基于GC5016的数字直放站设计
GC5016的宽／窄带数字下变频系统设计
１ Ｇ０ ５ ０ １ ６及 其 结构
ＧＣ５ ０ １ ６是 ＴＩ 公 司推 出 的 宽 带 ４通 道 的 可 编 程 数 字
用越来越 多 ， 同时窄带 数据通 信也仍 然广泛存 在。同时对
宽带 和 窄 带 数 据 进 行 处 理 是 目前 无 线 通 信 遇 到 的 问 题 。 由于 数 字 接 收 机 系统 中 ， 宽 带 和窄 带 ｎ ｄ ｎ ａ ｒ ｒ ｏ ｗｂ ａ ｎ ｄ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ．Ｔｈ ｅ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｕ ｓ ｅ ｓ ＦＰ ＧＡ ｆ ｏ ｒ ｗｉ ｄ ｅ ｂ ａ ｎ ｄ ａ ｎ ｄ ｎ ａ ｒ ｒ ｏ ｗｂ ａ ｎ ｄ ｄ ａ ｔ ａ ｒ ｅ ｃ ｅ ｐ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ｏ ｒ ａ ｇ ｅ
中 图 分 类 号 ：ＴＰ ３ ３ ７ 文 献 标 识 码 ：Ａ
Ｗｉ ｄ ｅ ｂ ａ ｎ ｄ ／ Ｎ ａ ｒ ｒ ｏ ｗｂ ａ ｎ ｄ Ｄｉ ｇ ｉ ｔ ａ ｌ Ｓｉ ｇ ｎ ａ ｌ Ｄ ｏ ｗｎ Ｃｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｔ ｅ ｒ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ Ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｇ Ｏ ５ ０ １ ６
Ｋ ｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：ＧＣ５ ０ １ ６ ； ｄ ｉ ｇ ｉ ｔ ａ ｌ ｄ ｏ ｗｎ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｔ ｅ ｒ ；ｗｉ ｄ ｅ ｂ ａ ｎ ｄ ａ ｎ ｄ ｎ ａ ｒ ｒ ｏ ｗｂ ａ ｎ ｄ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ ｓ
引 言
随着 电 子 技术 和 信 号处 理 技术 的 发展 ， 宽 带数 据 的 应
ｂａ ｎ ｄ ｓ ｉ ｇ ｎａ ｌ ｓ ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ＦＰＧＡ ｉ ｓ ｄｉ ｆ ｆ ｉ ｃ ｕ ｌ ｔ ｔ ｏ ａ ｃ ｈｉ ｅ ｖ ｅ ． Ｔｈｉ ｓ ｐａ ｐ ｅ ｒ ｕｓ ｅ ｓ ａ ｄｅ ｄ ｉ ｃ ａ ｔ ｅ ｄ ｄ ｉ ｇｉ ｔ ａ ｌ ｄ ｏｗｎ ｃ ｏ ｎｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏｎ ｃ ｈｉ ｐ ＧＣ５ ０１ ５ ａ ｎｄ ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ｅ ｓ ｂ ｏｔ ｈ
基于GC5016的数字直放站设计
ＡＤＳ ５ ３ ５ ５ 的分 辨率 为 １ ｂｔ ４ ｉ，采 样 速率变 为 ７ ６ Ｍｓ ｓ ．８ ／ ，然后 再进行上 变
接收 移动 台（ 常 是手机 或车 载 电话） 率 为 ６ ＭＳ ｓ ０ 通 ， ５ ／ ，７ ＭＨｚ ｆ 时 的信号 杂 频处理 ， Ｉ Ｎ 输出速率 为６ ．４ ／ 的 中频 １４ ＭＳ ｓ 经过 与下行链 路类似 的处理后 ，通过天 波 ￣ （ＮＲ） ７ ｄ Ｆ ， Ｆ ｋＳ 为 ４ Ｂ ｓ Ｓ ＤＲ为 ８ ｄ ｃ 数 字信号 。 ４Ｂ 。 ＤＡＣ ６ ７ ５ ８ 接收 ＧＣ ０ ６ 出 ５１输
