统要求，对输出数据的格式进行一定的调整和转换，可以输出二进制补码、原码、偏移码、十六进制码等。具体输出数据格式要求，由DDC系统总控制模块进行控制和实现。

数据接口控制模块功能主要是输出符合后续要求的不同时序规律的基带I、Q信号。DDC系统总控制模块可以设置输出的时序要求，由数据接口控制模块实现输出如下模式的数据：如图7的并行模式、图8的并行交织模式、图9的串行交织模式(其中MSB(Most Significant Bit)表征数据的最高有效位，LSB(Least Significant Bit)表征数据的最低有效位)和图10的突发模式。DDC系统总控制模块分别与单通道NCO产生模块、多通道NCO产生模块、可变增益调节模块、本振抑制模块、数据格式变换模块、数据接口控制模块相连接。实现对单通道NCO产生模块和多通道NCO产生模块输出频率的设置；控制可变增益调节模块，使得各个载波的增益符合设计需求；根据系统性能要求，合理的实现本振抑制处理。最后，输出符合系统要求的数据格式和数据时序。

如图3可见，本发明的第二级复数调制处理模块包括多个调制累加模块和一个数据时序调整处理模块，所述多个调制累加模块同时与数据时序调整处理模块连接；所述调制累加模块包括NCO信号延时处理模块，抽取滤波后I、Q信号延时处理模块，乘法器，混频后I、Q信号延时处理模块，累加器和累加后I、Q信号延时处理模块；所述多通道NCO产生模块与多个调制累加模块的NCO信号延时处理模块，乘法器，混频后I、Q信号延时处理模块，累加器，累加后I、Q信号延时处理模块，数据时序调整处理模块依次连接；所述第一级抽取滤波器组与多个调制累加模块的抽取滤波后I、Q信号延时处理模块，乘法器，混频后I、Q信号延时处理模块，累加器，累加后I、Q信号延时处理模块，数据时序调整处理模块依次连接。

结合图2、图3，实现多载波信号处理的数字下变频系统的数字下变频方法，包括以下步骤：

(1)模拟中频信号输入到AGC控制模块，通过A/D转换模块形成数字中频信号，控制处理模块根据数字中频信号的特性，输出反馈决策和控制信息到AGC控制模块，实现对A/D转换模块的AGC控制；

(2)A/D采样和AGC控制模块输出的数字中频信号输入到第一级正交调制处理模块，与单通道NCO产生模块输出的cos和sin信号进行混频调制处理，输出零中频的数字信号，进入到第一级抽取滤波器组进行数据抽取和滤波处理；

(3)经过第一级抽取滤波器组进行抽取滤波后的数据输入到第二级复数调制处理模块，与多通道NCO产生模块产生的多个不同频率的cos和sin信号进行混频调制处理，形成多载波I、Q信号。多载波I、Q信号通过第二级抽取滤波器组进行进一步的数据抽取和滤波处理，输出低速的多载波基带I、Q信号；

(4)经过两级调制后的信号经过可变增益调节模块，每个载波的增益都可以独立进行相应的调整，输出符合系统增益要求的I、Q信号；

(5)可变增益调节模块输出的信号再经过本振抑制处理模块，很好的抑制系统中的直流本振泄漏以及载波泄漏。数据格式转换模块控制输出信号的格式，可以输入二进制补码、原码、偏移码以及其他码制的信号。最后，根据系统设计要求，控制数据接口模块，可以输出并行、串行、交织等模式的I、Q信号。

在传统的多载波数字下变频系统中，多载波信号混频处理都是在A/D采样之后进行。但由于A/D采样输出的数据速率很高，这样，混频处理需要较多的资源，而如果在低速情况下进行混频调制处理，则完全可以采用时分复用的处理方式来节约资源。本发明将多载波信号混频调制处理模块放置在第一级抽取滤波模块之后，这样，由于经过第一级抽取滤波，数据速率不是很高，这样，就能利用用时分复用资源的方式来实现混频调制运算，大大节约资源。

本发明提出了的多载波数字下变频系统，以使得整个系统的多个下变频载波可以复用同一硬件资源，从而降低下变频系统的成本、体积和功耗；在AGC控制方面，为保护A/D转换器以及提高A/D的动态范围，以实现对一定动态范围的信号进行数字下变频处理，本下变频系统中内置了AGC处理模块，直接对A/D转换后的高速数字信号进行AGC控制，实时性好；在混频处理方面，提供了两级级混频处理，降低了对输入信号频率范围的要求。而且，下变频系统的载波数目可以根据实际设计要求任意进行增减，提高系统的灵活性和可扩展性。

本发明所提出的多载波数字下变频系统可以利用CPLD、FPGA、EPLD、DSP等可编程逻辑器件来实现，也可使用专用ASIC芯片来实现。

本发明可应用与GSM、CDMA、DCS、JDC、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000等通信体制系统中。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.多载波信号处理的数字下变频系统，其特征在于，包括

