基于AD9361的便攜式無線電信號監測采集系統設計

摘 要：無線電監測作為管理無線電頻譜資源的唯一技術手段，其作用的發揮嚴重依賴于前端采集硬件設備的性能。文章設計了一個便攜式無線電監測采集系統，可實時采集70MHz～3GHz的無線頻段的信號，最大采集帶寬可達20MHz。

關鍵詞：無線電監測；信號采集；AD9361；ZYNQ

1 背景

當今無線電技術的迅猛發展，使得對無線電頻譜資源的需求急速增長[1]。無線電資源是一種有限的不可再生資源，維護好空中電波的秩序，不斷促進無線電頻譜資源的合理利用、科學開發及有效管理是全世界所面臨的共同問題。無線電資源監測是合理使用無線電資源的重要手段，是實現國家信息安全的重要保障[2]。近年來，國家大力發展無線電技術，把無線電監測系統作為重要的戰略方向，使我國無線電監測設施建設得到迅速發展，特別加強了對數字通信、寬帶通信、衛星通信等新業務的監測技術研究[3]。

無線電監測系統是由一套覆蓋全部監測頻段的天線、天線選擇裝置以及處理設備構成的系統，包括轉換器、接收機、測向儀等。系統控制器中運行的監測軟件可以控制所有的硬件。監測接收機通過天線接口殘疾天線接收到的無線電信號，經過相應的轉換后通過監測機自帶的接口，傳輸到控制器[4]。最后由控制計算機實現對采集到的信號樣本顯示，并完成分析和保存等功能。無線電監測系統的結構框圖如圖1所示。

無線電監測系統具有以下一些特點[5]：

（1）軟硬件協同和一體化設計。許多硬件功能可以由軟件功能所取代，無線電監測系統逐步向數字化、小型化、復雜化、模塊化方向發展，可擴展性大大加強。

（2）高速的網絡接口，大大提升設備的聯網能力。使用先進的網絡接口，使得單一設備工作的情況大大改善，眾多設備組成統一的無線電監測網絡，設備間可進行數據交換，使設備群具有自動化高速監測能力。

（3）無線電監測系統頻段覆蓋范圍廣，涵蓋所有監測任務和廣播業務，能實現包括超短波、短波和衛星的全頻段覆蓋。

（4）多元化、多層次監測設備的使用，刺激新技術在監測設備中的應用，大大提高無線電監測系統技術水平。

無線電監測系統對前端無線電信號采集設備有嚴重的依賴性，設備性能直接影響監測效果。亞德諾半導體公司推出的AD9361射頻收發芯片，支持超寬頻段、超大帶寬，具有靈活的可編程特性，可以適應無線電監測對寬頻段、多種帶寬的要求。文章設計了一個基于AD9361的便攜式無線電采集監測系統，可實時采集70MHz～3GHz的無線頻段的信號，最大采集帶寬可達20MHz，符合當前大部分無線電監測的需要。文章主要介紹該系統采集前端的硬件設計及實現，即圖1中的轉換裝置和無線電信號接收轉發模塊。

2 便攜式無線電采集監測系統硬件設計

與普通便攜式信號接收機不同，無線電采集監測系統需要隨時對上G頻段的無線信號進行采集與分析，因此它具有采集頻段寬、動態范圍大、采集數據量大等特點，利用普通的射頻前端及DSP處理器難以滿足其需求。

AD9361是亞德諾半導體公司新開發的一款高性能、高集成度的射頻收發芯片，包含兩路獨立的接收端口和兩路獨立的發送端口，12位模數轉換和12位數模轉換，支持70MHz到6GHz的超寬頻率范圍，支持通道帶寬最大可達56MHz。該器件結合了射頻前端和混合信號基帶部分，還集成了頻率合成器，并給處理器提供可配置的數字接口。通過數字接口可以靈活配置各通道的參數，包括頻點、帶寬、增益等參數，基于這些特性，AD9361非常合適作為無線電監測的前端設備，可以監測超寬頻段、不同帶寬的無線電信號。

文章采用AD9361及Xilinx Zynq-7000系列FPGA搭建了無線電采集監測系統前端硬件，其主要鏈路框圖如圖2所示。

空中無線電信號通過天線、低噪聲放大器（LNA）、混頻至零中頻，通過抗混疊濾波器（LPF）被高速ADC采樣后送入信號處理模塊。信號處理模塊主要對ADC采集到的數字信號進行降采樣，可以在ADC抗混疊濾波器矩形系數要求不高的情況下實現接近奈奎斯特采樣率的數據速率，大大減輕了后級以太網數據傳輸的壓力。信號處理模塊輸出的數據在緩存控制器控制下寫入DDR3中。而后這些數據在處理器的調度下按照一定的格式打包后通過以千兆太網口發送給上位機。

以上混頻放大、抗混疊濾波及ADC采樣可以完全由AD9361芯片完成。ADC采樣輸出的數據最大可達800Mbps，如此高的數據速率需要利用FPGA處理。文章選用的FPGA是Xilinx公司開發的一款全可編程邏輯器件Zynq-7000系列的xc7z010。該芯片包含了兩個ARM Cortex A9 CPU核，還擁有SDIO、UART、USB、以太網等豐富的外設；同時芯片內部的FPGA邏輯資源給用戶提供了自定義硬件的功能。因而圖2中的信號處理、緩存控制、千兆以太網控制器及處理器系統可以完全集成入xc7z010芯片中。