具 ６ ５阶 Ｉ 定 比较现实 的过 渡方案 ， 出了 “ＭＴ一 率 或者 增加输 入信号 的带宽 ，或 者 同时 理能 力 ， 有 １ 个 能达到 ２ ５ 的 Ｆ Ｒ 提 Ｉ
４个并行输 入 ／输 出位 ，提供 ２ ０ 家 族”的概念 。它放 弃 了在空 中接 实现两 个 目标 。每个通 道包含一 个用 户 滤波 器 ，６ ００
的移 动通信 的直 放站 中存在着 多频 、多
Ｃ ０６ 在 下变频 转换模式 ，信道接 收的还 个 Ｇ ５ １ 芯 片输 出信 号的融 合 。
模 、多体 制和多标 准等 问题 ，为软件 无 是 实数 据或者 复数据 ，并解调 到选定 的
～４ ９ 线 电技术在直放 站中的应 用提 出了切 实 载频上 ，再 用可 编程的 数值 １ ０ ６进 模拟 直放 站简介 的需 求 。为 了提 高 ３ Ｇ直放 站的性价 比 ， 行抽 取 ，然后 进 行 自动增 益控 制放 大 ， 目前成熟 的采用模拟 方式处理 的直
／ ＰＩ ， Ｉ、网络 技术等方面 一致性 的努 力 ， Ｚ ｌ 而 可编程 输入滤 波器（ Ｆ Ｒ） 这 个滤波 器 灵活 的 Ｉ Ｏ选 项 。 致 力 于 制定 网络 接 Ｉ 的标 准 和 互 通 方 可以用作 发射数据 的整形滤 波器或用 以 Ｚ ｌ 上 变频通道 模式与下变频 模式的性
基于GC5016的WiMAX系统数字中频设计与实现
1 中频模块的设计方案
帧闸门信号用来指示另外的抽样输入需要的用户逻辑。
2）GAIN。设定合适的增益变量，防止 CIC 和 PFIR
滤波器过载及调整增益满足全局对增益的要求。
3）PFIR。提供第一级内插，典型的 PFIR 内插系数
为 3，4 或者 5。PFIR 的阶数取决于数据流量和可用的计
算 FIR 阶数的时钟数，内插取值范围为 1～16。
4 测试及分析
本系统数字中频方案采用 TI 公司芯片 GC5016 作为 数字上下变频器，DAC5662 和 ADS5232 作为中频与射频 之 间 的 数 模 转 换 器 ，芯 片 ADS5232 的 时 钟 频 率 fck = 60 MHz，并且输入输出数据宽度都为12 bit，数据格式为二 进制补码。在实际硬件测试中，先将 GC5016，D/A 及 A/D 要求设置的参数通过单片机 ARM7 写入，然后进行数字中 频的相关测试。在中频硬件平台上的测试主要有：
XIA Baoping, LIN Yun （Chongqing University of Posts and Communications, Chongqing 400065, China）
【Abstract】 In WiMAX system, the physical layer of digital intermediate frequency, which core is GC5016 of TI company is proposed. The internal structure in GC5016 chip is introduced in this paper, and the signal processing of the chip is also analyzed. According to relevant agreements of 802.16e and taking the digital up converter as an example to configure internal parameters of the chip. The magnitude and frequency characteristic of FIR and CIC are simulated by using Matlab. The function of the digital intermediate frequency is verified by testing on intermediate frequency hardware. The testing results show that GC5016 as the digital up and down converter in the WiMAX system can meet the relevant performance requirement. 【Key words】 GC5016; DUC; digital filter; digital intermediate frequency; WiMAX
