一種通用SDR平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

張仁良, 周昌義, 胡婉如,2, 安軍社

(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) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 101408)

軟件無線電(Software-Defined Radio,SDR)具有結(jié)構(gòu)開放、軟件可編程、硬件可重構(gòu)和支持多種頻段等特點，在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中占據(jù)著重要的地位，無論在軍事[1]、微小型衛(wèi)星[2]，還是在商業(yè)通信[3]中都有很大的影響力。

SDR主要特點是通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和對頻段的廣泛覆蓋性。硬件系統(tǒng)本身支持的頻段或者通過擴頻再結(jié)合軟件配置，基本可以滿足多種通信場景中應(yīng)用的需求。

隨著國外各種先進技術(shù)應(yīng)用于SDR平臺，目前基本實現(xiàn)了3個目標(biāo)：① 高度集成化；② 模塊化；③ 面積最小化。AD9371[4]是最具代表性的一款集成電路(Integrated Circuit,IC)，內(nèi)部提供可靠的鏈接，包含了20多個高性能分立式無線電元件，極大減小了芯片面積，純die(芯片)僅為7.8 mm×8.2 mm。NI公司的USRP(Universal Software Radio Peripheral,通用軟件無線電外設(shè))[5]是模塊化的代表，其封裝為一個黑盒子，用戶連接外部設(shè)備再配合上位機即可使用。國內(nèi)主流的SDR平臺實現(xiàn)方法有兩種:① 依賴于離散元件的組合[6]；② 采用國外的模塊化方案，例如使用AD9361[7]、AD9364等一體化射頻芯片和Radio420s射頻板[8]等搭建平臺。

本文提出一種較為先進的SDR平臺，其目的是使用SDR方式，靈活地改變通信的參數(shù)，適用于多種應(yīng)用場景，例如作為地檢測試應(yīng)答機與無人機、直升機進行通信，通過軟件可以直接設(shè)置相關(guān)參數(shù)，極大地提高了配置的靈活性，擴大了應(yīng)用范圍。

1 硬件設(shè)計方案

Kintex7嵌入了MicroBlaze軟核，可以對AD9371進行配置，收到的RX信號解調(diào)為基帶信號，經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換和濾波后送入JESD204B接口，發(fā)出的信號通過JESD204B接口送出，再經(jīng)過濾波及DAC轉(zhuǎn)換和混頻后輸出到TX接口。完成這些操作需要一個硬件平臺，所以筆者主要介紹整體硬件設(shè)計方案，并對選用AD9371和Kintex7來搭建平臺的原因做出闡述。

1.1 AD9371外圍芯片概述

AD9371的電源供電使用四通道高性能降壓DC-DC調(diào)節(jié)器ADP5054。使用14路LVDS/HSTL輸出的JESD204B時鐘發(fā)生器AD9528產(chǎn)生AD9371和Kintex7之間的同步時鐘來同步高速數(shù)據(jù)總線JESD204B。

AD9371是一款高度集成的寬帶RF收發(fā)器，提供2個發(fā)射器(Tx)、2個接收器(Rx)、2個觀測接收器(ORx)、三通道嗅探接收器(SnRx)，集成了頻率合成器和數(shù)字信號處理功能。

射頻子板參數(shù)對比如表1所示。由表1可知，AD9371無論是在工作頻率、帶寬還是在通道數(shù)量上都具有明顯優(yōu)勢，采用JESD204B串行接口[9]作為數(shù)據(jù)傳輸通道，最高數(shù)據(jù)率可達(dá)6144 Mbit/s。其他平臺皆采用LVDS或其他并行接口進行數(shù)據(jù)傳輸，最高速率僅為1.0 Gbit/s。雖然其功耗在表1所列的其他平臺中處于劣勢，但在性能上處于第一位置。參考AD9371功能框圖可知[10]，其中SnRx和ORx共享ADC和數(shù)字處理器。4個高速的串行接口用于發(fā)射鏈路，4個串行鏈路被Rx、ORx和SnRx通道所共享。

表1 射頻子板參數(shù)對比表

1.2 Kintex7外圍芯片概述

Kintex7的外圍芯片包括：4收4發(fā)的RS422接口、4收4發(fā)的LVDS高速接口、1片W5300網(wǎng)口芯片。其中，RS422和LVDS接口使用J14-26連接器，網(wǎng)口使用RJ45連接器；外接1片DDR2芯片作為存儲器的擴展；外接配置Flash用于存儲調(diào)制解調(diào)、JESD204B接口協(xié)議和MicroBlaze代碼；1片128 Gbit的NAND Flash用于存儲大量數(shù)據(jù)。

