CN1423493A - 一种无线基站中的信号接收方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种无线基站中的信号接收方法及装置,所述方法通过基站天线把上行信号经模拟射频宽带前端变换为高中频信号,由高速A/D进行数字化采样后,把多路数字信道信号同时送给可编程的数字下变频电路,被分解为多路基带正交信号；再进行基于基带数字信号处理技术的软件化基带处理后,生成比特流送给BSC(基站控制器)进行后续处理；所述装置依次连接的射频前端处理模块21,高速宽带模拟/数字转换器22,可编程数字下变频模块23,基带数字信号处理模块24；本发明将高中频以下的接收机通道完全数字化,在除了获取数字***较模拟***优越的常规收益之外；还将获取模拟***无法实现的灵活性可动态调整性能参数等等,适应标准、环境和需求等方面的变化的收益。

Description

一种无线基站中的信号接收方法及装置

技术领域

本发明属于移动通信领域，特别是涉及一种基于基带数字信号处理技术的无线基站信号接收方法及装置。

背景技术

随着现代移动通信技术的不断发展，当前的移动通信市场中，多种体制共存，新体制不断涌现，这就给开发人员及用户带来不便。目前的通信***由模拟体制不断向数字化体制过渡，更有利于使通信***采用标准化、模块化的结构。高速度、高性能的硬件的出现，通过软件加载的方式用软件实现尽量多的硬件功能已成为可能。

在移动通讯领域，数字接收机的技术虽然比较成熟，但它们一般只能工作于单一的频段和模式，功能相对较少，灵活性不够，可扩展能力及接收灵敏度也有限。

下面说明上述常规移动通信***中的无线基站接收装置的信号接收过程。首先把天线收到的射频信号经过带通滤波，低噪声放大，再经混频器多次混频产生中频信号(几百MHz)，对中频信号进行放大、滤波、增益控制放大AGC处理后，通过模拟信号正交解调输出正交的基带I、Q模拟信号，经滤波、放大及ADC模拟/数字转换得到数字信号，进入基带数字信号处理模块进行数字信号处理。

在常规移动通信***无线基站中的信号接收装置，通常采用在基带对低通带限的模拟信号进行抽样量化的方法实现接收信号的数字化，这样使接收机不具有改变信道带宽的灵活性，也不能解决模拟接收链路所固有的设计复杂和生产成本高等问题。其中，一般滤波器的中心频率和带宽通常是固定的，要实现性能精确、指标稳定的滤波器，由于使用模拟器件多，实现电路就比较复杂，生产成本相应提高；由于接收通道中采用了较多的窄带滤波器，使得信号经过通道后引入的幅相畸变很大，降低了信号噪声比和动态范围，严重影响后处理的质量。同时，若用常规解调器件，其解调方式及码流格式固定，缺乏灵活性；而且由于其解调出的码流一般不能并行处理，使多通道接收分集大都采用选择分集方法，不能采用其它分集效果更好的分集算法来提高***的接收灵敏度。同时硬件的复杂性使接收机的体积、重量、功能等不能令人满意。

发明内容

本发明要解决的技术问题之一是提出一种移动通信基站中利用基带数字信号处理技术实现宽带中频带通采样的数字接收方法。这种方法通过基站天线把上行信号经模拟射频宽带前端变换为高中频信号，由高速A/D进行数字化采样后，把多路数字信道信号同时送给可编程的数字下变频电路，被分解为多路基带正交信号；再进行基于基带数字信号处理技术的软件化基带处理后，生成比特流送给BSC(基站控制器)进行后续处理。

本发明要解决的技术问题之二是提出一种实现上述方法的信号接收装置。

本发明提供的一种信号接收装置，是用以下技术方案实现，包括：

依次连接的射频前端处理模块(21)，高速宽带模拟/数字转换器(22)，可编程数字下变频模块(23)，基带数字信号处理模块(24)；

所述射频前端处理模块(21)，利用天线接收无线信号，送往带通滤波器(211)，依次经过第一低噪声放大器(212)、混频器(213)、中频带通滤波器(214)、第二低噪声放大器(215)处理后，将输出信号送至高速宽带模拟/数字转换器(22)；

所述可编程数字下变频模块(23)包括数控振荡器(231)，用于产生一对正交本振信号，送至数字乘法器(232)，用于把每路中频数字信号内要处理的频率为f_i的信号正交数字分解为两个正交基带信号I和Q，再经级联积分梳状滤波器(233)实现数据抽取，被抽取的数据再经数字低通滤波器(234)进行整形滤波，其输出送往FIFO数据缓冲区(235)进行数据的并/串转换和缓冲；