武汉虹信 电信 G数字光纤直放站技术建议书
技术建议书电信4G数字光纤直放站武汉虹信通信技术有限责任公司二〇一五年十一月目录技术建议书 (2)1、直放站设备技术说明 (2)2、主要设备、元器件的生产厂家和技术指标 (20)3、操作和维护手册 (20)4、LTE-FDD数字光纤直放站的应用设计方案及注意事项 (20)附件一《数字光纤直放站操作和维护手册》 (22)技术建议书1、直放站设备技术说明1.1 设备功能特点数字射频拉远利用光纤传输信号，相对于其它类型直放站有信号稳定、通信质量好、干扰小、没有隔离度问题等优点，是高端应用的首选。
其主要特点如下。
1.完善的监控功能：可实现近端和远端一体监控，支持统一网管标准，提供短消息远程通讯方式。
2.采用软件无线电技术，将RF信号数字化，在数字域对信号进行处理，极大增强设备对信号的处理和控制能力3.采用数字光传输技术：信号不随光信号的衰减而衰减，在长距离和多路分路传输系统中保持动保持动态范围和服务质量不变，使网络设计更加灵活。
4.射频和光在传输过程中是独立的：信号传输和光传输之间没有相互影响，调试变得简单。
5.信号的分路和合路通过数字的方法实现：下行分路通过数字比特流的复制实现，上行合路通过数字和实现，数字分路合路对信号都不会有任何损耗。
6.实现信号的分集接收，改善上行信号质量，保证上下行信号更加平衡。
7.时延调整功能：消除同扇区不同远端之间重叠覆盖区域的时延色散干扰。
8.近端和远端之间具有环型、菊花链和混合组网功能。
9.采用波分复用的方式，近端设备和远端设备之间的双向信号传输共用同一根光纤，减少占用光纤资源。
10.激光器的接收灵敏度高：物理传输上可支持长达20km的光纤（注：需考虑基站系统参数优化）。
数字光器件的可靠性比模拟光器件高：减少了维护费用。
1.2 直放站设备技术指标LTE-FDD数字光纤直放站注：1.在上述干扰的情况下，直放站增益降低不得高于6dB，EVM不超过6%；2.对与信源直接耦合的直放站系统的下行链路不作要求。
基于GC5016的数字直放站设计
（ Ｒ Ｆ Ｆ ｉ ｌ ｔ ｅ ｒ ）、功率放大器驱动模块 字滤波采用专用 Ａ Ｓ Ｉ Ｃ 芯片 Ｇ Ｃ ５ ０ １ ６ 实 为 ６１．４４ＭＳ／ｓ。ＧＣ５０１６ 接收 ＡＤＣ５５５３
（Ａｍｐ）和功率放大器（ＰＡ），再通过天线 现。
输出的信号，进行下变频、滤波后信号
发射出去；上行链路是直放站通过天线
现了更高的通道密度。
Ｄ Ａ Ｃ ５ ６ ８ ７ 需要完成内插 ／ 滤波及上变
数字直放站设计
频的功能，可通过串行接口对其进行编
● 数字中频框图
系统配置
程。
随着 Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ 及数字信号处理技
基于上述数字中频硬件平台，可以
Ｇ Ｃ ５ ０ １ ６ 可以采用 Ｃ Ｍ Ｄ ５ ０ １ ６ 配置
术的发展，现在软件无线电技术已经可 通过不同的配置，以应用于不同标准的 软件程序，按要求生成一系列输出文
今日电子 · 2007 年 3 月
83
应用设计：无线通信
例），其中，下行链路是直放站通过天线
● 芯片选型
直放站，现以 Ｗ Ｃ Ｄ Ｍ Ａ 直放站为例进行
接收基站发来的信号，经过低噪声放大
基于上行 ／ 下行的对称性及成本上 详细说明。
器（ＬＮＡ）、射频滤波器（ＲＦ Ｆｉｌｔｅｒ）、混 的考虑，这里的 Ａ ／ Ｄ 和 Ｄ ／ Ａ 芯片都选
