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CDMA2000基站系統(tǒng)中基帶分配卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
摘要：SVRN3G/BTS樣機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和IS2000協(xié)議，介紹了CDMA2000基站系統(tǒng)中基帶分配卡（亦稱BDC卡）的設(shè)計(jì)方案及其具體的硬件實(shí)現(xiàn)方法。基帶分配卡的實(shí)現(xiàn)，可大大簡(jiǎn)化基站中基帶部分的算是功能，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加模塊化，更易于升級(jí)和擴(kuò)充。關(guān)鍵詞：基站 碼分多址 基帶分配卡 擴(kuò)頻 成型濾波
CDMA是近年來(lái)用于數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信的一種先進(jìn)的無(wú)線擴(kuò)頻通信技術(shù)，它能滿足近年來(lái)高容量、廉價(jià)、高效的移動(dòng)通信的需要。CDMA2000是北美基于IS-95系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)的第三代無(wú)線通信系統(tǒng)，使用寬帶CDMA技術(shù)以適用IMT-2000的需求。CDMA2000具有較好的后向兼容性，提供了從第二代IS-95系統(tǒng)向3G的平滑過(guò)渡，業(yè)務(wù)供應(yīng)商可以在有附加容量和高級(jí)業(yè)務(wù)需求的區(qū)域內(nèi)有選擇性地建立CDMA2000網(wǎng)絡(luò)。
本文是根據(jù)第三代移動(dòng)通信的基站收發(fā)信機(jī)即3G/BTS（Base-station Transceiver System）樣機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和IS2000協(xié)議對(duì)基帶分配卡提出的一種設(shè)計(jì)方案�；鶐Х峙淇ㄒ喾QBDC卡（Baseband Distribution Combiner），處于射頻部分的寬帶收發(fā)信卡（BBX）和基帶部分的多信道處理卡（MCC）之間，它的實(shí)現(xiàn)可大大簡(jiǎn)化基帶部分的處理功能，并使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加模塊化，更易于升級(jí)和擴(kuò)充。
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1 BDC卡的功能介紹
DBC卡（即其帶分配卡）由反向處理模塊、前向處理模塊以及其它輔助模塊組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
BDC卡處理三個(gè)扇區(qū)（分別為a、b、c）的信號(hào)，每個(gè)扇區(qū)信號(hào)通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的天線實(shí)現(xiàn)空間分集接收，送入反向處理模塊，同時(shí)，將來(lái)自前向處理模塊的信號(hào)送入各扇區(qū)的射頻及其前端處理。它的主要功能是：
（1）完成后向鏈路的A/D變換和前向鏈路的D/A變換；
（2）前向鏈路各MCC卡的信道單元合并、PN短碼擴(kuò)頻、基帶成型濾波；
（3）反向鏈路三個(gè)扇區(qū)接收的基帶信號(hào)的分配；
（4）各扇區(qū)導(dǎo)頻信道產(chǎn)生、16倍1.2288Mb/s時(shí)鐘信號(hào)分配以及2s同步信號(hào)分配。
2 BDC卡的設(shè)計(jì)方案
2.1 反向處理模塊
BDC的反向處理模塊主要完成A/D轉(zhuǎn)換、低通數(shù)字濾波、三扇區(qū)6個(gè)接收天線的信號(hào)分配。
由于受到射頻前端模擬濾波器性能的限制，A/D模塊輸出須6bit以上，才可滿足前端動(dòng)態(tài)范圍的要求。而MCC卡對(duì)反向信道處理單元的要求是I、Q兩路輸入信號(hào)為4bit，因而對(duì)A/D輸出需要進(jìn)行低通濾波，同時(shí)將8bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為4bit。轉(zhuǎn)換如圖2所示。
濾波器指標(biāo)：
通帶截止頻率fp=590kHz，阻帶截止頻率fs=740kHz，阻帶衰減10dB～15dB，輸入為8bit數(shù)據(jù)，輸出為4bit數(shù)據(jù)。
2.2 前向處理模塊
根據(jù)3G/BTS樣機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，為盡量簡(jiǎn)化多信道處理卡（即MCC卡）的前向處理模塊，前向信道處理采用Motorola2450基站的處理辦法：將前向成型濾波、短碼擴(kuò)頻放到BDC單元。于是BDC的前向處理模塊主要實(shí)現(xiàn)多個(gè)MCC卡信道單元的復(fù)接與合并、各扇區(qū)導(dǎo)頻信道產(chǎn)生、I、Q正交擴(kuò)頻、前向基帶成型濾波、D/A轉(zhuǎn)換。