所述基带数字信号处理模块(24)包括顺序连接的数字解调单元(241)，码元同步调整单元(242)，最大比值合并分集单元(243)、码元抽取单元(244)、联合软判决及比特流串并转换处理单元(245)。

本发明提出一种利用基带数字信号处理技术实现宽带中频带通采样的数字接收的方法，包括如下步骤：

步骤一：射频模拟信号被混频为高中频模拟信号；

步骤二：对高中频模拟信号进行高速宽带A/D采样；

步骤三：对中频数字信号进行数字下变频处理；

步骤四：对零中频复信号进行一系列数字信号处理。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

图1为本发明的数字接收处理方法流程图；

图2为本发明所提供的一种无线基站中的数字接收机装置结构图。

图3为本发明基带数字信号处理部分的流程图。

具体实施方式

从天线接收到的上行信号一般是频率范围很宽(一般为0.1MHz～2.2GHz)的射频信号，目前A/D转换器的性能很难达到对这样高频率的信号进行直接采样，并且后续处理器件也难以满足要求。所以本发明提出的对射频信号进行宽带中频带通采样，是一个比较实用的处理方法。

根据图1所示，本发明所阐述的方法可按如下几个步骤实现：

步骤一(102)：射频模拟信号被混频为高中频模拟信号。

接收天线的上行信号，经过带通滤波器211滤除带外信号，由第一低噪声放大器212放大和混频器213混频，将射频信号变换成中心频率为f₀，带宽为B₀的宽带中频信号；再经中频滤波器214滤除镜像频率，该中频带宽内包含有多个信道(信道数＝中频带宽/信号带宽)，最后被第二低噪声放大器215进行中频放大到下级处理的信号电平。

步骤二(103)：对高中频模拟信号进行高速宽带A/D采样。

本步骤是对送到高速宽带模拟/数字转换器22的高中频模拟信号进行模拟/数字转换。其中对A/D转换器的采样速率(由信号带宽决定)及采样精度(由信号的动态范围决定)有一定的要求。目前大规模集成电路技术的发展，商用AD转换器件的性能已能够满足这种要求。通过选用适合的AD器件可对高中频模拟信号进行采样量化，产生中频数字信号。

步骤三(104)：对中频数字信号进行数字下变频处理；

多路中频数字信号经可编程数字下变频模块23实现信号的正交分解和抽取。首先，由数控振荡器NCO(231)，产生一对正交本振信号cos(win)和sin(win)，经2N个数字乘法器232(N为通道数)完成对中频数字信号内要处理的频率为f_i的信号的正交数字分解，每通道产生两路正交基带信号I和Q；然后经一个级联积分梳状滤波器233，实现数据的抽取。被抽取的信号再经过数字低通滤波器234进行整形滤波，数字低通滤波的阶数由基带数字信号处理模块24来控制；滤波后的信号再进入FIFO数据缓冲区235，它实现对多路I，Q信号进行缓冲和并/串转换，产生零中频基带I，Q数字信号。

步骤四(105)：对零中频复信号进行一系列数字信号处理。

这一步骤的实现主要是在高速数字信号处理器中完成。分别对多路复信号(I，Q)进行数字解调、码元同步调整、最大比值合并分集、码元抽取、联合软判决及比特流串并转换处理；然后按要求格式将码流注入到信令处理部分，完成从射频信号到基带信号的整个处理过程。

图2所示为本发明提供的一种数字接收机装置结构图(图2中只画出两路天线接收，一片AD6600双通道采样的结构图)。

首先每路接收天线的上行信号2110分别经过带通滤波器211，经低噪放放大和混频器混频，被变换成中心频率为f₀，带宽为B₀的宽带高中频信号。这里的混频器213中的本振频率为f_L，应满足f_L＝f_i±f₀，式中，f_i为输入信号频率，f₀为中心频率，当取“+”号时采用高本振，取“-”时采用低本振；并经中频带通滤波器214滤除镜像频率，该高中频带宽信号内包含有多个信道(信道数＝中频带宽/信号带宽)；最后被第二低噪声放大器215进行中频放大成为能被下级单元处理的信号2111。该信号2111流入到高速宽带模拟/数字转换器22中，本装置的所述高速宽带模拟/数字转模块22采用ADI公司的AD6600(221)，该芯片可以对70MHz～250MHz的中频信号进行双通道直接采样；单通道采样率最高20MSPS，双通道每一通道最高10MSPS；其内部前级输入包括了AGC控制电路，总的信号输入范围为90dB；AD转换器的位数为11位，另外还有接收信号增益指示的3位RSSI信号，可通过可编程数字下变频模块23对其进行参数设置。