收中则是 Ｕ（ｕｎｕｓｅｄ）型。任何变量均可
图 ４ 和图 ５ 分别是 Ｗ Ｃ Ｄ Ｍ Ａ 滤波器
频率响应和滤波器频率响应过渡带宽度
和阻带衰减的关系。
图 ４ Ｗ Ｃ Ｄ Ｍ Ａ 滤波器频率响应
结语 该硬件平台已经成功应用于多种直
放站设备，都达到了相应的移动通信直 放站标准，性能稳定可靠，取得了较好 的经济效益。
微型直放站设计方案
1 2 3 4 5 6 7 8
覆盖天线选取原则：a . 覆盖区域的形状及隔离度
b. 最大覆盖距离 c. 安装条件
※隔离度
垂直有效距离(m)
隔离度(dB)
47.17 59.21 66.25 71.25 75.13 78.30 80.97 83.29
隔离度(dB)
微型直放站覆盖方案
REPEATER SYSTEM PROPOSAL
客
户 ： 广东省＊＊公司深圳分公司
站 点 名 称： 深圳市 ＊ ＊ 镇“宝石 ２０００ ＤＩＳＣＯ”及“名典咖啡物语” 站 点 地 址： 广东省深圳市 ＊ ＊镇宝石东路 设计和施工 ： 深圳市华普特科技公司技术支持部
设计： HUAPTEC 审核： YEE 编号： R20010714001-S15B
（15m）
[2.0:5.3]
（1m） +7dBm （20m） +8dBm
微型直放站覆盖设计方案
**镇“宝石 2 0 0 0 DISCO”及“名典咖啡物语”室内分布系统 天线定位 架设于四楼平台 图一
包间
包间
1
5
吧台 到 1 楼
楼梯
二 楼
吧台 大门1
“宝石 2 0 0 0 DISCO”营业厅
楼梯
大门2
微型直放站覆盖设计方案
2、室内覆盖情形的预估
距离 (m) 在室内GSM网络信号涵盖的设计中，信号功率的预算以电磁波之传输路径损耗值为参考依据。1 2 A、电磁波在自由空间中的损耗 3 LOSS=32.4+20Lg(f/GHz)+10nLg(d/m) 4 5 其中 f：频率（单位：GHz） d：路径长度（单位：米） n：常数2-4 10 取 f=0.9 GHz计算后，得右表： 15 20 30 40 50 B、各种阻隔材料的衰减值（f=900MHz，经验值） 80 100 200 水泥墙 木板或 铁门或 抗紫外 一般玻璃 材料名称 300 石膏板 电梯 线玻璃 薄 厚 400 500 15 30 10 6 20-30 20 衰减值 dB 1000 2000
基于GC5016的超声回波信号解调及动态滤波设计
ＦＧ Ｐ Ａ硬 件 乘法 器 资 源 的 占用 ．
羹
数
实蓊 Ｉ ｆ、— 后理ｌ 一数鬟 控统 鐾 ｌ —１ 处 ］ 制 示 票 ｒ 理 处号
图 ２ 超 声 诊 断 系 统 结 构 框 图
２２ 动 态滤 波 ．
大量 的研究 和 实 验表 明 ，组织 的衰 减 不仅 与被 探 测 介质 的深 度 有 关 ，还 与超 声波 的频 率有 关 ，频 率 越 高 ，介质 对 超声 波 能 量 的衰 减 就 越 大网．人 体 软 组 织 对超 声 的衰 减 与频 率 大 致成 线 性关 系．
合 的 ，但 相对 较 少 ． 数 字信 号处理 部分 主要 包含动 态滤波 、解调 （ 者包 络检 波 ） Ｇ Ｔｍ ａ ｏ— 或 、Ｔ Ｃ（ｉｅＧ ｉ Ｃ ｎ ｎ ｔ １、对数 放 大 以及一 些 平 滑 和相 关 处 理． 另外 ，在 彩超 中 ，数 字 信 号处 理 还 包括 彩 ｒ） ｏ 色 血 流计 算 、壁 滤 波等 ．
图 ｌ Ｇ ５１ Ｃ ０ ６的下 变频 模 式 结 构 框 图
２ 超 声 系统 原 理
２１ 超 声 系统 的基 本 结构 ．
超声诊断系统的简单结构框图如 图 ２ 所示．其 中的数字信号处理模块属于底层信
号 处 理 ， 目前 比较 常见 的是 采用 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ硬 件 实现 ，也 有 采用 Ｄ Ｐ或 者 Ｄ Ｐ＋Ｆ Ｇ Ｓ Ｓ Ｐ Ａ组