來(lái)自MCC卡的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)幅度調(diào)整，寬度為12bit。在BDC的前向處理模塊中，將一個(gè)MCC卡4組數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，得到一組寬度為14bit的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行I、Q正交擴(kuò)頻，最后完成基帶成型濾波。前向處理模塊如圖3所示。
合并模塊是BDC與MCC的數(shù)據(jù)接口。從每個(gè)MCC卡送來(lái)的數(shù)據(jù)是12位的串行數(shù)據(jù)。傳送數(shù)據(jù)的工作時(shí)鐘都是在16X（X=1.2288Mb/s）系統(tǒng)時(shí)鐘下工作。首先輸出最低有效位進(jìn)行串行相加，并把相加后的進(jìn)位與下次送來(lái)數(shù)據(jù)相加，同時(shí)，送入奇偶校驗(yàn)作驗(yàn)和，檢查奇偶校驗(yàn)是否正確。如果正確，把串行相加的結(jié)果送入串行轉(zhuǎn)換；如果錯(cuò)誤，則清除此次MCC卡送來(lái)的數(shù)據(jù)，并通過(guò)總線接口向GLI報(bào)告故障。
當(dāng)所有前向CDMA信號(hào)合并后，串行相加模塊輸出的串行信號(hào)要進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換把串行數(shù)據(jù)變成并行數(shù)據(jù)然后從邏輯結(jié)構(gòu)上移N位，加入導(dǎo)頻信道，最后輸出進(jìn)行I和Q擴(kuò)頻。其中，導(dǎo)頻信道采用全'0'導(dǎo)頻信道，I和Q擴(kuò)頻也稱四相擴(kuò)頻。擴(kuò)頻序列的長(zhǎng)度為2 15（即32768個(gè)PN比特片的長(zhǎng)度）。在前向信道，每個(gè)基站使用不同偏置的序列，而反向信道調(diào)制時(shí)都使用零偏置的序列，這個(gè)序列稱為導(dǎo)頻PN序列。
在擴(kuò)頻操作后，將I和Q脈沖加至基帶濾波器的輸入端�；鶐V波器的頻率響應(yīng)滿足規(guī)定的性能要求。基帶濾波器的歸一化頻率響應(yīng)在通帶0≤f≤fp內(nèi)，應(yīng)限定在±δ1內(nèi)，阻帶f≥fs，應(yīng)小于或等于δ2。各參數(shù)的數(shù)值為δ1=1.5dB，δ2=40dB，fp=590kHz，fs=740kHz。
最后，經(jīng)過(guò)濾波的信號(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，送入BBX。
2.3 輔助模塊
該模塊主要包括時(shí)鐘產(chǎn)生與分配、同步信號(hào)分配、差分驅(qū)動(dòng)與電平轉(zhuǎn)換。
BDC為MCC卡提供所需的時(shí)鐘信號(hào)，同時(shí)也為BBX提供A/D和D/A所需要的時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘產(chǎn)生模塊的輸入為16X（X=1.2288Mb/s），輸出為16X、8X、4X、2X和1X信號(hào)，分別送往MCC卡和BBX。
同步信號(hào)分配將CSM板送來(lái)的2s同步信號(hào)分發(fā)給各MCC卡和BBX。
BDC根據(jù)需要對(duì)相關(guān)信號(hào)提供差分驅(qū)動(dòng)以及電平轉(zhuǎn)換。
2.4 BDC備份
設(shè)計(jì)時(shí)，BDC卡考慮備份，主、備兩個(gè)BDC通過(guò)三態(tài)門插入背板總線，同一時(shí)刻只有一個(gè)BDC卡在工作，三態(tài)門的控制由AMR根據(jù)報(bào)警情況來(lái)設(shè)置完成。當(dāng)工作中的BDC卡出現(xiàn)故障時(shí)，將立即報(bào)警，然后AMR通過(guò)報(bào)警情況，馬上改變?nèi)龖B(tài)門的設(shè)置，啟用另一個(gè)BDC卡。這種關(guān)鍵部件采用備份設(shè)計(jì)的思想，可大大提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。
3 BDC卡的硬件實(shí)現(xiàn)
根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，選擇APEX20K100、AD9058、AD9765和AD9632作為該基帶分配卡的主要部件。其單個(gè)扇區(qū)的硬件框圖如圖4所示。
圖4中，APEX20K100是Altera公司推出的一種可編程邏輯器件，它具有規(guī)模大、時(shí)間可預(yù)測(cè)性好等優(yōu)點(diǎn)。AD9058是ADI公司推出的一種雙通道、高性能8bit模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。采樣時(shí)鐘頻率可達(dá)50MSPS，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)參考電壓，能驅(qū)動(dòng)兩片ADC。AD9765是一種雙端口、高速率、雙通道、12bit的CMOS數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。它在很小的48路LQFP包中集成了2個(gè)高性能的12bit TxDAC和磁心，1個(gè)電壓參考和數(shù)字接口電路，4個(gè)擴(kuò)展引腳。更兩路數(shù)據(jù)。AD9632是一個(gè)高速率寬帶放大器，它利用電其特有的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)結(jié)合了電流反饋和電壓反饋的最佳優(yōu)點(diǎn)，展示了異�？焖贉�(zhǔn)確的脈沖響應(yīng)。
