0 引言

    LTE230是一種基于TD-LTE先進技術、結合電力行業業務定制開發的專用無線通信系統，該系統部署在223-235 MHz頻段（簡稱230頻段）上。230頻段資源呈無規則、梳狀結構，頻點分布離散，單頻點帶寬很窄、傳輸能力有限，在電力應用中為了進行高速率數據傳輸，須聚合幾十個頻點來解決頻帶資源受限的問題^[1]。現有LTE-Advanced系統的載波聚合處理方法是針對大帶寬、高速率的公網頻段設計的，在頻點數、頻點帶寬、鄰頻抑制等方面差異較大，無法直接應用到230頻段；文獻[2]借鑒LTE-Advanced提出的230頻段中頻接收機采用3路獨立的混頻、中頻帶通濾波和模數轉換，本質上是一種模擬實現方式，硬件結構復雜，可靠性有待提高，并不適用于LTE230終端通信模塊中。針對230頻段載波聚合的中頻信號處理，本文以接收機為例，專門設計了一種低成本、高可靠性、高性能的數字中頻接收機。

1 230頻段頻譜特點及LTE230幀結構

    230頻段是國家無委會規定作為遙測、遙控和數據傳輸使用的頻段，目前主要被能源、軍隊、水利、地礦等行業使用。230頻段總帶寬為12 MHz，劃分為480個頻點，每個頻點為25 kHz，其中有40個頻點可用于電力負荷監控系統，如圖1，40個頻點分為3個簇，中間10個為單工頻點，兩邊各有15對雙工頻點^[2]。 

    LTE230在網絡結構、空口技術等方面和TD-LTE基本相同，但工作頻段及系統可配帶寬較為特殊，導致物理層幀結構有較大差異。如圖2，LTE230每個頻點的一個無線幀均包含5個時長為5 ms的子幀，每個子幀包括9個OFDM符號，OFDM符號采用64點FFT，子載波間隔為2 kHz，有效子載波數10個。

2 接收機總體設計

2.1 接收機設計原理

    230頻段頻點雖離散，但在連續的12 MHz帶寬內，和LTE-Advanced相比總帶寬要小很多，可采用單頻段非連續載波聚合方式，通過一個射頻單元，將230頻段12 MHz帶寬內信號作為一個整體搬到零頻，經模數轉換后，在數字域進行中頻接收處理，將分散在12 MHz帶寬內獨立的帶寬為25 kHz的高速中頻信號轉換為低速基帶信號，以便后續信號處理。

2.2 接收機總體結構

    如圖3，接收機主要由射頻芯片和基帶芯片組成，射頻芯片采用AD9361，內嵌模數/數模轉換器，工作在單端口TDD模式，可分時進行收發。射頻芯片和基帶芯片之間采用基于JESD207的12 bit并行數字雙沿接口，接收時由射頻芯片產生12.8 MHz時鐘，I路數據在時鐘上升沿傳送，Q路在下降沿傳送。射頻接口的主要功能是產生接收控制信號并把射頻芯片數字接口的DDR I/Q數據轉化為并行I/Q數據，同時完成從射頻接口12.8 MHz時鐘域到中頻接收鏈路51.2 MHz時鐘域的轉換。中頻接收鏈路負責把所需頻點基帶信號從中頻信號中抽取出來經接收DMA送到系統存儲器，并通過中斷通知基帶處理SoC中的DSP進行后續的FFT運算、解調、解碼等處理。

2.3 中頻接收鏈路設計指標

    中頻接收鏈路通過數字下變頻和抽取濾波來實現信號從中頻到基帶的變換，在上述變換過程中，須盡量保證帶內信號的時頻域特性不變并最大限度抑制帶外噪聲。中頻接收鏈路是接收機性能的關鍵部件，根據LTE230規范，經系統分析提取出如表1的設計指標要求。

2.4 中頻接收鏈路結構 

    如圖4，中頻接收機數據鏈路采用兩級數字下變頻、下采樣、濾波結構，從射頻接收到的數據中抽取出所需的每個頻點數據。

    針對230頻段電力40個授權頻點分為3個簇的頻譜分配情況，一級下變頻采用3路獨立的數控振蕩器NCO1(Numerically Controlled Oscillator)將每個簇作為一個整體搬移到零頻。NCO1后緊跟一個半帶濾波器HBF（Half Band Filter）進行2倍抽取（12.8～6.4 MS/s）及高頻分量的濾波。