本装置可以通过两片AD6600(221)实现了四通道采样；采样得到的中频数字信号流入可编程数字下变频模块23。

首先，由数控振荡器(NCO)231，产生一对正交本振信号cos(win)和sin(win)经数字乘法器232，分别把每路中频数字信号内要处理的频率为f_i的信号正交数字信号数字分解为两个正交基带信号(I，Q)。考虑到处理的实时性，通过查表法来实现对本振数据的提取，以相位累加角度作为地址寻址，NCO的参数可以通过所述基带数字信号处理模块24来设置；再经一个级联积分梳状滤波器233实现数据抽取，该级联积分梳状滤波器233使用了两级级联，其中第一级是二阶积分梳状(CIC)滤波器，第二级是五阶积分梳状(CIC)滤波器，其抽取系数可由基带数字信号处理模块24来设置，被抽取的数据再经数字低通滤波器234实现整形滤波，可有效的降低频谱混叠。该数字低通滤波器234使用的是20阶α＝0.5的平方根升余弦滚降低通滤波器，其实现的阶数可以由基带数字信号处理模块24来控制，滤波器系数存储在可编程器件(FPGA)的RAM中。然后，分解得来的多路正交I、Q信号在FPGA开辟的一个FIFO数据缓冲区235实现数据的并/串转换和缓冲，生成便于下级数字信号处理器(基带数字信号处理模块24)的处理速度及数据格式的每路零中频正交I/Q复信号2112。

本装置中的可编程数字下变频模块23由高速现场可编程器件FPGA设计实现，充分利用它的高速低耗、并行性及动态重新配置等特点来实现对每路中频数字信号的处理。

下面***地介绍本发明的工作原理。

首先来自接收天线的上行信号经过射频前端处理模块(21)中的带通滤波器(211)，滤除掉带外信号，然后经过第一低噪声放大器(212)放大，经混频器(213)混频，将射频信号变换为中心频率为f₀，带宽为B₀的宽带高中频信号(不同的移动通信***中，f₀和B₀不同)，并经中频带通滤波器(214)滤除镜像频率，最后被第二低噪声放大器(215)放大到下级处理所需的信号电平；

多路中频模拟信号经高速宽带模拟/数字转换器(22)，进行中频亚采样，并于采样前做AGC控制，产生中频数字信号，根据带通信号采样理论，这里的ADC采样频率f_s应满足 $f_s=\frac{{4f}_0}{2n+1},$ n为正整数；中频数字信号流入可编程数字下变频模块(23)。首先，中频数字信号与由数控振荡器(231)提供的正交本振信号在数字乘法器(232)中进行数字混频后，被分解成正交的I，Q两支路，再经级联积分梳状滤波器(233)进行抽取，并经数字低通滤波器(234)整形后，流入FIFO数据缓冲区(235)进行并串转换和数据预处理，产生零中频I，Q数字信号，以便于后续进行基带数字信号处理。在基带数字信号处理模块(24)中，完成由(23)注入的多路零中频复信号(I，Q)的一系列数字信号处理方法，按要求的格式码流注入到信令处理部分。同时，在基带数字信号处理模块(24)中，对高速宽带模拟/数字转换器(22)和可编程数字下变频模块(23)进行参数配置和控制。

根据图3所示基带数字信号处理流程图可按如下几个步骤实现：

随着基带数字信号处理技术的发展成熟，大量性能优异的商用基带数字信号处理芯片在市场推广，基带数字信号处理技术在通讯领域的应用越来越广泛。本装置中采用高速基带数字信号处理芯片来实现多个数字信号处理方法。

