基于AD9361的NB-IoT收發模塊開發

盧高健 徐蘭天

摘要：物聯網（The Internet of Things，簡稱IOT）是一個基于互聯網、傳統電信網等的信息承載體，屬于一種小帶寬，低速率的信號制式。本文就如何通過AD9361[1]集成模塊對NB-IoT進行收發功能開發，主要包括AD9361射頻寄存器配置，基于ZYNQ的基帶FPGA處理等。該模塊集成度高，體型小巧，經過驗證，能夠支持NB-IoT制式信號快速發射與解調測試。

關鍵詞： AD9361; NB-IoT收發測試; FPGA; ZYNQ

1.引言

物聯網作為最早由比爾蓋茨提出的網絡概念，目前已經應用在千家萬戶之中。物聯網的核心就是物與物、人與物之間的信息交互，工業、農業、環境、交通、物流、安保等基礎設施領域的應用，有效的推動了這些方面的智能化發展，方便了人們的生活，使得資源分配更加合理，從而提高了行業效率、效益。

為了開發出一款針對該通信制式的收發模塊，我們采用了ADI公司的AD9361芯片來進行射頻收發處理，并且通過Xilinx公司的ZYNQ系列芯片來進行基帶數據處理，最后將NB-IoT數據通過千兆網口與上位機進行傳輸。

2.AD9361概述

AD9361作為ADI推出的一款面向3G和4G基站應用的射頻收發器，具有高性能、高集成度的優勢。AD9361的接收本振頻率為70MHz-6.0GHz，發射本振頻率為47MHz到6.0GHz，支持的最大通道帶寬為56MHz[2]，滿足NB-IoT制式信號的傳輸條件。圖1是包含AD9361芯片的fmc子卡的系統框圖，可以看到該芯片將整個射頻收發電路進行了高度的集成，包括了低噪聲放大器、混頻器、低通濾波器、ADC/DAC模塊、SPI接口等模塊。

AD9361的寄存器配置主要有三個方面：基礎參數配置、傳輸參數配置、模擬參數配置。其中基礎參數配置是對整個芯片包括SPI[3]總線工作模式、使能狀態機（ENSM），收發通道選擇等進行配置。傳輸參數配置即對傳輸過程中處于數字模塊的PLL模塊，濾波器模塊等單元進行配置。模擬參數配置即對模擬信號部分如本振混頻模塊以及低噪放等模塊進行配置。相應寄存器值設置需要通過SPI串行總線進行，一些寄存器包括收發本振頻率控制寄存器，收發增益控制寄存器等，程序中保留出相應接口，通過上位機可以對其進行靈活配置。

3.ZYNQ功能模塊配置

本文用到的基帶處理模塊由ZYNQ[4]系列FPGA芯片來進行數據邏輯處理及傳輸。芯片型號為XC7Z100FFG900-2，內部集成了兩個ARM Cortex-A9核和一個XC7K325T型號的FPGA，具有強大的軟件處理能力和邏輯處理能力，可以完成網絡協議、主控及數字信號處理等功能。同時還有SPI、UART、SFP、HDMI、USB等數據接口與外設進行通信，方便進行功能擴展。

基帶處理板的PL部分我們采用Verilog語言來實現AD9361寄存器配置以及數據收發處理。而PS部分采用C語言進行網口通信以及與PL進行數據通信。本次使用Xilinx Vivado 2018.3集成開發環境來實現NB-IoT信號收發功能的實現。

程序燒寫啟動后，首先通過SPI串行總線對AD9361芯片完成寄存器下發配置。接收數據模式下，AD9361芯片在完成AD采樣后經過一系列配置好的FIR濾波器以及半帶濾波器將數據通過FMC傳給FPGA芯片，經過IBUFDS[5]緩沖時進行差分轉單端以及下變頻等流程。

在發送數據模式下，首先上位機將標準NB-IoT數據發送給PS端，然后再通過AXI總線傳給PL端。FPGA在接收到數據使能時先經過一層FIFO核緩沖，轉成256位寬存進DDR3中。存儲結束后循環將DDR3中存儲的數據進行下發，最后經過OBUFDS模塊轉成差分數據傳給AD9361芯片。

4.NB-IoT收發測試

本次測試采用回環方式對收發功能進行測試，并且分別發送單音信號以及NB-IoT信號進行測試。啟動上位機后控制1通道發射單音信號，設置輸出頻率為1GHz，信號功率為-10dBm，控制接收1通道頻率為1GHz，接收功率為0dBm，可以從上位機的頻譜窗口看到單音波形頻譜。上位機選擇NB-IoT波形后將調制開關打開，可以在頻譜窗口看到NB-IoT波形，并且可以看到信號解調指標如圖2所示。

5.結論

本文是為了滿足目前物聯網測試日益增多的需求，從而設計了一款便攜式的NB-IoT收發測試模塊，該模塊尺寸小巧，便于攜帶，同時擁有兩發兩收的傳輸通道滿足并行收發測試的功能。目前該模塊還支持10MHz參考輸入輸出的功能，為NB-IoT 測試帶來更高的指標需求和穩定性。經過單音信號以及NB-IoT調制信號的首發測試驗證，本模塊對于物聯網測試有較好的穩定性，滿足測試需求，對物聯網在眾多領域的應用測試提供支持。

參考文獻：

[1]郜澤.基于AD9361的軟件無線電硬件平臺設計與實現[D].成都：電子科技大學，2015.

[2]ADI.AD9361.Datesheet[EB/OL].2013.http：//www.analog.com/cn/products/rf-microwave/integrated-transceivers-transmitters-receivers/wideband-transceivers- ic/ad9361.html

[3]曹新濤.基于AD9361的無線收發系統設計[D].陜西：西安電子科技大學，2016.

[4]羅亨.基于AD9361的OFDM無線通信技術研究[D].北京：北方工業大學，2019.

[5]王勇.基于AD9361的簡易頻譜分析儀設計與實現[J].電子產品世界，2016（9）：49-52.

作者簡介：盧高健（1991.7-），男，漢族，安徽蚌埠，研究生，助理工程師，研究方向：信號與信息處理

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