基于AD9361的便攜式無線電信號監(jiān)測采集系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：無線電監(jiān)測作為管理無線電頻譜資源的唯一技術(shù)手段，其作用的發(fā)揮嚴重依賴于前端采集硬件設(shè)備的性能。文章設(shè)計了一個便攜式無線電監(jiān)測采集系統(tǒng)，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(guān)鍵詞：無線電監(jiān)測；信號采集；AD9361；ZYNQ

1 背景

當今無線電技術(shù)的迅猛發(fā)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(fā)及有效管理是全世界所面臨的共同問題。無線電資源監(jiān)測是合理使用無線電資源的重要手段，是實現(xiàn)國家信息安全的重要保障[2]。近年來，國家大力發(fā)展無線電技術(shù)，把無線電監(jiān)測系統(tǒng)作為重要的戰(zhàn)略方向，使我國無線電監(jiān)測設(shè)施建設(shè)得到迅速發(fā)展，特別加強了對數(shù)字通信、寬帶通信、衛(wèi)星通信等新業(yè)務(wù)的監(jiān)測技術(shù)研究[3]。

無線電監(jiān)測系統(tǒng)是由一套覆蓋全部監(jiān)測頻段的天線、天線選擇裝置以及處理設(shè)備構(gòu)成的系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)換器、接收機、測向儀等。系統(tǒng)控制器中運行的監(jiān)測軟件可以控制所有的硬件。監(jiān)測接收機通過天線接口殘疾天線接收到的無線電信號，經(jīng)過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換后通過監(jiān)測機自帶的接口，傳輸?shù)娇刂破鱗4]。最后由控制計算機實現(xiàn)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(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

無線電監(jiān)測系統(tǒng)具有以下一些特點[5]：

（1）軟硬件協(xié)同和一體化設(shè)計。許多硬件功能可以由軟件功能所取代，無線電監(jiān)測系統(tǒng)逐步向數(shù)字化、小型化、復雜化、模塊化方向發(fā)展，可擴展性大大加強。

（2）高速的網(wǎng)絡(luò)接口，大大提升設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)能力。使用先進的網(wǎng)絡(luò)接口，使得單一設(shè)備工作的情況大大改善，眾多設(shè)備組成統(tǒng)一的無線電監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備間可進行數(shù)據(jù)交換，使設(shè)備群具有自動化高速監(jiān)測能力。

（3）無線電監(jiān)測系統(tǒng)頻段覆蓋范圍廣，涵蓋所有監(jiān)測任務(wù)和廣播業(yè)務(wù)，能實現(xiàn)包括超短波、短波和衛(wèi)星的全頻段覆蓋。

（4）多元化、多層次監(jiān)測設(shè)備的使用，刺激新技術(shù)在監(jiān)測設(shè)備中的應(yīng)用，大大提高無線電監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)水平。

無線電監(jiān)測系統(tǒng)對前端無線電信號采集設(shè)備有嚴重的依賴性，設(shè)備性能直接影響監(jiān)測效果。亞德諾半導體公司推出的AD9361射頻收發(fā)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(yīng)無線電監(jiān)測對寬頻段、多種帶寬的要求。文章設(shè)計了一個基于AD9361的便攜式無線電采集監(jiān)測系統(tǒng)，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(jiān)測的需要。文章主要介紹該系統(tǒng)采集前端的硬件設(shè)計及實現(xiàn)，即圖1中的轉(zhuǎn)換裝置和無線電信號接收轉(zhuǎn)發(fā)模塊。

2 便攜式無線電采集監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

與普通便攜式信號接收機不同，無線電采集監(jiān)測系統(tǒng)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(tài)范圍大、采集數(shù)據(jù)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(fā)的一款高性能、高集成度的射頻收發(fā)芯片，包含兩路獨立的接收端口和兩路獨立的發(fā)送端口，12位模數(shù)轉(zhuǎn)換和12位數(shù)模轉(zhuǎn)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(jié)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(shù)字接口。通過數(shù)字接口可以靈活配置各通道的參數(shù)，包括頻點、帶寬、增益等參數(shù)，基于這些特性，AD9361非常合適作為無線電監(jiān)測的前端設(shè)備，可以監(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)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(shù)字信號進行降采樣，可以在ADC抗混疊濾波器矩形系數(shù)要求不高的情況下實現(xiàn)接近奈奎斯特采樣率的數(shù)據(jù)速率，大大減輕了后級以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膲毫?。信號處理模塊輸出的數(shù)據(jù)在緩存控制器控制下寫入DDR3中。而后這些數(shù)據(jù)在處理器的調(diào)度下按照一定的格式打包后通過以千兆太網(wǎng)口發(fā)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(shù)據(jù)最大可達800Mbps，如此高的數(shù)據(jù)速率需要利用FPGA處理。文章選用的FPGA是Xilinx公司開發(fā)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(wǎng)等豐富的外設(shè)；同時芯片內(nèi)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(wǎng)控制器及處理器系統(tǒng)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(jiān)測的需求、還具備體積小、功耗低等優(yōu)點，特別適合于便攜式使用。