第一步(302)，每路零中频正交I/Q复信号2112经过基带数字信号处理模块24中的数字解调单元241，完成数字解调；在基带数字信号处理模块24中可以根据***要求来决定所采用的数字解调法。本装置选用π/4DQPSK数字解调法，为了节约计算资源，实现实时处理高速信号，将同步调整单元242和数字解调结合到一起，在实现同步的同时完成解调，又可以根据估计出来的解调误差对同步进行调整。具体方法是：如果每码元的采样点数为n，在刚开始接收数据时，先选取连续n个样点假定为一个码元，对于每个采样点的参数L_j(0≤j＜n)进行预解调，确定出与L_j距离最小的星座点所对应的标准值L′_j，信号解调误差为ΔL_j＝L_j-L′_j，选择误差最小的样点作为准最佳点，使信号达到粗同步。为了减少白噪声的干扰，通常对m个码元求平均误差，本方法采用最小均方误差准则(MMSE)来进行衡量。即选择满足 $\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&Delta;}{L}_k^2}=\underset{0\&le;j<n}{\min }\{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&Delta;}{L}_j^2}=\frac{1}{m}\underset{i=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(L_{\mathrm{ij}}-{L^{\&prime;}}_{\mathrm{ij}})}^2\}$ 的第k组样点作为这m个码元的准最佳采样点。上式中，L_ij为第i个码元的第j个采样点的参数L，L_ij′为L_ij所对应的标准值。达到粗同步后，再进一步对第k-1、k和k+1相邻的三组数据比较，取 $\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&Delta;}{L}_j}=\frac{1}{m}\underset{i=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&Delta;L}}_{\mathrm{ij}}(k-1\&le;j\&le;k+1),$ 然后根据这三个误差均值内差出最佳判决时刻的L参数并进行解调作为最终输出，计算出来的解调误差一方面可以用来对接收信号进行补偿，另一方面又能作为下一次同步调整的参考。

第二步(303)，经过相位调整的每路同相和正交解码信号在最大比值合并分集单元243进行分集接收处理，它的实现需要考虑信号载波相位和群延迟问题。本装置的每路接收通道各自的载波相位不同，但差分解调过程已经将这些差异抵消；移动台到达各天线的群迟延也不同，且随用户的移动而改变，但由于各天线实际距离较近，因而最大群迟延的差与码元宽度(本***为5.21μs)相比，可以忽略。它的所有信号的电平和噪声功率需要被及时的正确估计，如果在实际***中它的实现要占用大量的资源，但是如果对每一个通道的信号功率进行合理的取舍，则可以实现。然后通过对各路信号电压与噪声功率之比进行加权，并求和。这种合并分集的方法产生的输出信噪比应等于各通道信噪比之和。

第三步(304)，在码元抽取单元244中，对合并分集后各采样点的解码，根据信号空间中的星座位置的估计，找到它们眼图张开最大的采样点为抽样点。

第四步(305)，抽取的码元经联合软判决及比特流串并转换处理单元245，生成对符合信令处理模块格式的码流数据2114。同时在数字信号处理模块24内通过控制信号2113实现对高速宽带模拟/数字转换器22、可编程数字下变频模块23的参数进行配置，提高了***的灵活性和扩展性。

本发明公开了一种基于基带数字信号处理技术的无线基站信号接收方法及装置，它与常规无线基站的接收装置相比，具有以下特点：

第一，宽带中频带通采样，使接收机数字化部分更接近射频前端，可使整个接收装置的射频前端的硬件电路设计大大降低，同时使信号经过接收通道后的失真大大减小，波形适应性增强。可以通过在射频前端改变带通滤波器的中心频率f0及本振源等少量硬件设备，就可以达到频段扩展，实现不同的移动通信***接收装置。

第二，可编程数字下变频模块23，使对高中频信号的处理具有更大的灵活性，数字本振相对于模拟本振，不存在频率稳定度、边带、相位噪声、转换速率等难以彻底解决的问题；频率步进、频率间隔等也具有较理想的性能；混频精度主要受数字混频器和数字本振的数据位数的宽度决定等。通过基带数字信号处理模块24实现对RAM中数字滤波器系数的选取和调整，可根据不同需要，实现对不同特性数字滤波器的设计。它的控制和修改较容易等特点也是模拟下变频器所无法比拟的。

第三，在基带信号处理部分，各种数字解调选择灵活，以它为平台可实现多种数字解调法，解调具有较好的相位平衡性，解调门限主要受输入信号的信噪比限制。

第四，在基带信号处理部分，采用最大比值合并的空间分集方法。本发明在克服常规的空间分集装置的上述缺陷，提供一种最大比合并单元，除了可以获得相对于信道衰落所具有的数十分贝(视衰落模型而定)的分集增益外，还可以获得(不考虑衰落时)信噪比的“净”增益。每路最大比值合并，将可以获得最大达到6dB的信噪比增益，而常规空间分集(选择方式)***中增益平均为3dB。使***的增益增加了约3dB。

总之，本发明装置将高中频以下的接收机通道完全数字化。在除了获取数字***较模拟***优越的常规收益(诸如稳定、可靠、方便和精确等)之外；还将获取模拟***无法实现的灵活性、可动态调整性能参数等等，适应标准、环境和需求等方面的变化的收益。它的大部分功能都是由软件程序来实现，便于***集成，可经过对软件算法的改变，适应于多种体制移动通信***的接收装置。

Claims (10)

