毕业论文：W-CDMA数字选频移频系统——硬件电路的设计

目录/提纲：……
1、射频单元主要有双工器、滤波器、变频单元等组成
3、光传输单元主要是由数字光模块组成
5、供电系统主要实现对近端所有有源模块的正常工作提供稳定的电压
表二、LM2678S-ADJ相关数据
表三、MIC38300相关数据
表四、LP38500TS-ADJ相关数据
（一）工具
（二）调试准备
（三）电路板检查
……
题目：W-CDMA数字选频移频系统——硬件电路的设计

院 系：信息科学与工程学院
专 业：电子信息工程

摘要
WCDMA 是英文Wideband Code Division Multiple Access（宽带码分多址）的英文简称，可在5MHz的带宽内，提供最高384kbps的用户数据传输速率，是一种第三代无线通讯技术，目前中国联通采用的此种3G通讯标准。数字直放站是现在通信行业中一项重要设备，直放站在通信传输过程中起到信号增强的一种无线电发射中转设备，所以也叫中继站。它与基站相比有结构简单、投资较少和安装方便、价格便宜的优点。
本文简要介绍了数字光纤直放站通信的原理和数字中频板的硬件电路组成。包括ADC、DAC、FPGA、CLOCK、供电电源等，着重介绍了锁相环的原理和运用时常见的问题和解决办法，电源方案的规划和设计，并介简要绍了LDO电源芯片。分析了高速电路中逻辑电平的运用和各个电平之间的连接方式。我们用数字光纤传输基带信号，光纤传输具有线路损耗小，动态范围大，传输距离远,组网方式灵活的特点。
本系统既可以有效的实现通信，又不会浪费资源，在用于高速铁路线路的覆盖、复杂地形和偏远村庄的信号覆盖有很大的优势，应用前景十分广阔。


关键字： WCDMA FPGA 数字光纤 锁相环 电源方案



ABSTRACT
The WCDMA short for the Wideband Code Division Multiple Access of English.It can supply as high as 384kbps date transmission speed in 5M bandwidth. radio transmission techniques of the third generation mobile communication system. At present, china Unicom use this 3G communcation standards. Digital repeater is now an important device in the communications industry, the communications transmission repeater to play a radio transmission signal enhancement transit equipment, also called relay stations. It is simple in structure compared with the base station, less investment and ease of installation and low price advantages.
This paper introduces the principles of digital communications and fiber optic repeater digital IF circuit board
……（新文秘网https://www.wm114.cn省略2104字，正式会员可完整阅读）……　
硬件为基础的传统通信载体无法适应这种新局面。同时，随着通信业务的不断增长，无线频谱变得越来越挤，对现有通信系统的频带利用率及抗干扰能力提出了更高的要求。但是，沿着现有通信_的发展，很难对频带重新规划。同时，若采用新的抗干扰方法，也要求对现有系统结构做出很大的调整，代价很大，软件无线电是一种解决办法。
其次随着社会信息化的加快，边远乡镇对移动通信的需求日益提高，是移动业务增长点。这些地方地域广、地型复杂、话务量低，运营商建网初期面临高投入、低回报的压力。现有2G移动通信系统由于处于高频频段，空间传播损耗过大，绕射能力弱，只能进行可视距覆盖，多丘陵、多山、森林等地区覆盖存在不足。另外通信频率资源有限，运营商必须利用有限的频率资源,以保证无线通信业务的持续发展。而目前解决多丘陵、多山、森林等边际网地区覆盖的方式一般采用大功率微基站，这种方式相对投资过大，同时受建设环境约束，光线直放站的运用将有很大的优势。
WCDMA数字光纤射频拉远系统是指将WCDMA射频信号混频为中频信号再经A/D转换为数字信号，通过对数字信号进行处理、滤波和采用数字光纤技术进行传输，并经D/A转换和放大，实现WCDMA射频信号的拉远传输的设备和系统。它通过把射频信号转换到数字信号，然后传输数字化的光信号，对主端机MU（Master Unit）和从端机RU（Remote Unit）之间的光损耗无需补偿，工程安装调度简单；同时对高峰均比信号的WCDMA信号加入CFR功能，更好的提高系统效率。
WCDMA数字光纤直放站可进行灵活的组网方式，可进行星形、菊花链及简单的星形和菊花链混合组网（一个近端星形点对多点带四条菊花链）。实现级联组网方式，有效解决光纤资源的投资成本较大问题。

