一種新型的可編程遙測收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)

羅 亨，齊建中，王 樂，宋 鵬

(北方工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100144)

0 引言

未來各種新型的遙測體制，需要突破無線電通信、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的界限，形成技術(shù)上的統(tǒng)一，對平臺(tái)可編程、可重復(fù)配置等技術(shù)提出了更復(fù)雜的設(shè)計(jì)要求。因此，新型的遙測發(fā)射機(jī)/接收機(jī)必須具備體積小、集成度高、軟硬件區(qū)別更加模糊、可編程參數(shù)更全面等技術(shù)特征[1]。文獻(xiàn)[2-3]通過一些具有單一功能和固定指標(biāo)的器件設(shè)計(jì)了特定波段的遙測系統(tǒng)，從中可以看出，現(xiàn)階段的系統(tǒng)設(shè)計(jì)大都基于簡單器件+PC處理器架構(gòu)，整套系統(tǒng)體積大、成本高，工作場景、工作制式受到限制[4]，無法滿足當(dāng)今各種可編程、小體積、實(shí)時(shí)、高速等需求[5]。

本文提出了一種基于可編程的射頻芯片(AD9361)+片上可編程系統(tǒng)(SOC)的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，在實(shí)現(xiàn)該方案時(shí)，一方面通過設(shè)計(jì)AD9361和SOC的外圍電路來研制硬件板卡，另一方面通過設(shè)計(jì)配置程序和基帶調(diào)制程序來實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)。該板卡的射頻頻段可以涵蓋70 MHz～6 GHz[6]，通過軟件配置，可以實(shí)現(xiàn)任意頻率的選擇，其通用性、軟件可定義性滿足了新型遙測體制的應(yīng)用需求。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)基本架構(gòu)

遙測收發(fā)機(jī)的硬件終端板卡提供一個(gè)通用的信息傳輸平臺(tái)，其核心主要由射頻部分和基帶部分2部分組成。射頻部分包括射頻電路、模擬與數(shù)字相互轉(zhuǎn)換電路和數(shù)字信號(hào)處理。射頻電路主要實(shí)現(xiàn)對射頻信號(hào)的濾波、放大和上下變頻等功能；轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)對中頻信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)、將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻的數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)、數(shù)字濾波和抽取/插值等功能；數(shù)字信號(hào)處理部分主要完成高速數(shù)字信號(hào)處理。基帶部分采用SOC，實(shí)現(xiàn)碼型變換、數(shù)據(jù)加解擾、調(diào)制解調(diào)、信道編解碼、擴(kuò)頻解擴(kuò)以及與PC機(jī)數(shù)據(jù)指令交互等功能。遙測收發(fā)機(jī)的硬件框圖如圖1所示。其中給出了主要的芯片型號(hào)、功能以及連接關(guān)系。平臺(tái)的組成除了射頻部分和基帶部分外，還有時(shí)鐘電路、接口電路和電源模塊。

射頻部分主要由一片集成的射頻捷變收發(fā)器AD9361和2個(gè)介質(zhì)濾波器完成射頻信號(hào)的接收和發(fā)射，2個(gè)介質(zhì)濾波器分別把發(fā)射和接收的帶寬限定在特定的應(yīng)用頻段，AD9361則完成對發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的上下變頻和對中頻信號(hào)的濾波、放大、模數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換、抽值插取以及數(shù)字濾波等。

基帶部分由一片XC7ZO30芯片通過數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)接口同時(shí)完成對數(shù)字基帶發(fā)射信號(hào)的編碼、調(diào)制和對數(shù)字基帶接收信號(hào)的解調(diào)、解碼，并完成對數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取。

時(shí)鐘電路為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的時(shí)鐘。

接口電路通過RS232接口和RS422接口完成與外界的通信和數(shù)據(jù)傳輸。

電源模塊為系統(tǒng)各個(gè)部分提供穩(wěn)定的電壓，使之能夠正常啟動(dòng)和工作。

圖1 遙測收發(fā)機(jī)硬件組成

1.2 射頻部分

1.2.1 射頻芯片AD9361

使用AD9361作為射頻模塊能夠?qū)崿F(xiàn)全雙工直接變頻收發(fā)機(jī)的設(shè)計(jì)，并且能夠通過SPI總線對AD9361的內(nèi)部寄存器讀寫其值來完成對芯片的配置，可配置的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示[7]。

AD9361內(nèi)部集成了混頻、濾波、放大、ADC和DAC等模塊，整體是一個(gè)直接變頻無線電結(jié)構(gòu)[8]。信號(hào)方面，AD9361有4個(gè)發(fā)射端和6個(gè)接收端，發(fā)射和接收可設(shè)為差分或單端；控制方面，主要是由SPI總線與內(nèi)部寄存器通信；接口方面，由并行數(shù)據(jù)接口與SOC通信。AD9361有FDD和TDD兩種全雙工模式可選[9]，適用于各種新型的遙測體制。

