基于CX9261的國(guó)產(chǎn)化軟件無(wú)線電硬件平臺(tái)研究與設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)軟件無(wú)線電平臺(tái)小型化、國(guó)產(chǎn)化和通用性的發(fā)展要求，文章提出了一種國(guó)產(chǎn)化軟件無(wú)線電硬件平臺(tái)的解決方案。系統(tǒng)核心平臺(tái)主要由國(guó)產(chǎn)化射頻捷變收發(fā)器CX9261和復(fù)旦微FMK50芯片組成。通過(guò)集成化的硬件和相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)具有帶寬靈活、速率可變和通信體制多樣的無(wú)線電信號(hào)收發(fā)功能的軟件無(wú)線電硬件平臺(tái)。文章對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了硬件功能收發(fā)測(cè)試，驗(yàn)證結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了軟件無(wú)線電硬件平臺(tái)的國(guó)產(chǎn)化和硬件高度集成化，具有通用性強(qiáng)、靈活性高和通信波形配置靈活等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：軟件無(wú)線電；射頻收發(fā)器；國(guó)產(chǎn)化器件；CX9261

中圖分類號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

軟件無(wú)線電可以基于軟件定義的無(wú)線通信協(xié)議而非通過(guò)硬連線實(shí)現(xiàn)，可通過(guò)軟件更新升級(jí)，實(shí)現(xiàn)頻帶、空中接口協(xié)議和功能適配，而不用完全更換硬件［1-2］。軟件無(wú)線電技術(shù)為現(xiàn)代化通信系統(tǒng)的發(fā)展指明了研究方向，但很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)受限于硬件水平的發(fā)展，很難通過(guò)軟件來(lái)隨意切換通信體制、通信速率和通信帶寬等模塊。射頻捷變收發(fā)器的出現(xiàn)改變了這一現(xiàn)狀，大帶寬、高速的射頻捷變收發(fā)器集成了濾波器、頻率合成器、放大器等硬件功能，通過(guò)寄存器配置可實(shí)現(xiàn)不同帶寬、不同速率射頻信號(hào)的收發(fā)和轉(zhuǎn)換功能，同時(shí)高度集成化進(jìn)一步提高了硬件的可靠性。目前，該領(lǐng)域技術(shù)市場(chǎng)長(zhǎng)期被國(guó)外產(chǎn)品占據(jù)。國(guó)防通信領(lǐng)域事關(guān)國(guó)家安全，國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用變得越來(lái)越迫切，技術(shù)成熟穩(wěn)定的自主可控芯片，逐漸成為國(guó)產(chǎn)替代的不二選擇。

本文通過(guò)對(duì)國(guó)產(chǎn)射頻捷變收發(fā)器和國(guó)產(chǎn)FPGA器件的研究，設(shè)計(jì)出基于CX9261和FMK50 FPGA芯片的軟件無(wú)線電平臺(tái)，為軟件無(wú)線電國(guó)產(chǎn)化平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供解決方案。

1 基于CX9261的軟件無(wú)線電硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

CX9261是一款國(guó)產(chǎn)寬帶、高性能和多通道的射頻收發(fā)芯片。其工作頻率范圍為70 MHz～2.7 GHz，可調(diào)諧通道帶寬為20 k～60 MHz，集成了低噪放、上/下混頻器、多模濾波器、自動(dòng)增益控制、直流偏移對(duì)消、功率強(qiáng)度檢測(cè)、ADC/DAC、驅(qū)動(dòng)放大器、電源管理、小數(shù)分頻頻率綜合、邏輯控制、抽取/插值濾波、數(shù)字上下變頻和自動(dòng)校準(zhǔn)等功能。代替由分立器件搭建射頻收發(fā)端，增加了系統(tǒng)的硬件集成度，同時(shí)，其內(nèi)部各模塊功能的可配置性增加了該軟件無(wú)線電平臺(tái)的通用性，具有通用化設(shè)計(jì)、寬頻帶覆蓋、寬窄帶信號(hào)兼容、低功耗等特點(diǎn)。

系統(tǒng)主控和基帶模塊使用FMK50，該芯片是復(fù)旦微電子推出的一款28 nm低功耗國(guó)產(chǎn)化FPGA芯片，其工作溫度范圍為-40～100 ℃，I/O帶寬峰值可達(dá)到52 Gbps，具備264 GMAC/s的DSP處理能力。FPGA與CX9261的控制通路采用SPI接口，通過(guò)ROM IP核對(duì)CX9261進(jìn)行寄存器配置；數(shù)據(jù)接口采用了LVDS兼容模式，具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率；同時(shí)，CX9261的部分I/O控制管腳與FPGA直接連接，有助于控制狀態(tài)機(jī)的實(shí)時(shí)控制（見圖1）。基于這兩個(gè)核心器件組成的通用軟件無(wú)線電平臺(tái)能完成數(shù)據(jù)收發(fā)且具有優(yōu)秀可移植性。