以上的硬件方案除了能夠滿足無線電采集監測的需求、還具備體積小、功耗低等優點，特別適合于便攜式使用。

3 便攜式無線電采集監測系統FPGA邏輯設計

FPGA xc7z010需要實現信號處理、數據打包及網絡發送等工作，同時要求其吞吐量高、控制靈活，文章在FPGA上構建一個SoPC系統來實現以上要求，其系統框圖如圖3所示。

FPGA的SoPC系統可以通過Xilinx的Vivado軟件進行構建，主要包括ARM Cortex A9處理器、DDR控制器、千兆以太網控制器、DMA控制器等FPGA芯片自帶的硬核，同時還包括Xilinx提供的AXI4-Stream FIFO、及自定義的信號處理模塊。

其中自定義的信號處理模塊主要完成信號的抽取工作。根據AD9361內部的低通濾波器階數，文章設定信號處理模塊的抽取倍數為4。利用MatLab的fdatool工具并結合Xilinx FIR Compiler可以很容易地設計一個4倍抽取濾波器。

最終所需的濾波器階數為48階，其幅頻響應如圖4所示。

信號處理模塊采用AXI4-Stream接口與AXI4-Stream FIFO相連接。AXI4-Stream FIFO是Xilinx提供的LogiCORE IP，可允許AXI總線以內存讀寫的方式操縱AXI4-Stream設備[6]。它通常與DMA控制器配合，實現外設與內存之間的高速數據傳輸。其在100MHz的總線時鐘下，可以達到近1600Mbps的傳輸速率，滿足便攜式無線電采集監測系統的設計要求[6]。

AXI4-Stream FIFO中包含有可配置深度的FIFO，緩存數據計數器，以及靈活的中斷控制器。文章將AXI4-Stream FIFO工作模式設置為存儲轉發模式（Store-and-Forward Mode）。當無線電采集監測系統開始工作時，信號處理模塊會源源不斷將處理過后的信號以AXI4-Stream包的形式送給AXI4-Stream FIFO。AXI4-Stream FIFO每收到一個數據包，在更新緩存數據計數器的同時會提交一個包到達中斷給ARM處理器。ARM處理器收到中斷，啟動DMA控制器，將以數據包從AXI4-Stream FIFO搬移至DDR3內存中。最終這些數據在處理器的協助下，加上TCP/IP頭，發送給指定計算機。圖3中的虛線給出了便攜式無線電采集監測系統工作時的數據流動情況。

4 便攜式無線電采集監測系統嵌入式軟件設計

便攜式無線電采集監測系統的嵌入式軟件主要負責：

（1）控制FPGA的模塊工作，主要是配合FPGA內的DMA控制器將數據從AXI4-Stream FIFO搬移至DDR3內存中。

（2）數據的網絡打包，將內存中的數據進行封裝，打包成TCP/IP數據包發送到指定計算機。

（3）人機接口，為用戶提供方便的控制界面。

為了加快軟件的開發速度，文章采用Linux作為便攜式無線電采集監測系統的操作系統。這樣可以直接利用Linux系統內置的TCP/IP協議棧進行網絡程序的開發，同時又可以在其上移植BOA等web服務器方便地構建B/S架構的人機界面，大大降低軟件的開發難度。采集監控系統的軟件框架如圖4所示。

系統分為控制通路和數據通路兩部分，控制通路主要負責解析用戶下發的控制命令，數據通路主要負責硬件至內存的數據傳輸和網絡發送。設計時采用多線程的方式，以提高系統的處理能力。控制通路主要由指令解析和指令執行兩個線程組成，指令解析線程負責解析用戶下發的指令（如開始采集，停止采集等指令），解析完成后交由指令執行線程；指令執行線程執行完成指令后根據需要向用戶反饋執行結果。數據打包發送根據指令執行線程下發的開始/停止，開始或停止數據的打包發送。

5 結束語

文章設計的便攜式無線電采集監測系統可以采集70MHz～3GHz的無線頻段的信號，最大采集帶寬可達20MHz，并且具備功耗低、體積小等特點，可以符合當前大部分無線電監測的需要。

參考文獻

[1]EBERLE H.A Radio Network for Monitoring and Diagnosing Computer Systems [J]. Micro，IEEEE，2003，23（1）：60-65.

[2]周群艷，龔曉峰.無線電監測軟件的設計與實現[J]. 微計算機信息，2006， 22（1）：91-93.

[3]劉小慧，楊曉勇.基于虛擬儀器概念的小型無線電監測系統[J]. 廣東通信技術，2009（5）：60-67.

[4]唐燕.北京市無線電監測測向系統介紹[J].中國無線電管理，2000（6）：27-28.

[5]唐鼎甲，武暢.無線電監測系統的組成與應用[J].電子信息對抗技術，2011（5）：37-40.

[6]Xilinx.AXI4-Stream FIFOv4.1LogiCORE IP Product Guide，2014，4.

作者簡介：郭星煌（1982，2-），男，回族，籍貫：福建泉州，本科，現就職于廈門市公安消防支隊信息通信科，科長，研究方向：通信保障。