3 便攜式無線電采集監(jiān)測系統(tǒng)FPGA邏輯設(shè)計

FPGA xc7z010需要實現(xiàn)信號處理、數(shù)據(jù)打包及網(wǎng)絡(luò)發(fā)送等工作，同時要求其吞吐量高、控制靈活，文章在FPGA上構(gòu)建一個SoPC系統(tǒng)來實現(xiàn)以上要求，其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

FPGA的SoPC系統(tǒng)可以通過Xilinx的Vivado軟件進行構(gòu)建，主要包括ARM Cortex A9處理器、DDR控制器、千兆以太網(wǎng)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(jù)AD9361內(nèi)部的低通濾波器階數(shù)，文章設(shè)定信號處理模塊的抽取倍數(shù)為4。利用MatLab的fdatool工具并結(jié)合Xilinx FIR Compiler可以很容易地設(shè)計一個4倍抽取濾波器。

最終所需的濾波器階數(shù)為48階，其幅頻響應(yīng)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(nèi)存讀寫的方式操縱AXI4-Stream設(shè)備[6]。它通常與DMA控制器配合，實現(xiàn)外設(shè)與內(nèi)存之間的高速數(shù)據(jù)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(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計要求[6]。

AXI4-Stream FIFO中包含有可配置深度的FIFO，緩存數(shù)據(jù)計數(shù)器，以及靈活的中斷控制器。文章將AXI4-Stream FIFO工作模式設(shè)置為存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式（Store-and-Forward Mode）。當無線電采集監(jiān)測系統(tǒng)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(shù)據(jù)包，在更新緩存數(shù)據(jù)計數(shù)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(shù)據(jù)包從AXI4-Stream FIFO搬移至DDR3內(nèi)存中。最終這些數(shù)據(jù)在處理器的協(xié)助下，加上TCP/IP頭，發(fā)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(jiān)測系統(tǒng)工作時的數(shù)據(jù)流動情況。

4 便攜式無線電采集監(jiān)測系統(tǒng)嵌入式軟件設(shè)計

便攜式無線電采集監(jiān)測系統(tǒng)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(nèi)的DMA控制器將數(shù)據(jù)從AXI4-Stream FIFO搬移至DDR3內(nèi)存中。

（2）數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)打包，將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進行封裝，打包成TCP/IP數(shù)據(jù)包發(fā)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(fā)速度，文章采用Linux作為便攜式無線電采集監(jiān)測系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。這樣可以直接利用Linux系統(tǒng)內(nèi)置的TCP/IP協(xié)議棧進行網(wǎng)絡(luò)程序的開發(fā)，同時又可以在其上移植BOA等web服務(wù)器方便地構(gòu)建B/S架構(gòu)的人機界面，大大降低軟件的開發(fā)難度。采集監(jiān)控系統(tǒng)的軟件框架如圖4所示。

系統(tǒng)分為控制通路和數(shù)據(jù)通路兩部分，控制通路主要負責解析用戶下發(fā)的控制命令，數(shù)據(jù)通路主要負責硬件至內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。設(shè)計時采用多線程的方式，以提高系統(tǒng)的處理能力。控制通路主要由指令解析和指令執(zhí)行兩個線程組成，指令解析線程負責解析用戶下發(fā)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(zhí)行線程；指令執(zhí)行線程執(zhí)行完成指令后根據(jù)需要向用戶反饋執(zhí)行結(jié)果。數(shù)據(jù)打包發(fā)送根據(jù)指令執(zhí)行線程下發(fā)的開始/停止，開始或停止數(shù)據(jù)的打包發(fā)送。

5 結(jié)束語

文章設(shè)計的便攜式無線電采集監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測的需要。

參考文獻

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[2]周群艷，龔曉峰.無線電監(jiān)測軟件的設(shè)計與實現(xiàn)[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(jiān)測系統(tǒng)[J]. 廣東通信技術(shù)，2009（5）：60-67.

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

[5]唐鼎甲，武暢.無線電監(jiān)測系統(tǒng)的組成與應(yīng)用[J].電子信息對抗技術(shù)，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(xiàn)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。