表1 AD9361可配置關(guān)鍵參數(shù)

參數(shù)最小值典型值最大值本振頻率/MHz706 000通道帶寬/MHz0.256發(fā)射幅度/dBm-760ADC工作頻率/MHz10.5245.76672DAC工作頻率/MHz10.5245.76672采樣率/MHz0.215.36125

1.2.2 射頻前端設(shè)計(jì)

射頻前端由一對SMA接口、一對巴倫和一對介質(zhì)濾波器構(gòu)成，電路如圖2所示。其中，虛線部分框出的是發(fā)射部分與接收部分的區(qū)別，接收射頻前端沒有這部分電路。加入這部分電路的原因在于發(fā)射部分需加入一個(gè)上拉電壓來驅(qū)動(dòng)發(fā)射的功率，使之靈敏度最高能達(dá)到-105 dBm，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到110 dB。1.3 V直流上拉加在電感與電容之間，能隔絕射頻信號(hào)，也能達(dá)到上拉的作用。

圖2 射頻前端原理

SMA連接天線接收和發(fā)射射頻信號(hào)；帶通濾波器把頻率限定在應(yīng)用的頻段，本文應(yīng)用的頻段為發(fā)射2.21 GHz，接收2.29 GHz，所以兩款帶通濾波器的中心頻率分別與發(fā)射頻率和接收頻率對應(yīng)，帶寬均為20 MHz，其中，中心頻率2 290 MHz的帶通濾波器的帶外抑制在2 210 MHz衰減≥40 dB，而中心頻率2 210 MHz的帶通濾波器的帶外抑制在2 290 MHz衰減≥40 dB，2種濾波器的帶內(nèi)插損均≤4.0 dB。

巴倫的型號(hào)為TCM1-63AX+，是一款射頻變換器，其工作頻率范圍為10～6 000 MHz，可以覆蓋AD9361的70～6 000 MHz全頻段。作用如下：① 單端信號(hào)和差分信號(hào)間的互相轉(zhuǎn)換，在接收端，把接收進(jìn)來的單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，在發(fā)射端，把要發(fā)射的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)；② 由天線理論知，在偶極天線和同軸電纜之間加巴倫可以扼制掉同軸線外的高頻電流，這是由于偶極天線屬于平衡型天線，同軸電纜屬于不平衡天線，這二者如果直接相連會(huì)使得高頻電流流過同軸線纜的外皮，從而影響天線的輻射。

1.3 SOC和AD9361的接口實(shí)現(xiàn)

SOC和AD9361需要在硬件上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的傳輸，即AD9361的時(shí)鐘接口、數(shù)字接口和控制接口能與SOC的專用IO以及GPIO直接相連[10]，故需要根據(jù)2個(gè)芯片的供電特性定義特定的引腳約束和電平標(biāo)準(zhǔn)。

一方面，在接口設(shè)計(jì)的過程中，由于ADI已經(jīng)定義好了AD9361的每個(gè)引腳的功能，而SOC的GPIO是按照一定的規(guī)則去約束來實(shí)現(xiàn)[11]，所以，將SOC與AD9361連接的每對連線約束在相應(yīng)BANK的IO口上，時(shí)鐘信號(hào)需要接在標(biāo)注有CC的SOC管腳上[12]。另外，考慮到PCB走線的問題，在電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要在PCB上走出等長、等間距的差分時(shí)鐘線。

另一方面，由于AD9361和SOC之間需要實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的傳輸，故需要定義相同的電平標(biāo)準(zhǔn)。由于AD9361的電平標(biāo)準(zhǔn)只有高電平1.8 V和2.5 V可選，而SOC的GPIO有高電平1.3 V、1.8 V、2.5 V和3.3 V等多種電平標(biāo)準(zhǔn)可選[13]，本文選擇了1.8 V高電平的電平標(biāo)準(zhǔn)。因此，AD9361的數(shù)字接口電源采用LDO電源1.8 V供電[14]，而SOC中與AD9361通信的BANK采用DCDC電源1.8 V供電，并且在引腳約束文件中把定義好的引腳約束到LVCOMS1V8標(biāo)準(zhǔn)[15]。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件框架

