基于AD9364的通用軟件無線電平臺的FPGA設(shè)計與實現(xiàn)

姚 辰 ，王竹剛 ，熊蔚明

（1.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心北京100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)北京100049）

軟件無線電的概念最早由美國MITRE公司的Joe.Mitola于1992年5月在美國國家遠(yuǎn)程會議上提出，其基本思想是以硬件平臺作為無線電通信的基礎(chǔ)，通過軟件編程的方式在此硬件平臺上實現(xiàn)可定制的無線電功能。軟件無線電系統(tǒng)具有數(shù)字化、可編程性、模塊化、可擴展性和開放性的特點，使其在包括通信、雷達、導(dǎo)航等無線電應(yīng)用領(lǐng)域都得到廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用[1-4]。

目前主要有兩種軟件無線電方案：一種方案是基于分立器件搭建硬件平臺，這種方案會導(dǎo)致整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功耗大，成本高，另外這種方案的通用性差，針對不同的應(yīng)用環(huán)境需要重新設(shè)計硬件平臺；另一種方案是采用高集成度器件完成多種功能，能降低成本和功耗，提高開發(fā)效率[5-7]。亞諾德半導(dǎo)體有限公司聯(lián)手賽靈思（Xilinx）公司推出的AD9364便是這樣一款高集成度高性能的射頻捷變收發(fā)器[8-9]。

文中主要設(shè)計了一種基于AD9364的通用軟件無線電平臺方案，完成了該系統(tǒng)的FPGA實現(xiàn)，利用此系統(tǒng)實現(xiàn)了16APSK調(diào)制器。且進行了相關(guān)的資源消耗評估和性能測試。

1 總體方案設(shè)計

此平臺以AD9364和FPGA為核心。選用Xilinx公司帶有Kintex-7系列XC7K325T芯片的KC705評估板以及AD9364配套的AD-FMCOMMS4-EBZ評估套件，二者通過FMC連接。FPGA外聯(lián)PC和用戶終端機。接收時，無線信號經(jīng)過天線、雙工器、低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA）通過AD9364，進入FPGA；發(fā)射時，F(xiàn)PGA通過AD9364經(jīng)過功率放大器（Power Amplifier，PA）、雙工器、天線發(fā)射無線信號。雙工器隔離發(fā)射和接收訊號。PC協(xié)助FPGA完成對AD9364的控制；用戶終端機產(chǎn)生數(shù)據(jù)源，并完成后續(xù)的信號和數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)包括兩個通路：控制通路和數(shù)據(jù)通路。FPGA功能模塊及接口如圖2所示。

圖2 FPGA功能模塊及接口

控制通路完成對AD9364內(nèi)部寄存器的寫入、讀取和校驗等工作。要求能完成兩種配置寄存器配置方式：通過外部接口配置和通過固化在FPGA內(nèi)部的配置信息配置。為保證在調(diào)試階段AD9364參數(shù)實時可調(diào)，要求可通過外部接口對AD9364進行控制；為在實際運行中減少對外部依賴，要求系統(tǒng)可獨立對AD9364進行控制。

控制通路包括6個模塊：通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）模塊、一級指令解析模塊、只讀存儲器（Read-Only Memory，ROM）及ROM控制模塊、二級指令解析和控制模塊以及串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）讀寫模塊。AD9364的指令有兩種方式獲得。第一種方式是攜帶有寄存器信息的數(shù)據(jù)由UART口進入FPGA，UART模塊完成對數(shù)據(jù)的接收，送入一級指令解析和編碼模塊，得到AD9364的指令。第二種方式是由ROM及ROM控制模塊讀取Block Memory Generator IP 核[10]，產(chǎn)生 AD9364的指令。二級指令解析和控制模塊接收AD9364的指令，控制SPI模塊的收發(fā)操作，并能完成等待校準(zhǔn)等工作。若為讀取操作時，此模塊能控制讀回的數(shù)據(jù)經(jīng)過一級指令解析模塊，通過UART模塊發(fā)出。

數(shù)據(jù)通路包括數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收兩部分。AD9364的并行數(shù)據(jù)接口有兩種工作模式可選：標(biāo)準(zhǔn)CMOS兼容模式或低電壓差分信號（Low-Voltage Differential Signaling，LVDS）兼容模式。由于LVDS兼容模式能提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，因此采用此種模式。發(fā)送模塊接收來自基帶處理器的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成LVDS形式的信號，發(fā)送給AD9364；接收模塊接收來自AD9364的LVDS形式的信號，還原為I、Q的形式，送入基帶處理器。