表2為對Microsemi和Xilinx公司幾款FPGA的邏輯單元、收發(fā)器數(shù)量(速率)價格等方面的比對，依據(jù)性價比最終選擇了XC7K410T，其在容量、速度、邏輯單元數(shù)量、價格方面都處于優(yōu)勢地位，對于本平臺來說比較適合。

表2 FPGA產(chǎn)品特性對比

1.3 整體硬件原理框圖

原理框圖如圖1所示。原理分為兩個部分，其中綠色底圖為Kintex7外圍連接;淺藍(lán)色底圖為AD9371外圍連接;中間使用箭頭②表示Kintex7和AD9371的信號連接。

圖1 原理框圖

箭頭①為AD9371的電源拓?fù)?，采用ADI公司的ADP5054四通道BUCK作為供電芯片，AD9371電源拓?fù)淙鐖D2所示，模擬供電使用通道1、3、4，數(shù)字供電使用通道2以及FPGA輸入的2.5 V電源。

圖2 AD9371電源拓?fù)?/p>

通過控制使能信號，使AD9371的上電順序為先數(shù)字1.3 V供電，再模擬1.3 V和1.8 V供電，模擬3.3 V可以任意時間上電。

圖3為AD9371與Kintex7之間的信號流及射頻接口，SPI配置信號和高速串行數(shù)據(jù)總線JESD204B是AD9371與FPGA之間的主要連接信號。其他需要重點注意的信號主要有：同步輔助、復(fù)位、測試和GPIO信號。

圖3 AD9371與Kintex7信號流圖

2 PCB設(shè)計注意事項

遵守AD9371的PCB設(shè)計規(guī)則是該硬件系統(tǒng)成功的重要前提，下列四點對于提升硬件性能具有重要意義。

① 疊層和阻抗匹配。

② 布局時模擬部分和數(shù)字部分分開。

③ 需要根據(jù)優(yōu)先級布線，先布高優(yōu)先級的信號線，再布低優(yōu)先級的信號線。

④ 各RF射頻信號中引入隔離結(jié)構(gòu)，以達(dá)到通道之間的隔離度要求。

2.1 疊層和阻抗匹配

PCB板為14層盲埋孔混壓板，頂層和底層使用Rogers基材降低高頻損耗。Rogers基材下的層2和層13為GND層，作為RF傳輸線的參考平面，以保證信號的完整性。為了實現(xiàn)電源通道之間的良好隔離，層3和層12用于電源域的布線。高速串行接口JESD204B在層5和層10布線，以達(dá)到RF信號和高速數(shù)字信號良好隔離的目的。余下的低速數(shù)字控制信號布在層7和層8。

為了在不改變現(xiàn)有疊層的情況下增加線寬，對RF信號走線使用單獨的阻焊開窗模型。

2.2 布局原則

AD9371模塊(模擬電路)和Kintex7模塊(數(shù)字電路)是本硬件電路設(shè)計的兩個主要組成部分。AD9371和Kintex7模塊布局如圖4所示，為了減少兩個模塊之間的信號和回流干擾，將AD9371模塊擺放在左邊，Kintex7模塊擺放在右邊。另外，將AD9371模塊的地命名為AGND，Kintex7模塊的地命名為GND，鋪地階段AGND和GND單獨鋪地，中間使用0 Ω電阻或銅皮連接，極大地減少了二者之間的回流干擾。需要注意AD9371模塊表層與內(nèi)層鋪地需要保持一致。

圖4 AD9371與Kintex7模塊布局示意圖

2.3 布線優(yōu)先級

為了保證AD9371的關(guān)鍵信號可以在PCB設(shè)計階段就獲得足夠的設(shè)計優(yōu)化空間，第一優(yōu)先級是RF和JESD204B信號，二者需要最早布線。第二優(yōu)先級是電源信號，最低優(yōu)先級的是低速數(shù)字信號。需要嚴(yán)格按照布線優(yōu)先級的順序布線，以達(dá)到不干擾關(guān)鍵元件的布局和布線的目的。