軟件的設(shè)計(jì)上以底層HDL驅(qū)動(dòng)為主，分為4個(gè)部分：寄存器配置程序、SPI驅(qū)動(dòng)、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)接口時(shí)序和單音信號(hào)的產(chǎn)生。寄存器配置程序至關(guān)重要，對AD9361內(nèi)部多達(dá)1 014個(gè)內(nèi)部寄存器進(jìn)行有規(guī)律的讀寫配置，使AD9361能夠工作在應(yīng)用所需的指標(biāo)上。SPI驅(qū)動(dòng)部分用于對AD9361的內(nèi)部寄存器的讀寫，讀取并控制AD9361的工作狀態(tài)，使之能夠工作在應(yīng)用所需要的頻段內(nèi)。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)接口時(shí)序部分完成的是SOC與AD9361之間數(shù)據(jù)的交換，便于基帶數(shù)據(jù)的處理。單音信號(hào)產(chǎn)生程序?yàn)樯漕l信號(hào)提供單音數(shù)據(jù)，經(jīng)過本振合成后發(fā)射出去。

2.2 關(guān)鍵寄存器的配置字

由于AD9361的寄存器多達(dá)1 014個(gè)，且有部分寄存器需重復(fù)多次讀寫，一一配置將使工程效率大打折扣，多數(shù)寄存器的配置字可以直接用ADI的官方軟件生成，而剩下的一些關(guān)鍵寄存器則需要按照要求逐一配置。

2.2.1 RF頻率控制字

RF頻率控制字控制AD9361內(nèi)部的RFPLL頻率，使射頻前端工作在所需的頻段范圍。RF頻率控制字分為整數(shù)部分和小數(shù)部分，公式如下：

(1)

式中，fRFPLL為所需的射頻頻率(MHz)；fREF為參考時(shí)鐘的頻率(MHz)。Floor為向下取整，Round是取小數(shù)。求得的整數(shù)部分Ninterger和小數(shù)部分Nfractional存入相應(yīng)的寄存器即可。

2.2.2 基帶頻率控制字

基帶頻率控制字控制AD9361內(nèi)部的BBPLL頻率，BBPLL可以為ADC、DAC、插值抽取濾波器、數(shù)字濾波器以及數(shù)字接口提供時(shí)鐘，使之工作在所需基帶頻段。基帶頻率控制字的計(jì)算公式為：

(2)

(3)

(4)

同樣地，BBPLL的頻率控制字也分為整數(shù)和小數(shù)部分，fBBPLL是所需的BBPLL頻率(MHz)，fREF為參考時(shí)鐘頻率(MHz)。fOUT為BBPLL的真實(shí)頻率，可通過CLK_OUT管腳輸出，用示波器或頻譜儀查看頻率控制字是否設(shè)置正確、BBPLL是否鎖定。

2.2.3 TX功率衰減控制字

TX功率衰減控制字是一個(gè)9 bit的二進(jìn)制字，TX1功率衰減控制字存放在寄存器0x73[D7：D0]和0x74[D0]，TX2功率衰減控制字存放在寄存器0x75[D7：D0]和0x76[D0]，總共分為360檔，精度為0.25 dB/LSB，故衰減幅度的范圍為0～89.75 dB。

2.2.4 FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)

通過對寄存器0x60～0x65這6個(gè)寄存器的重復(fù)n次配置，可以生成一個(gè)FIR數(shù)字濾波器，其中n是FIR濾波器的階數(shù)，其值等于FIR數(shù)字濾波器的抽頭Taps-1。

Taps=16×(numberoftaps)。

(5)

Taps的最大值為128，也就是說FIR濾波器的抽頭數(shù)最多有128個(gè)，F(xiàn)IR濾波器最高有127階，0x60～0x65這6個(gè)寄存器按階存入FIR濾波器的系數(shù)(cofficients)，系數(shù)可以用Matlab設(shè)計(jì)好所需頻段的濾波器生成后產(chǎn)生。

2.3 SPI驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

SPI驅(qū)動(dòng)程序主要分為讀命令和寫命令。寫命令遵循一種24位格式。前6位用于設(shè)置總線方向和需要傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)[16]。接下來的10位數(shù)據(jù)為寫入的地址。最后8位是將被傳輸至指定寄存器地址(MSB至LSB)的數(shù)據(jù)。讀命令遵循相似的格式，區(qū)別在于，前16位在SPI_DI引腳上傳輸，最后8位從AD9361中讀取，如果是4線模式，則在SPI_DO引腳上完成，如果是3線模式，則在SPI_DI引腳上完成。中間5位(第22～18位，其中最高位為第23位)全部默認(rèn)為0，對讀寫不影響[17]。

SPI驅(qū)動(dòng)程序主要分為5個(gè)狀態(tài)：idle、調(diào)取命令字和地址字、判斷讀或者寫、讀寄存器和寫寄存器。命令字和地址字事先存在一個(gè)命令表中，該命令表包含AD9361所有寄存器的初始化狀態(tài)。程序的狀態(tài)機(jī)如圖3所示。

圖3 SPI驅(qū)動(dòng)程序狀態(tài)機(jī)