摘 要 ：采 用 了一 种用 数字 上／ 变 频 器 Ｇ ５ １ 现超 声 回波 信 号 的解 调 和 动 态 滤 波 处 理 下 Ｃ ０６实
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基于GC5016的数字直放站设计(图)
作者：杭州电子科技大学洪杭迪日期：2007-3-1 来源：本网
对于第三代移动通信系统，各国提出了多种不同的标准，要统一这些标准是非常困难的，IMT-2000的发展策略已经改变过去“统一”的概念，转而以各地区现有第二代系统网络为基础来制定比较现实的过渡方案，提出了“IMT-2000家族”的概念。
它放弃了在空中接口、网络技术等方面一致性的努力，而致力于制定网络接口的标准和互通方案。
而第二代移动通信系统中又有GSM和CDMA两个标准体制。
因此，在未来的移动通信的直放站中存在着多频、多模、多体制和多标准等问题，为软件无线电技术在直放站中的应用提出了切实的需求。
为了提高3G直放站的性价比，采用数字技术来统一3G直放站的硬件平台是一种较好的解决方案。
GC5016简介
GC5016是TI公司推出的宽带四通道可编程数字上变频/下变频转换器，提供160MSPS时钟、杰出的3G性能、灵活的宽带数字滤波、多个输入与输出接口选项以及超低功耗。
同时，它也可以作为普通的数字滤波器使用。
在上变频模式，信道接收实数据或者复数据，用可编程的数值1～4096进行抽取，并将其调制到选定的中心频率上。
已调信号可以是四个通道的信号之和，也可以是任选的其他GC5016芯片的已调信号相加。
信道可以成对使用以增加输出采样率或者增加输入信号的带宽，或者同时实现两个目标。
每个通道包含一个用户可编程输入滤波器(PFIR)，这个滤波器可以用作发射数据的整形滤波器或用以生成QPSK、GMSK或者QAM信号等的Nyquist滤波器。
在下变频转换模式，信道接收的还是实数据或者复数据，并解调到选定的载频上，再用可编程的数值1～4096进行抽取，然后进行自动增益控制放大，并产生20位的输出。
下变频转换模式下，信道的输出信号经过格式化后，以实数或者复数的形式加到四个输出端口，完成数字信号的下变频。
在下变频通道模式下，GC5016的4个通道的输入时钟速率可达160MS/s，而2个通道则可以达到320MS/s，4组宽带下变频通道可支持UMTS标准，具有115dB无失真动态范围(SFDR)的处理能力，具有16个能达到255阶的FIR滤波器，64个并行输入/输出位，提供灵活的I/O选项。
上变频通道模式与下变频模式的性能基本相同，输出可以是独立的，可以是一两个输出的和，也可以是任意的几个GC5016芯片输出信号的融合。
模拟直放站简介
目前成熟的采用模拟方式处理的直放站框图如图1所示(以宽带直放站为例)，其中，下行链路是直放站通过天线接收基站发来的信号，经过低噪声放大器(LNA)、射频滤波器(RF Filter)、混频器(下变频)、中频声表滤波器(IF Filter)、混频器(上变频)、射频滤波器(RF Filter)、功率放大器驱动模块(Amp)和功率放大器(PA)，再通过天线发射出去；上行链路是直放站通过天线接收移动台(通常是手机或车载电话)，经过与下行链路类似的处理后，通过天线发射给基站。
图1 模拟直放站系统框图
目前的直放站为了满足不同的体制与标准，必须更换其中的中频滤波单元(IF Filter)模块，致使不同体制标准的直放站具有不同的硬件配置，大大增加研发、生产和维护成本。
数字直放站设计
● 数字中频框图
随着A/D、D/A及数字信号处理技术的发展，现在软件无线电技术已经可以用于直放站的中频滤波单元，如图2所示。
采用图2所示的一个数字中频单元模块直接替换图1中的模拟中频滤波单元(IF Filter)模块(包括上行和下行两个模块)，就基本可以满足目前所有体制标准的直放站硬件需求。
