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FPGA有門道?一款軟件無線電平臺的設(shè)計

發(fā)布時間:2014-11-14 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】自軟件無線電出現(xiàn)至今,是無線電通信從硬件到軟件、從模擬到數(shù)字、從固定到移動的三次技術(shù)變革。軟件無線電通俗地講就是基于通用硬件平臺,通過軟件提供多種服務(wù)、適應(yīng)多種標(biāo)準(zhǔn)、多頻帶多模式、可重構(gòu)可編程的無線電系統(tǒng)。下面給大家詳細(xì)解說這款基于FPGA的軟件無線電平臺的設(shè)計。

軟件無線電的關(guān)鍵思想是,將AD(DA)盡可能靠近天線和用軟件來完成盡可能多的無線電功能。蜂窩移動通信系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到第三代,3G系統(tǒng)進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行一方面需要解決不同標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)間的兼容性;另一方面要求系統(tǒng)具有高度的靈活性和擴(kuò)展升級能力,軟件無線電技術(shù)無疑是最好的解決方案。用ASIC(Application Specific Intergrated CIRcuits)和DSP(Digital Singnal Processor)芯片搭建軟件無線電平臺是目前系統(tǒng)設(shè)計的主要方法,這種方法有兩個突出缺點:一是系統(tǒng)速度跟不上高速動態(tài)實時數(shù)字信號處理,二是系統(tǒng)體積大功耗高。這兩個突出缺點制約了軟件無線電在高速實時通信領(lǐng)域的應(yīng)用前景。本文運(yùn)用目前基于FPGA(Field Programmable Gate Array)的SoPC (System on Programmable Chip)技術(shù)構(gòu)建軟件無線電平臺。大大提高了數(shù)字信號處理的能力和速度,并且降低了系統(tǒng)功耗,縮小了系統(tǒng)體積,為更高層次的3G無線通信要求提供了解決方案。

1、無線通信系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

軟件無線電使得無線電具有更多的個性化特點,它以軟件方式定義多個頻段及多種調(diào)制波形接口。軟件無線電系統(tǒng)包括信號發(fā)射和接收兩部分,本文重點以接收流程進(jìn)行論述。軟件無線電的RF(Radio Frequency)部分是一個多波束天線陣,可同時接收多個頻段、多個方向的射頻信號,并將射頻轉(zhuǎn)換為中頻信號。如圖1所示,系統(tǒng)中包括Virtex-4 FX系列FPGA,模擬信號輸入端口,同步觸發(fā)端口,外接時鐘源,F(xiàn)lash(加載FPGA配置程序),CPLD,SDRAM,PCI接口,LED信號燈等部分。

FPGA有門道?一款軟件無線電平臺的設(shè)計
提取用戶窄帶信號進(jìn)行抽取由專用ADC芯片完成,數(shù)字下變頻部分由FPGA中的IP(Intellectual Property)模塊完成。用專用芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性;用IP模塊完成數(shù)字下變頻功能可以降低功耗,提高速率。

數(shù)字下變頻后進(jìn)行解調(diào),經(jīng)過解調(diào)后的信號為一個比特流序列,比特流處理部分需要完成信息的加密解密、編碼譯碼等。如圖1所示,這部分功能可以用Verilog-HDL語言編寫DSP處理模塊完成,也可以用Matlab的FDATool進(jìn)行設(shè)計后自動生成Verilog-HDL源代碼和PowerPC指令程序;本文采用Verilog-HDL直接編寫DSP模塊的辦法,這樣可以對硬件處理流程進(jìn)行更好的掌控,并且獲得更高的信號處理性能。由于將DSP模塊嵌入FPGA中,通過增加或減少DSP邏輯電路可以使得設(shè)計更加靈活,例如可以將2FSK調(diào)制解調(diào),F(xiàn)IR濾波和FFT分別封裝成為單元模塊,編寫地址驅(qū)動后PowerPC程序執(zhí)行時可直接進(jìn)行調(diào)用,相比DSP專用處理器僅調(diào)用乘法器和移位寄存器的方法可以節(jié)省上百個指令周期,大大提高了實時信號處理的能力,具有在高端領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景。