2.4 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)接口程序設(shè)計(jì)

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)接口分為發(fā)送接口和接收接口2部分，分別用于向AD9361發(fā)送基帶數(shù)據(jù)和從AD9361接收基帶數(shù)據(jù)，既可以工作在FDD模式，也可以工作組TDD模式，2個(gè)接口獨(dú)立工作，互不影響[18]。

接口數(shù)據(jù)格式是I、Q兩路混合傳輸，如果只用參考時(shí)鐘的一個(gè)邊沿觸發(fā)時(shí)序的話，將無法實(shí)現(xiàn)先接收I路后接收Q路，而且還無法分離出I、Q兩路的數(shù)據(jù)，此時(shí)，有2種可選方法：一種是使用一個(gè)2倍于參考時(shí)鐘頻率的時(shí)鐘，另一種方法是使用XILINX提供的官方DDR原語[19]。其中，發(fā)送路徑采用ODDR原語，接收路徑采用IDDR原語。本文使用第2種方法，混在一路的I、Q兩路信號(hào)被IDDR分離出來，而分離的I、Q兩路信號(hào)又被ODDR有序地混合在了一起，這樣將便于SOC對信號(hào)的處理。

2.5 單音信號(hào)發(fā)生器

單音信號(hào)發(fā)生器的原理為DDS信號(hào)發(fā)生器[20]，可以產(chǎn)生任意頻率的單音信號(hào)。單音信號(hào)的頻率由頻率控制字控制，公式如下：

(6)

式中，F(xiàn)CW為頻率控制字；N為信號(hào)的位寬，由于AD9361數(shù)字接口的位寬為12 bit，故N=12；fdds為單音信號(hào)的頻率；fclk為數(shù)字接口的采樣頻率。

3 系統(tǒng)測試與驗(yàn)證

根據(jù)硬件設(shè)計(jì)指標(biāo)，最終完成的遙測收發(fā)機(jī)硬件實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 硬件實(shí)物

遙測收發(fā)機(jī)硬件平臺(tái)靜電測試以及電源模塊測試完成后，需要對遙測收發(fā)機(jī)硬件平臺(tái)的收發(fā)功能進(jìn)行測試。發(fā)射和接收的通路測試方案如圖5所示。

圖5 發(fā)射和接收的通路測試方案

發(fā)射部分，1 MHz的正弦波經(jīng)過數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)接口發(fā)送到AD9361，本振設(shè)置為2 210 MHz，信號(hào)由AD9361的濾波、插值、DAC、上變頻、放大后，經(jīng)過帶通濾波器發(fā)射出去，在實(shí)時(shí)頻譜分析儀上得到單音頻譜如圖6所示。

接收部分，由矢量信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生2 291 MHz的單音被遙測收發(fā)機(jī)接收，經(jīng)帶通濾波器后由AD9361把接收到的射頻信號(hào)進(jìn)行濾波、下變頻、ADC、抽取后，再用chipscope采集信號(hào)在PC上顯示基帶信號(hào)波形，如圖7所示。

圖6 發(fā)射頻譜

圖7 接收下變頻信號(hào)波形

從圖6可以看出，發(fā)射信號(hào)在1 MHz單音信號(hào)和2 210 MHz的本振信號(hào)上變頻后，在實(shí)時(shí)頻譜分析儀上顯示出一個(gè)2 211 MHz的單音頻點(diǎn)，說明發(fā)射部分調(diào)試通過。

從圖7可以看出，接收到的2 291 MHz單音信號(hào)經(jīng)過2 290 MHz的本振信號(hào)下變頻后，得到的1 MHz正弦信號(hào)波形在chipscope上繪制出來，說明接收部分調(diào)試亦通過。

測試結(jié)果表明，該硬件平臺(tái)功能完善，既可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射，又可以實(shí)現(xiàn)接收，且收發(fā)之間不會(huì)互相干擾，而且該平臺(tái)具有很大的靈活性，可以通過軟件配置寄存器來改變信號(hào)的頻率、幅度和速率等。

4 結(jié)束語

提出了一種新型的、可以用軟件定義的無線電遙測收發(fā)機(jī)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，并由此完成該平臺(tái)的硬件實(shí)現(xiàn)和底層驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。通過加載系統(tǒng)測試驗(yàn)證，結(jié)果表明了該板卡的優(yōu)越性，具備可編程和可重新配置的技術(shù)特征，可被應(yīng)用于新體制下的無線電遙測遙控系統(tǒng)。今后可以在該平臺(tái)上設(shè)計(jì)SOQPSK、ARTM CPM等新型遙測體制的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，還可以通過增加天線來實(shí)現(xiàn)MIMO-OFDM通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具有極大的應(yīng)用潛力。