1、一种信号接收装置，其特征在于，包括：依次连接的射频前端处理模块(21)，高速宽带模拟/数字转换器(22)，可编程数字下变频模块(23)，基带数字信号处理模块(24)；

所述射频前端处理模块(21)，利用天线接收无线信号，送往带通滤波器(211)，依次经过第一低噪声放大器(212)、混频器(213)、中频带通滤波器(214)、第二低噪声放大器(215)处理后，将输出信号送至高速宽带模拟/数字转换器(22)；

所述可编程数字下变频模块(23)包括数控振荡器(231)，用于产生一对正交本振信号，送至数字乘法器(232)，用于把每路中频数字信号内要处理的频率为f_i的信号正交数字信号分解为两个正交基带信号I和Q，再经级联积分梳状滤波器(233)实现数据抽取，被抽取的数据再经数字低通滤波器(234)进行整形滤波，其输出送往FIFO数据缓冲区(235)进行数据的并/串转换和缓冲；

所述基带数字信号处理模块(24)包括顺序连接的数字解调单元(241)，码元同步调整单元(242)，最大比值合并分集单元(243)、码元抽取单元(244)、联合软判决及比特流串并转换处理单元(245)。

2、如权利要求1所述的信号装置，其特征在于，所述高速宽带模拟/数字转换器(22)接受来自射频前端处理模块(21)的输出信号，经过模拟/数字转换后，将输出信号送至所述可编程数字下变频模块(23)。

3、如权利要求1所述的信号装置，其特征在于，所述高速宽带模拟/数字转换器(22)可通过两片AD6600实现了四通道采样。

4、如权利要求1所述的信号装置，其特征在于，所述级联积分梳状滤波器(233)使用了两级级联，其中第一级是二阶积分梳状(CIC)滤波器，第二级是五阶积分梳状(CIC)滤波器，其抽取系数可由基带数字信号处理模块(24)来设置。

5、如权利要求1所述的信号装置，其特征在于，所述可编程数字下变频模块(23)可以包括多组由数控振荡器、数字乘法器、级联积分梳状滤波器和数字低通滤波器组成的变频单元。

6、如权利要求1所述的信号装置，其特征在于，所述基带数字信号处理模块(24)分别对级联积分梳状滤波器(233)数字低通滤波器(234)以及高速宽带模拟/数字转换器(22)进行参数设置。

7、一种实现宽带中频带通采样的数字接收方法，包括如下步骤：

步骤一(102)：射频模拟信号被混频为高中频模拟信号；

步骤二(103)：对高中频模拟信号进行高速宽带A/D采样；

步骤三(104)：对中频数字信号进行数字下变频处理；

步骤四(105)：对零中频复信号进行一系列数字信号处理。

8、如权利要求7所述的实现宽带中频带通采样的数字接收方法，其特征在于，所述步骤一(102)包括如下过程：

接收天线的上行信号，经过带通滤波器(211)滤除带外信号，由第一低噪声放大器(212)放大和混频器(213)混频，将射频信号变换成中心频率为f₀，带宽为B₀的宽带中频信号；再经中频滤波器(214)滤除镜像频率，该中频带宽内包含有多个信道(信道数＝中频带宽/信号带宽)，最后被第二低噪声放大器(215)进行中频放大到下级处理的信号电平。

9、如权利要求7所述的实现宽带中频带通采样的数字接收方法，其特征在于，所述步骤三(104)对中频数字信号进行数字下变频处理包括如下过程：

首先，由数控振荡器NCO(231)，产生一对正交本振信号cos(win)和sin(win)，经2N个数字乘法器(232)(N为通道数)完成对中频数字信号内要处理的频率为f_i的信号的正交数字分解，每通道产生两路正交基带信号I和Q；

然后经一个级联积分梳状滤波器(233)，实现数据的抽取，被抽取的信号再经过数字低通滤波器(234)进行整形滤波，其实现的阶数由所述基带数字信号处理模块(24)来控制，滤波器系数可存储在可编程器件的RAM中；滤波后的信号再进入FIFO数据缓冲区(235)，它实现对多路I，Q信号进行缓冲和并/串转换；产生零中频基带I，Q数字信号。

10、如权利要求7所述的实现宽带中频带通采样的数字接收方法，其特征在于，所述步骤四(105)对零中频复信号进行一系列数字信号处理包括如下过程：

分别对多路复信号(I，Q)进行数字解调、码元同步调整、最大比值合并分集、码元抽取、联合软判决及比特流串并转换处理；然后按要求格式将码流注入到信令处理部分，完成从射频信号到基带信号的整个处理过程。