第二章 系统方案

近端机框图：

图1、 近端机单元原理框图

从射频耦合口得到基站的下行信号－>直放站近端机的RF接收，射频下变频到中频－>ADC采样为数字中频信号－>通过混频器得到I/Q两路中频信号，数字下变频到基带（DDC）－>CPRI模块将I/Q基带数据组帧－>通过SerDes芯片将CPRI数据送给光口模块－>光纤传输到直放站远端机（几十公里）－>光模块接收，并通过SerDes芯片恢复并行数据和时钟信号－>CPRI模块解帧，提取出基带的I/Q数据－>数字上变频（DUC），经过混频器得到数字中频信号－>DAC输出模拟中频信号－>RF上变频－>功放模块－>天线发射到终端手机用户。
上行通道（手机到基站）：终端手机用户发射－>远端机接收射频信号－>经过低噪放和射频下变频到模拟中频－>ADC采样为数字中频信号－>通过混频器得到I/Q两路中频信号，数字下变频到基带（DDC）－>CPRI模块将I/Q基带数据组帧－>通过SerDes芯片将CPRI数据送给光口模块－>光纤传输到直放站近端机（几十公里）－>光模块接收，并通过SerDes芯片恢复并行数据－>CPRI模块解帧，提取出基带的I/Q数据－>数字上变频（DUC），经过混频器得到数字中频信号－>DAC输出模拟中频信号－>RF上变频－>通过射频耦合口将射频信号输入基站的天馈系统。
近端单元主要有射频单元、数字中频单元、光传输单元、监控单元、供电系统等部分组成。
1、 射频单元主要有双工器、滤波器、变频单元等组成。
双工器主要是实现收、发（上行、下行）信号的分离；
滤波器实现在分集接收端滤除上行信号以外的杂散信号；
变频单元分为上行变频单元和下行变频单元，下行变频单元主要是实现将基站过来的射频信号变为数字中频模块中ADC能够接收采样的中频信号。上行变频器是将数字中频模块DAC输出模拟中频信号变为基站接收的上行射频信号。
2、 数字中频单元主要有ADC、DAC、DDC、DUC、CPRI等组成。
ADC主要是实现将变频过来的模拟中频信号通过高速采样变为数字信号；
DAC主要是实现将DUC过来的数字信号转变为模拟中频信号；
DDC数字下变频是指将ADC采样得到的数字中频信号搬移到基带频率，并且恢复出I/Q信号。它包括两个部分。1、混频是指通过混频器（Mi*er）将中频频率搬移到基带频率上，并且恢复出I/Q两路正交数据。对于单载波来说，就是将信号由中频搬移到（-100KHz，100KHz）的基带上。2、采样率变换是将中频高采样率变换到基带的Symbol速率上，同时需要满足WCDMA的频谱模板和接收性能要求。
DUC数字上变频是指将基带I/Q数据由基带频率搬移到中频频率上。它包括两个部分：
1、 采样率变换将基带的Symbol速率变换到满足中频采样的高采样率上，同时完成满足WCDMA的频谱模板的选频功能。对于WCDMA信号来说，其Symbol速率都是270.833KHz。而中频的采样率为几十MHz。采用多级滤波器设计完成采样率变换，同时发射信号频谱需要满足WCDMA协议要求的频谱模板。2、混频是指通过混频器（Mi*er）将基带频率搬移到中频频率上。对于单载波来说，就是将信号由（-100KHz，100KHz）搬移到中频上。
2、CPRI接口用来传送WCDMA基带数据；由于直放站近端机和远端机之间的距离为几十公里，因此需要采用光纤来传输WCDMA基带数据。需要采用SerDes芯片将FPGA输出的并行基带I/Q数据转换为高速串行信号，再通过光模块转换为光信号，通过光纤传输到远端。
3、光传输单元主要是由数字光模块组成。通过SerDes输出的高速串行信号通过光模块进行传输到远端。
4、监控单元主要是由本地监控单元和远程控制单元，本地控制单元通过本地通信232串口线实现对近端和远端设备的参数进行控制和查询。远程控制单元是通过网管中心用无线MODE的数传达或短信的方式进行对近端和远程的参数进行控制和查询。
5、供电系统主要实现对近端所有有源模块的正常工作提供稳定的电压。