2 系統(tǒng)分析及功能實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證

2.1 CX9261參數(shù)配置

CX9261收發(fā)系統(tǒng)功能主要包括：系統(tǒng)初始化、基帶鎖相環(huán)頻率設(shè)定、RX/TX本振頻率設(shè)定、基帶濾波器的使用、設(shè)置RX增益/TX衰減。輔助功能配置包括：Aux DAC/Aux ADC（帶有溫度傳感器）、直流補(bǔ)償校準(zhǔn)、正交校準(zhǔn)、接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）等。可通過(guò)配置芯片內(nèi)部寄存器實(shí)現(xiàn)某個(gè)特定的功能，具體初始化流程，如圖2所示。

2.2 接收功能測(cè)試驗(yàn)證

該系統(tǒng)通過(guò)SPI接口完成CX9261工作狀態(tài)配置。其工作模式為TDD，本振頻率設(shè)置為900 M，信道帶寬為5 MHz；通過(guò)信號(hào)源產(chǎn)生頻率為900.5 MHz、功率為-50 dBm的單音信號(hào)，將信號(hào)傳送到CX9261的接收口RX端；芯片內(nèi)部經(jīng)過(guò)采樣、頻譜搬移和下變頻后，輸出基帶信號(hào)；通過(guò)ILA捕獲存儲(chǔ)基帶信號(hào)，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到PC端，利用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，接收的復(fù)數(shù)圖譜，如圖3所示。

該系統(tǒng)通過(guò)ILA采集到的數(shù)據(jù)分析評(píng)估底噪和直流抑制指標(biāo)，通過(guò)配置CX9261寄存器改變工作頻率和內(nèi)部增益，測(cè)試結(jié)果如表1—2所示。

具體設(shè)置為：（1）通道1和通道2同時(shí)設(shè)置為接收模式；（2）選擇MGC的線性amp;噪聲兼顧模式，配置接收增益。

2.3 發(fā)送功能測(cè)試驗(yàn)證

該系統(tǒng)通過(guò)FPGA控制內(nèi)部的數(shù)字DDS，模擬產(chǎn)生單音信號(hào)作為測(cè)試發(fā)射基帶信號(hào)；同時(shí)，使用軟件配置和控制，發(fā)出信號(hào)，并用頻譜儀觀測(cè)發(fā)射信號(hào)。與接收過(guò)程相同，對(duì)CX9261進(jìn)行配置，將CX9261射頻發(fā)射端接到頻譜儀。頻譜儀中心頻率設(shè)置為950.5 MHz，控制CX9261工作至發(fā)射狀態(tài)，通過(guò)頻譜儀觀察發(fā)射信號(hào)，如圖4所示。

通過(guò)配置改變CX9261工作頻率和模擬信號(hào)頻率，通過(guò)頻譜儀記錄功率、本振泄露、諧波、雜散數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果如表3—4所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于國(guó)產(chǎn)化射頻捷變收發(fā)器CX9261和FMK50芯片組成硬件無(wú)線電平臺(tái)的方案，實(shí)現(xiàn)了帶寬靈活、速率可變和通信體制多樣的無(wú)線電信號(hào)的收發(fā)功能，能提高開發(fā)效率，降低人力成本。試驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)方案完成了整個(gè)通信流程的數(shù)據(jù)收發(fā)，實(shí)現(xiàn)了軟件無(wú)線系統(tǒng)功能，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。同時(shí)，在國(guó)外日益嚴(yán)峻的技術(shù)封鎖下，研究高度國(guó)產(chǎn)化的通信系統(tǒng)在我國(guó)無(wú)線通信和未來(lái)無(wú)線通信中具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

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Research and design of domestic software-defined radio hardware platform based on CX9261

AnChaoqun1， LiFei2， ChenJiaxin2

（1.Guangdong Vocational College of Mechanical and Electrical Technology， Guangzhou 510515， China;

2.Guangzhou Haige Communications Industry Group Co.， Ltd.， Guangzhou 510663， China）

Abstract：This article proposes a design scheme for a domestically produced software-defined radio （SDR） hardware platform based on CX9261， in response to the development requirements of miniaturization， localization， and universality of SDR. The system is mainly composed of a domestically produced RF agile transceiver CX9261 and a Fudan Microelectronics’ FMK50 chip. Through integrated hardware and corresponding software design， a software radio hardware platform with flexible bandwidth， variable rate， and diverse communication systems for wireless signal transmission and reception is achieved. This article conducted hardware functional testing on the system for transmission and reception. Verification showed that the design scheme achieved the localization of software radio hardware platform and high hardware integration， with advantages such as strong universality， high flexibility， and flexible communication waveform configuration.

Key words： software-defined radio; RF transceivers; localized devices; CX9261