2 AD9364性能及結(jié)構(gòu)

AD9364支持時分雙工（Time Division Duplexing，TDD）和頻分雙工（Frequency Division Dual，F(xiàn)DD），工作頻率范圍70MHz到6.0GHz，支持通道帶寬范圍為200 kHz以下至56 MHz。集成射頻前端和部分信號處理功能，采用零中頻架構(gòu)，內(nèi)部包括單通道直接變頻射頻接收器和發(fā)射器、模擬濾波器、ADC和DAC以及系統(tǒng)校準(zhǔn)功能[11-14]。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示[15]。

3 控制通路設(shè)計

控制通路由UART模塊、一級指令解析模塊、ROM及ROM控制模塊、二級指令解析和控制模塊、SPI模塊組成。其中系統(tǒng)將指令解析部分分為兩級，提升了系統(tǒng)的兼容性。

圖3 AD9364功能框圖

3.1 一級指令解析模塊

一級指令解析模塊在UART配置方式時工作，完成對UART接收數(shù)據(jù)的初步解析，獲取系統(tǒng)級的操作碼和操作數(shù)，遞交給二級指令解析和控制模塊，當(dāng)進行讀取操作時可執(zhí)行其逆過程，生成相應(yīng)自己送入UART模塊。由于UART接口一次只能發(fā)送8位信息，而AD9364的寄存器地址為10位，數(shù)據(jù)為8位，加上操作碼，需要UART發(fā)送多次信息才能得到一次完成指令。因此，設(shè)計采用如表1的格式組合UART字節(jié)。

表1 UART字節(jié)格式

將6個UART字節(jié)作為一條完整指令，7至4位為字節(jié)序號，低四位攜帶指令。將第一字節(jié)的低四位設(shè)為系統(tǒng)級操作碼OPCODE，0x0代表配置AD9364。后5個字節(jié)低四位存儲AD9364的指令cfg_cmd。

3.2 ROM及ROM控制模塊

ROM及ROM控制模塊在通過ROM控制AD9364時工作，通過狀態(tài)機控制，在ROM中讀取一條指令，待執(zhí)行完成后讀取一下條指令，直到最后一條指令執(zhí)行完成。ROM控制狀態(tài)機如圖4所示。

圖4 ROM配置狀態(tài)機

3.3 二級指令解析和控制模塊

二級指令解析和控制模塊，接收來自一級指令解析模塊或ROM及ROM控制模塊的系統(tǒng)級操作數(shù)cfg_cmd，解析得到ad9364的操作碼cmd_op，寄存器數(shù)據(jù)和地址。若為讀操作，可執(zhí)行其逆過程。cfg_cmd的格式如圖5所示。

圖5 cfg_cmd格式

模塊根據(jù)指令cfg_cmd中的cmd_op獲取需要完成的操作，通過限狀態(tài)機控制SPI模塊完成相應(yīng)操作。狀態(tài)機如圖6所示。此狀態(tài)機控制整個系統(tǒng)完成寄存器寫、寄存器讀、等待和寄存器校驗操作。

寄存器寫操作將數(shù)據(jù)寫入AD9364相應(yīng)地址的寄存器中；寄存器讀操作讀取AD9364相應(yīng)地址的寄存器的值，并通過UART接口將此寄存器的地址和值發(fā)出；等待操作時，系統(tǒng)停止工作一段時間；寄存器校驗操作首先讀取相應(yīng)地址的寄存器內(nèi)的值，檢測其中的校驗位是否滿足校驗值，若滿足即校驗通過，若不滿足則等待一段時間后再次讀取校驗，如此循環(huán)，直到校驗通過或超時校驗失敗。

4 數(shù)據(jù)通路設(shè)計

數(shù)據(jù)通路包括數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收兩部分。

數(shù)據(jù)源模塊產(chǎn)生要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并完成星座映射。測試中以線性反饋移位寄存器產(chǎn)生的偽隨機數(shù)作為待傳輸數(shù)據(jù)，調(diào)制方式采用16APSK。通過星座映射將偽隨機數(shù)映射為I、Q各12 bit的16APSK符號。送入數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。

數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將每個符號的兩個12 bit的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為分4次發(fā)送的4個6 bit數(shù)據(jù)。在一條6 bit寬的總線上發(fā)送。發(fā)送單音信號時的發(fā)送端仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)通路發(fā)送模塊仿真結(jié)果