3.1 APEX20K100加載方式設(shè)計(jì)
APEX20K100在運(yùn)行期間，將加載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到靜態(tài)存儲(chǔ)器（SRAM）單元中。因?yàn)镾RAM是易失性的，所以每次上電時(shí)，SRAM單元必須裝入加載數(shù)據(jù)。當(dāng)APEX20K100加載好后，其寄存器和I/O引腳都必須初始化，然后設(shè)備才進(jìn)入系統(tǒng)動(dòng)作的用戶模式�？紤]到上述特點(diǎn)，APEX20K100采用EPC2/PS聯(lián)合加載方式加載數(shù)據(jù)，每次只要一上電，EPC2就自動(dòng)將數(shù)據(jù)加載到APEX20K100。圖5為EPC2/PS聯(lián)合加載方式的電路圖。
圖5中，（4）為一串行同步數(shù)據(jù)微處理器接口和MasterBlaster通信電纜，通過(guò)它將微處理器中的數(shù)據(jù)加載到EPC2設(shè)備，然后通過(guò)EPC2的DATA引腳串行輸出給APEX20K100。其中：
·MSEL1和MSEL0是APEX20K加載方式設(shè)置引腳，兩個(gè)全為'0'，則為EPC2/PS加載方式；
·DCLK是APEX20K的時(shí)鐘輸入引腳，每輸入一個(gè)時(shí)鐘，就串行輸入一位數(shù)據(jù)；
·nCONFIG是加載控制輸入引腳，低電平時(shí)目標(biāo)設(shè)備復(fù)位，低電平到高電平的轉(zhuǎn)換過(guò)程中開(kāi)始對(duì)設(shè)備進(jìn)行加載數(shù)據(jù)；
·Vcc與加載設(shè)備的供電電壓相同，即3.3V；
·VIO是MaterBlaster輸出驅(qū)動(dòng)器的參考電壓。
3.2 信號(hào)流程
反向處理模塊：BDC接收來(lái)自BBX的模擬信號(hào)，一個(gè)扇區(qū)兩副天線以差分形式進(jìn)入，共8路信號(hào)。它們通過(guò)AD9632進(jìn)行差分
合并、前置放大后，送入AD9058進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，變成8倍頻速率的數(shù)字基帶信號(hào)，其中I、Q兩路分別編8位碼，2個(gè)天線共輸出2×16=32位數(shù)據(jù)；再通過(guò)74F374鎖存器鎖存，利用統(tǒng)一的信號(hào)時(shí)鐘控制，將信號(hào)送入APEX20K100進(jìn)行數(shù)字濾波，將8bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成4bit，再通過(guò)APEX20K100的內(nèi)部時(shí)鐘控制，利用8路數(shù)據(jù)劃分時(shí)輸出16位數(shù)據(jù)，最終送給MCC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
前向處理模塊：每個(gè)MCC送給BDC卡3路串行數(shù)據(jù)，每路12bit，分別到三個(gè)扇區(qū)，則每個(gè)扇區(qū)分到一路12bit串行數(shù)據(jù)。而整個(gè)系統(tǒng)總共有10塊MCC，共30路信號(hào)，因此BDC的每個(gè)扇區(qū)都有10路串行數(shù)據(jù)輸入。MCC將這10路信號(hào)送到MPEX20K100，完成串并轉(zhuǎn)換、正交擴(kuò)頻、成型濾波等功能后輸出28位并行數(shù)據(jù)，分I、Q兩路，每路14位，到AD9765進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。最后，將AD9765的I、Q兩路模擬輸出信號(hào)送至BBX進(jìn)行射頻前端處理并發(fā)射。
輔助模塊主要由AD580、AD708產(chǎn)生AD9058的兩個(gè)外部參考電壓+VREF、-VREF以及2.5V、3.3V的供電電壓。同時(shí)由MCC送來(lái)的16X（X=1.2288Mb/s）時(shí)鐘信號(hào)，通過(guò)APEX20K100產(chǎn)生16X、8X、4X、2X、1X時(shí)鐘，供給BBX和MCC。
通過(guò)測(cè)試和軟硬件聯(lián)調(diào)，該BDC卡能為BBX和MCC提供正確的數(shù)據(jù)信號(hào)，并且在整個(gè)CDMA2000基站樣機(jī)的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)中，BDC卡能正常完成其功能，性能良好，采用熱備份，在實(shí)際工作中比較穩(wěn)定可靠。
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