这样，直放站的硬件平台基本达到了统一，只要采用不同的数字滤波配置代码，就可以实现不同标准的直放站功能。
其中的数字滤波功能可以采用高速DSP芯片、FPGA或专用ASIC实现。
图2 数字中频单元框图
● 芯片选型
基于上行/下行的对称性及成本上的考虑，这里的A/D和D/A芯片都选择了双通道集成的芯片。
其中，A/D选择ADS5553；D/A选择DAC5687；数字滤波采用专用ASIC芯片GC5016实现。
ADS5553的分辨率为14bit，采样率为65MS/s，70MHz fIN时的信号杂波比(SNR)为74dBFs，SFDR为84dBc。
DAC568不仅能够提供大于75dB的信噪比(SNR)，以及大于81dBc的三阶互调(IMD3)，而且还允许多载波系统在更高的输出功率下进行工作。
此外，DAC5687在速率为500MS/s时的功耗仅为700mW，提高了系统可靠性并实现了更高的通道密度。
系统配置
基于上述数字中频硬件平台，可以通过不同的配置，以应用于不同标准的直放站，现以WCDMA直放站为例进行详细说明。
设置输入模拟中频(IF)为140MHz，ADC5553的采样频率为61.44MHz。
采用通带欠采样技术，ADC5553输出速率为61.44MS/s。
GC5016接收ADC5553输出的信号，进行下变频、滤波后信号速率变为7.68MS/s，然后再进行上变频处理，输出速率为61.44MS/s的中频数字信号。
DAC5687接收GC5016输出的信号，通过内插和滤波输出140MHz 的IF模拟信号。
ADC5553不需要软件配置，只要给它稳定的61.44MHz时钟就可以了。
系统的滤波功能主要在GC5016中实现，WCDMA 对于滤波的要求如图3所示。
DAC5687需要完成内插/滤波及上变频的功能，可通过串行接口对其进行编程。
图3 单信道滤波器幅频特性
GC5016可以采用CMD5016配置软件程序，按要求生成一系列输出文件。
这里面包含配置文件、分析文件、调试文件和列表文件。
配置文件以一种格式定义所有寄存器的设置以适合GC101的估计模式。
分析文件提供用户内部到芯片的增益反馈信息，并且提供其他有用的信息给用户读取。
调试文件是给软件程序的调试者使用的，而且这个文件对其他人可能是保密的。
列表文件包含每个控制区的值。
这种格式可以使用户较容易地看出每个控制区采用的是哪种设置。
在前面已经讲到，每个通道都有两种工作模式：发射和接收。
这里采用两个通道(AB)用于发射，两个通道(CD)用于接收。
由于不同的参数适合于不同的工作模式，所以使用时要先进行模式设置。
模式的设置可以用一条模式命令完成。
mode [AB|CD] [transmit| receive]
用户在命令文件中定义变量。
这些变量可以是区(硬件控制寄存器的位区)或者pseudo_fields(仅仅在软件中存在的变量，而在硬件中没有与之直接对应的元素)。
变量可以有六种类型：mandatory(M)、defaulted(D)、computed(C)、unused(U)、expert(E)和not available(-)。
Not available只能用在只读变量中。
在发射和接收模式中，变量有不同的类型。
例如，cic_int在发射中是M(mandatory)型，而在接收中则是U(unused)型。
任何变量均可以由用户定义，而且它们的值可用于芯片的编程也可用于其他区的计算。
用户要想修改这些变量的值，就应该在软件中给出C和E区定义值。
有一点需要注意，为了提高程序的可读性，往往需要加一些注释，注释的
格式是：以“#”或者“/”开始，在注释中允许有空行。
图4和图5分别是WCDMA滤波器频率响应和滤波器频率响应过渡带宽度和阻带衰减的关系。
图4 WCDMA滤波器频率响应
图5 WCDMA滤波器频率响应过渡带宽度和阻带衰减的关系
结语
该硬件平台已经成功应用于多种直放站设备，都达到了相应的移动通信直放站标准，性能稳定可靠，取得了较好的经济效益。