采样和自动增益控制AGC控制模块、单通道数字控制振荡器NCO产生模块、第一级正交调制处理模块、第一级抽取滤波器组、多通道数字控制振荡器NCO产生模块、第二级复数调制处理模块、第二级抽取滤波器组、可变增益调节模块、本振抑制模块、数据格式转换模块、数据接口控制模块、数字下变频器DDC系统总控制模块；所述A/D采样和自动增益控制AGC控制模块输出端依次通过第一级正交调制处理模块、第一级抽取滤波器组、第二级复数调制处理模块、第二级抽取滤波器组、可变增益调节模块、本振抑制模块、数据格式转换模块与数据接口控制模块的输入端连接；所述单通道数字控制振荡器NCO产生模块的输出端与第一级正交调制处理模块的输入端连接；所述多通道数字控制振荡器NCO产生模块的输出端与第二级复数调制处理模块的输入端连接；所述数字下变频器DDC系统总控制模块的输出端同时与单通道数字控制振荡器NCO产生模块、多通道数字控制振荡器NCO产生模块、可变增益调节模块、本振抑制模块、数据格式转换模块与数据接口控制模块的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的多载波信号处理的数字下变频系统，其特征在于，所述

采样和自动增益控制AGC控制模块包括自动增益控制

控制模块、A/D转换模块和控制处理模块，所述自动增益控制AGC控制模块通过转换模块与控制处理模块连接。

3.根据权利要求1所述的多载波信号处理的数字下变频系统，其特征在于，所述第二级复数调制处理模块包括多个调制累加模块和一个数据时序调整处理模块，所述多个调制累加模块同时与数据时序调整处理模块连接；所述调制累加模块包括数字控制振荡器NCO信号延时处理模块，抽取滤波后I、Q信号延时处理模块，乘法器，混频后I、Q信号延时处理模块，累加器和累加后I、Q信号延时处理模块；所述多通道数字控制振荡器NCO产生模块与多个调制累加模块的数字控制振荡器NCO信号延时处理模块，乘法器，混频后I、Q信号延时处理模块，累加器，累加后I、Q信号延时处理模块，数据时序调整处理模块依次连接；所述第一级抽取滤波器组与多个调制累加模块的抽取滤波后I、Q信号延时处理模块，乘法器，混频后I、Q信号延时处理模块，累加器，累加后I、Q信号延时处理模块，数据时序调整处理模块依次连接。

4.根据权利要求1所述的多载波信号处理的数字下变频系统，其特征在于，所述第一级抽取滤波器组或第二级抽取滤波器组分别由一个、两个或三个内插滤波器组成。

5.根据权利要求4所述的多载波信号处理的数字下变频系统，其特征在于，所述内插滤波器是FIR、IIR、CIC或半带内插滤波器。

6.根据权利要求1所述的多载波信号处理的数字下变频系统，其特征在于，所述多载波信号处理的数字下变频系统用CPLD、FPGA、EPLD、DSP或专用ASIC芯片来实现。

7.基于权利要求2所述多载波信号处理的数字下变频系统的数字下变频方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)模拟中频信号输入到自动增益控制

控制模块，通过A/D转换模块形成数字中频信号，控制处理模块根据数字中频信号的特性，输出反馈决策和控制信息到自动增益控制

控制模块，实现对A/D转换模块的自动增益控制AGC控制；

(2)A/D采样和

控制模块输出的数字中频信号输入到第一级正交调制处理模块，与单通道数字控制振荡器NCO产生模块输出的cos和sin信号进行混频调制处理，输出零中频的数字信号，零中频的数字信号进入到第一级抽取滤波器组进行数据抽取和滤波处理；

(3)经过第一级抽取滤波器组进行抽取滤波后的数据输入到第二级复数调制处理模块，与多通道数字控制振荡器NCO产生模块产生的多个不同频率的cos和sin信号进行混频调制处理，形成多载波I、Q信号；多载波I、Q信号通过第二级抽取滤波器组进行进一步的数据抽取和滤波处理，输出低速的多载波基带I、Q信号；

(4)经过两级调制后的信号经过可变增益调节模块，每个载波的增益都可以独立进行相应的调整，输出符合系统增益要求的I、Q信号；

(5)可变增益调节模块输出的信号通过本振抑制模块进行直流本振泄漏以及载波泄漏的抑制，然后，通过数据格式转换模块控制输出信号的格式，最后，再通过数据接口控制模块，输出并行、串行或交织模式的I、Q信号。

8.根据权利要求7所述的数字下变频方法，其特征在于，所述步骤(5)中通过数据格式转换模块控制输出信号的格式，其中输出信号的格式包括二进制补码、原码、偏移码。

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