    二級下變頻采用40路獨立的數控振蕩器NCO2將所需的頻點信號從3個簇中搬移到零頻，實現對所需頻點信號的提取。NCO2輸出的頻點數據通過級聯積分梳狀濾波器CIC(Cascaded Integrator Comb)進行50倍的抽取濾波（6.4～128 KS/s）。CIC后級聯一個高階低通濾波器LPF(Low Pass Filter)來實現對每個頻點帶外信號的抑制。

3 中頻接收鏈路模塊設計

3.1 模塊設計方法

    中頻接收鏈路濾波器采用MATLAB的fdatool進行設計和分析，根據鏈路指標進行分解，確定各個濾波器的階數、系數和位寬。在相應數字電路RTL設計時，考慮到LTE230專網還處在不斷發展過程中，以及不同應用場景對帶寬需求的差異，在留有一定性能余量的同時，在頻點數、NCO載波頻率、HBF和LPF階數及系數等方面都可通過軟件靈活配置。

3.2 數控振蕩器NCO

    在LTE230中，接收的中頻信號有I/Q兩路，其下變頻原理如式(1)，可通過相位累加后經NCO產生正余弦本振信號與接收信號復數相乘實現下變頻。

    NCO1和NCO2工作頻點可配，精度皆為25 kHz(Δf)，實現結構相同。NCO1對應的采樣率為12.8 MS/s(F_s)，相位累加字位寬為9 bit(2^N=F_s/Δf)；NCO2的采樣率為6.4 MS/s，相位累加字位寬為8 bit。NCO1和NCO2正余弦載波采用查找表的方式實現，查找表只需保存π/4角度內的正余弦值，其他的可通過正余弦變換或符號變換查表得到，NCO1和NCO2對應的查找表正余弦值分別為64個和32個，位寬為16 bit。下變頻中復數相乘需要4次乘法運算，因NCO1和NCO2工作時鐘頻率是采樣率的4倍和8倍，采用時分復用方式，只各需一個乘法器。

3.3 半帶濾波器HBF

    HBF是一種特殊的FIR濾波器，其通帶和阻帶相對于1/2的Nyquist頻率對稱且寬度相等，HBF沖激響應為：

    從式(2)可以看出，HBF沖激響應除了在h(0)零點處為1外，在其他偶數點的取值均為零，和普通的2倍抽取FIR相比，不但系數對稱且有近一半為零，可減少一半濾波運算量。

    HBF默認通帶帶寬為2 MHz，最大可配階數為25階，阻帶抑制為78 dB，系數量化為16位，系數關于中心抽頭（1/2）對稱，有效系數僅有6個，只需進行6次乘法運算，HBF工作時鐘頻率為輸出采樣率的8倍，采用時分復用的方式，I/Q兩路各一個乘法器即可實現。

3.4 級聯積分梳狀濾波器CIC

    CIC是一種有效的插值和抽取濾波器，廣泛應用于多速率數字信號處理中。單級CIC的第一旁瓣抑制為13.46 dB，阻帶衰減極不理想^[3]，實際應用中，常采用級聯的方式，但級聯一般不超過5級，否則通帶內失真將會增大。在LTE230中，采用4級CIC，抽取因子為50（N=4，R=50），具體結構如圖5，從圖中可以看出，CIC結構非常簡單，由積分器和梳狀濾波器組成，兩者對應的采樣率分別為6.4 MS/s和128 KS/s，實現時可用加法器、減法器和延遲寄存器（DFF）來實現，沒有乘法操作，面積小且可達到很高的處理速度。

    通帶衰減是CIC的主要弊端之一，通常在時域加補償濾波器進行通帶補償^[4]。考慮到230頻段頻點有效帶寬很窄且OFDM系統對通帶平坦度不是十分敏感，在LTE230中通過對參考信號的信道估計在頻域進行插值補償。

3.5 低通濾波器LPF

    LPF是抽取濾波的最后一級，在保證通帶平坦度的同時，盡量降低CIC的旁瓣幅度并加快阻帶衰減。同時為了實現LTE230與傳統230頻段數傳電臺的共存，根據數傳電臺規范^[5]要求，帶外抑制須達65 dB。