远端机框图：

图2、 远端机原理框图
远端单元主要由光传输单元、数字中频单元、射频单元、监控单元、供电系统等部分组成。
其中除了射频单元以外，其它光传输单元、数字中频单元、监控单元、供电系统与近端单元的工作原理相似。在射频单元中除了变频单元、双工器、滤波器之外还增加了下行高功率放大器（HPA）和上行低噪声放大器（LNA）。高功率放大器是将变频单元变为的WCDMA下行射频信号进行放大实现对覆盖区的大范围覆盖。低噪声放大器是实现对终端发射过来的上行WCDMA信号进行低噪声放大，提高系统的接收灵敏度。

数字中频单元是最重要的部分，它包括ADC、DAC、FPGA、CLOCK和供电电路。

第三章 AD单元电路

AD6655是一款用于数字通信的高性能AD芯片。
主要特性：信噪比74.5dbc，37.2MHz带宽、70MHz@150MSPS。
无杂散动态范围（SFDR）：80dbc，70MHz@150MSPS
1.8v模拟电源供电
1至8输入时钟整数分频器
集成双通道ADC ： 采样速率高达150MSPS
中频采样速率达450MHz
ADC内部基准电压源
集成ADC采样保持输入
灵活的模拟输入范围：1vpp至2vpp
95db通道隔离/串扰
集成宽带数字下变频器（DDC）
32位复数数控振荡器（NCO）
半带抽取滤波器与FIR滤波器
支持实数和复数输出模式


图3、 ADC单元电路框图
AD6655外部硬件电路：
（1） 供电：1、21引脚为数字输出驱动电源输入引脚，需要3.3v数字电源，引脚附近加一0.1uF退耦电容。24、57脚为内部数字电路供电引脚，需要1.8v数字电源，引脚附近加一0.1uF退耦电容。36、45和46为内部模拟电路供电引脚，需要1.8v模拟电源，引脚附近加一0.1uF退耦电容。Pad为裸露焊盘，必须与地相连芯片才能正常工作。
（2） CLK: AD6655时钟输入结构非常灵活，COMS、LVDS、LVPECL或正弦信号都可以作为输入时钟。我们采用的输入时钟为LVPECL电平，从时钟电路单元引入。CLK+和CLK-引脚有内部偏置，不需要外部偏置。
（3） Data: AD6655有14对差分数据输出线，输出为LVDS电平，模拟信号转换为数字信号后送到FPGA，进行处理。为了抑制浪涌电流，一般在数据线上串联22~33欧姆的排阻。采用总线的方式进行端口连接，简便明了。
（4） 信号输入采用分集接收，两个ADC以相同方式处理两个来自独立天线的信号，可以有效的抗多路径衰落。
输入端串联一个小电阻，可以降低驱动源输出级所需要的瞬时峰值电流，选用33欧姆。在两个输入端之间配置一个并联电容，可以提供动态充电电流。
射频连接端信号输入后经过差分双巴伦耦合把单端信号转换成差分信号，同时满足更高的SNR要求，将CML引脚连接到变压器次级线圈的中心抽头出，用来实现模拟输入偏置。
C242和C243为并联电容，R385和R384为并联电阻，C242和R384组成RC网络，C243与R385组成RC网络。并联电容值C均取决于输入频率和源阻抗，我们需要尽可能的降低电容量或去掉并联电容。
下表给出参考值：

表一、电阻电容取值参考表
需要注意的是，这些只能作为初始参考值，最终取值需要取决于参考信号。
（5）SPI控制：48串行数据/时钟选择引脚，47串行数据输入/输出引脚，51为SPI片选引脚，低电平有效。这三条控制线连接到FPGA的BANK3。
（6）其他：42为外部偏置引脚，加一个10K的偏置电阻。
第四章 DA单元电路
为了实现高精度，高性能，低噪声，低功耗等较高的硬件要求，我们选择使用ADI的AD9779数模转换器。AD9779是一款双通道、16Bit、高动态范围的数模转换器，提供1GPSP的采样速率，可以产生最高达奈奎斯特频率的多载波。AD9779具有针对直接变频传输应用进行优化的特性，包括复数数字调制以及增益与失调的补偿。
AD9779特性：
低功耗（全部工作条件下）:1w（1GPSP）:600mW（500MPSP）
单载波W-CDMA ACLR=80dbc@80MHz
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