接收模塊可將此形式的數(shù)據(jù)還原為各12bit的I、Q數(shù)據(jù)。

5 16APSK調(diào)制

利用此平臺實現(xiàn)16APSK調(diào)制。為方便測試，將數(shù)據(jù)源內(nèi)置于FPGA中，采用線性反饋移位寄存器產(chǎn)生的偽隨機數(shù)作為數(shù)據(jù)源。AD9364工作在FDD模式，符號速率30 MHz，由SPI控制ENSM狀態(tài)機，增益控制采用自動模式。

首先在數(shù)據(jù)源模塊完成16APSK的星座映射。根據(jù)文獻[16]設(shè)計映射，星座映射圖如圖8所示。

圖8 16APSK星座圖

由分別在半徑為R1的內(nèi)圓上均勻分布的4個星座點和半徑為R2的外圓上均勻分布的12個星座點組成。每個符號包含4 bit信息，采用格雷碼形式，最高有效位優(yōu)先，表示為：b3b2b1b0。保證每兩個星座點的歐式距離中的最小值最大化，且內(nèi)圓功率最小[17]，令

其中γ表示R2和R1的比。

觀察圖8可知，I、Q兩路各含8個幅值，可由3 bit表示。對于I路，可由b3b2b1表示，對于Q路，可由b3b2b0表示。映射后的幅值采用I、Q各12bit的補碼形式表示。I路幅度映射關(guān)系如表2所示，Q路幅度映射關(guān)系如表3所示。

表2 I路幅度映射關(guān)系

表3 Q路幅度映射關(guān)系

其中對于幅度0.258 8和0.259 0映射后的12 bit補碼形式相同。

星座映射后的數(shù)據(jù)通過6 bit寬LVDS形式的數(shù)據(jù)接口發(fā)送到AD9364。

理想脈沖信號的頻譜無限寬的，不能在帶通信道中傳輸，因此要通過濾波器對其頻譜進行限制，同時要求在信號采樣時刻幅度無失真或低失真，這邊是基帶成型。在此系統(tǒng)中，利用AD9364內(nèi)部FIR濾波器完成脈沖成形。采用平方根升余弦（Square Root Raised Cosine，SRRC）形式的濾波器，滾降系數(shù)α=0.43，四倍插值。FIR濾波器沖擊響應(yīng)如圖9所示。

6 FPGA資源使用情況

系統(tǒng)在Vivado環(huán)境下完成開發(fā)，對系統(tǒng)進行綜合、實現(xiàn)。在包括UART模塊、一級指令解析模塊、ROM及ROM控制模塊、二級指令解析和控制模塊、SPI讀寫模塊、數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、16APSK調(diào)制模塊的情況下。其資源使用情況如表4所示。

圖9 FIR濾波器沖擊響應(yīng)

表4 實現(xiàn)后系統(tǒng)資源消耗

7 測試結(jié)果

7.1 16APSK發(fā)射測試

首先測試系統(tǒng)的發(fā)射端性能。數(shù)據(jù)源采用偽隨機序列，調(diào)制方式采用16APSK，利用頻譜儀測試頻譜，解調(diào)。測試結(jié)果如圖10所示。可見16APSK信號能正常發(fā)送。

圖10 發(fā)送端頻譜儀測試結(jié)果

7.2 系統(tǒng)接收測試

對系統(tǒng)的接收端進行測試。對接收端數(shù)據(jù)接收模塊接收的數(shù)據(jù)進行解調(diào)，利用MATLAB繪制解調(diào)后的星座圖如圖11所示。得出結(jié)論16APSK通信成功。

圖11 16APSK解調(diào)星座圖

8 結(jié)束語

文中介紹了一種基于AD9364的通用軟件無線電平臺的FPGA結(jié)構(gòu)和詳細(xì)設(shè)計。利用此平臺實現(xiàn)了16APSK調(diào)制器并完成了相應(yīng)的測試。此設(shè)計僅占用較小的FPGA資源，便能實現(xiàn)對軟件無線電系統(tǒng)的配置；同時，利用此系統(tǒng)能提高開發(fā)效率，降低發(fā)開的人力和物理成本。此系統(tǒng)中僅使用了必要的Clocking Wizard和Block Memory Generator IP核，其他部分均采用HDL語言的方式實現(xiàn)，易于移植到其他型號或品牌的FPGA平臺上，大大提升了系統(tǒng)的通用性。

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