    在設計時，LPF最大可配階數為255階，默認通帶帶寬10.8 kHz，阻帶帶寬12.5 kHz，紋波系數0.02 dB，阻帶抑制65 dB。LPF系數量化為18位，系數對稱且可配，255階LPF I/Q數據各需128次乘法運算，考慮到LPF工作時鐘頻率為采樣率的400倍，可采用I/Q數據及計算資源的時分復用結構，僅需一個乘法器和少量加法器就可實現，大大節約電路資源。

4 仿真及FPGA驗證

4.1 仿真驗證

    LTE230基帶處理非常復雜，為簡化仿真驗證，采用不同頻率正余弦波代替LTE230中頻信號。40個頻點的處理過程相同，只仿真其中一個。MATLAB仿真參數設定如下：

    NCO1本振頻率為2 MHz(80×25 kHz)，NCO2本振頻率為125 kHz（5×25 kHz），對應230頻段231.125 MHz(射頻中心頻率229)。中頻輸入4個復信號(cos(2πft)+jsin(2πft))，頻率f分別為2.111 MHz、2.121 MHz、2.127 MHz和2.137 MHz。經計算可知，NCO1和HBF后有4個頻率：0.111 MHz、0.121 MHz、0.127 MHz和0.137 MHz，NCO2和CIC后有4個頻率：-14 kHz、-4 kHz、2 kHz和12 kHz，因LPF通帶為10.8 kHz，阻帶為12.5 kHz，經LPF后，-4 kHz、2 kHz信號不變，-14 kHz信號被濾掉，12 kHz的信號被衰減。圖6是CIC和LPF仿真輸出的信號功率譜密度，從圖中可看出，仿真結果與計算值一致，NCO1、HBF和NCO2的仿真結果也與理論值吻合，由于篇幅原因未一一列出，整體的仿真結果表明本文提出的數字中頻接收機的實現方法是可行的。

    MATLAB仿真通過后把各節點輸入輸出導入RTL驗證平臺進行仿真， RTL代碼和定點算法精確匹配，通過數據比對來保障其正確性。

4.2 FPGA驗證

    受FPGA器件速度的限制，基帶處理SoC不能全速運行，無法進行完整的LTE230系統測試，主要進行單音信號和LTE230駐留過程的測試。單音測試和仿真類似，由信號發生儀產生單音信號經射頻下變頻后送到中頻進行處理，處理結果導入MATLAB進行波形與頻譜分析。LTE230駐留過程是終端開機后與基站建立連接的必要過程，包括小區搜索和廣播信息接收等步驟。由于230頻段單頻點有效子載波數僅10個，駐留過程所用的主同步信號、輔同步信號及廣播信道須占用多個OFDM符號中所有的有效子載波，故這是一個很典型的中頻接收性能測試場景，實測表明駐留過程的靈敏度高達-124 dBm，完全滿足系統需求。

5 結論

    本文針對230頻段特點及LTE230系統需求，設計了一種全數字中頻接收機，采用兩級數字下變頻及高階數字濾波器，通過時分復用的方式，以較小的電路面積有效地解決了230頻段頻點多、分布離散、鄰頻抑制要求高等問題，實現了對230頻段40個頻點的聚合，可滿足高速率電力應用數據傳輸要求。數字中頻接收機經MATLAB算法設計與仿真、RTL仿真和FPGA驗證后已成功應用到LTE230無線通信基帶芯片[1]中，目前基于芯片的通信模塊已在試點項目中穩定運行兩年多，各項功能性能指標良好，完全滿足實際應用需求，充分表明數字中頻接收機的設計是成功的。

參考文獻

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[3] 劉彬彬，林偉.基于Matlab和FPGA的CIC濾波器的設計[J].電子器件，2012(2)：231-234.

[4] 周云，馮全源.數字下變頻中抽取濾波器的設計及FPGA實現[J].電子技術應用，2015，41（12）：45-47，50.

[5] GB/T16611-1996.數傳電臺通用規范[S].1996.

作者信息：

周春良1，2，周芝梅1，2，王連成1，2，馮  曦1，2，劉  亮1，2，唐曉柯1，2

（1.北京智芯微電子科技有限公司，國家電網公司重點實驗室 電力芯片設計分析實驗室，北京100192；

2.北京智芯微電子科技有限公司，北京市電力高可靠性集成電路設計工程技術研究中心，北京100192）