比特流序列處理完成后,可將數(shù)據(jù)傳入主機(jī)磁盤陣列經(jīng)行儲存,PowerPC通過PCI橋控制本系統(tǒng)和主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸,以滿足未來數(shù)據(jù)回放和可視化界面要求。

1.2 ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換

軟件無線電要求ADC,DAC盡可能的靠近天線,這需要很高的ADC的采樣率,采樣精度,動態(tài)范圍等特征。AD9042是一款高性能高速ADC芯片,采用的是兩級子區(qū)式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),這種設(shè)計既保證了所需的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度,又降低了功耗,同時也減小了芯片尺寸,AD9042系統(tǒng)原理如圖2所示。AD9042可以保證的最小采樣率可達(dá)41MHZ, 12bit精度,80dB無寄生動態(tài)范圍。

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1.3 DDS直接頻率合成

由于數(shù)字信號處理的處理速度有限,往往難以對A/D采樣得到的高速率數(shù)字信號直接進(jìn)行各種類別的實時處理。為了解決這一矛盾,需要采用數(shù)字下變頻技術(shù),將采樣得到的高速率信號變成低速率基帶信號,以便進(jìn)行下一步的信號處理。數(shù)字下變頻技術(shù)在軟件無線電和各類數(shù)字化接收機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用。寬帶數(shù)字下變頻器基于外差接收機(jī)的原理,包括數(shù)字混頻、低通濾波、抽取三個環(huán)節(jié)。抽取后得到和信號帶寬匹配的基帶抽樣信號,實現(xiàn)從寬頻帶中提取窄帶信號的目的。Xilinx提供的專用DDS(Direct DIGItal Synthesizer) IP模塊用以實現(xiàn)數(shù)字下變頻功能。
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1.4 CPU控制單元

FPGA集成了運(yùn)行速度高達(dá)450 MHz的雙32位嵌入式PowerPC,每個處理器可提供超過700 DhrySTone MIPS的性能,是普通FPGA中處理器性能的三倍。本系統(tǒng)以PowerPC作為該系統(tǒng)的指令處理和控制單元,可以避免純硬件設(shè)計復(fù)雜,通用性差和不容易協(xié)調(diào)控制的缺點。PowerPC是本系統(tǒng)SoPC架構(gòu)的核心組成部分,擔(dān)負(fù)算法實現(xiàn)和中央控制兩部分任務(wù)。Virtex-4 FX內(nèi)部有大量乘法器可供調(diào)用,能夠充分滿足各種數(shù)字信號處理要求;

PowerPC與前文提到的DSP模塊連接,使整個系統(tǒng)具有實時動態(tài)信號的處理能力。PowerPC作為控制器的狀態(tài)流程如圖3所示。

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2、FSK設(shè)計實例及仿真結(jié)果

在現(xiàn)代通信中,調(diào)制器的載波信號幾乎都是正弦信號,數(shù)字基帶信號通過調(diào)制器改變正弦載波頻率,產(chǎn)生移頻鍵控(FSK)信號。FSK時域表達(dá)式為
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用本系統(tǒng)實現(xiàn)FSK調(diào)制結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示,用Verilog-HDL語言編寫實現(xiàn)的FSK調(diào)制模塊,相對于傳統(tǒng)軟件無線電的實現(xiàn)方式,省去了讀取指令周期的時間,總運(yùn)算時間縮短了一半。FSK調(diào)制的ModelSim波形仿真結(jié)果如圖5所示。

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結(jié)論

經(jīng)過改進(jìn)的基于FPGA的軟件無線電平臺系統(tǒng),能夠滿足雷達(dá)、數(shù)字、通信、等高科技領(lǐng)域?qū)π盘柼幚淼膶崟r性要求。運(yùn)用軟件無線電平臺系統(tǒng)和SOPC技術(shù),提升了系統(tǒng)動態(tài)實時信號的處理能力,同時還節(jié)約了成本,簡化體積。這款系統(tǒng)會在頻譜分析、3G無線通信、多通道多模式接收機(jī)、GPS抗干擾接收機(jī)等多個領(lǐng)域遍地開花。

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