2.3.1 第一優(yōu)先級RF線設(shè)計規(guī)則

以RF發(fā)射通道1舉例介紹其設(shè)計規(guī)則，圖5為AD9371發(fā)射通道的電路原理圖。

由于本設(shè)計的巴倫沒有提供直流中心引線，所以將繞線式電感(Chokes)連接在VOUT4_1V8和Tx輸出之間，以滿足Tx輸出所需要的200 mA電流。圖5中的L1、L5為繞線式電感；C7為Tx電源的儲能電容器。當(dāng)改變衰減值的時候，為了有效減少靜態(tài)電流，要通過1.8 V的電源域向巴倫直流供電。在進行PCB設(shè)計時候，必須將發(fā)射通道1和通道2的1.8 V供電路徑做好隔離，且不允許使用銅皮連接繞線式電感，只允許使用引線直連[11]。

圖5 AD9371發(fā)射通道電路原理圖

2.3.2 第一優(yōu)先級JESD204B線設(shè)計規(guī)則

要求在開始PCB設(shè)計時候就布JESD204B信號。為了減少JESD204B信號走線插損，要求AD9371盡可能靠近Kintex7放置，使走線長度盡可能短，保證直接芯片間互聯(lián)。層5布JESD204B發(fā)射信號，層10布JESD204B接收信號，信號線上層、下層使用完整的GND平面作為參考。JESD204B走線嚴(yán)格控制為100×(1±10%)Ω的到地阻抗，要求差分對共面、松耦合和線寬最大。

為了保持阻抗的連續(xù)性，線寬必須盡可能接近Pin/Ball的寬度，1 oz(1 oz=35 μm)銅皮厚度，線寬至少為8 mil(1 mil=0.0254 mm)，走線的參考地面不能跨分割或中斷。連接器和無源元件的焊盤尺寸與JESD204B的線寬盡可能接近，以避免由于阻抗不連續(xù)導(dǎo)致的信號反射串?dāng)_等問題。

2.3.3 第二優(yōu)先級電源線設(shè)計規(guī)則

電源供應(yīng)品質(zhì)直接影響整個系統(tǒng)性能，但遵循下面的布線要求，就可以保證各個模擬電源域之間具有良好的隔離度。為了保證每條電源布線都被地面包圍，電源布線應(yīng)遵循星狀布線法，數(shù)字和模擬電源Ball都通過磁珠電阻的隔離后單獨布線來完成供電。

圖6為電源布線示例，顯示了在層12上的電源布線結(jié)構(gòu)，每條電源線之間通過包地和接地過孔來隔離。

圖6 電源布線示例

電源引腳要求放置0.1 μF或(0.1+10)μF旁路電容，對于數(shù)字供電和JESD204B供電還需要加入100 μF濾波電容以減少低頻干擾。通過鐵氧體磁珠FB(Ferrite Bead)供電時，需注意FB、旁路電容應(yīng)盡可能靠近Ball放置，F(xiàn)B必須通過引線連到儲能電容器，每個Ball的FB應(yīng)隔開放置以確保它們的電場互不影響。

2.4 AD9371信號隔離規(guī)則

為了確保收發(fā)器滿足AD9371數(shù)據(jù)手冊中的通道隔離要求，本平臺需要滿足以下的隔離指標(biāo)要求。分為RF隔離和JESD204B隔離，二者隔離距離計算方法一致，前者計算的是隔離方口的距離，而后者是包地過孔距離，這里僅介紹RF隔離設(shè)計規(guī)則。

2.4.1 隔離結(jié)構(gòu)

AD9371Datasheet中隔離參數(shù)要求如下。

① 在6 GHz時，Tx to Tx不少于80 dB。

② 在6 GHz時，Tx to Rx不少于80 dB。

③ 在6 GHz時，Rx to Rx不少于60 dB。

④ 在6 GHz時，ORx to ORx不少于60 dB。

為了實現(xiàn)這些目標(biāo)，引入了兩種隔離結(jié)構(gòu)。

隔離結(jié)構(gòu)由矩形槽和方口組合構(gòu)成，圖7展示了在本設(shè)計中所用的隔離結(jié)構(gòu)。采用矩形槽主要是為了快速加大隔離區(qū)域，且PCB設(shè)計效率較高，但如果都采用矩形槽設(shè)計，就會導(dǎo)致其他低速和電源信號沒有布線空間。方口雖然設(shè)計起來比較麻煩，但方口之間還可以進行信號布線，且不會使隔離度惡化。

圖7 通道隔離結(jié)構(gòu)

使用方口、矩形槽時，需要就近放置地過孔，可以參考圖8綠色箭頭所指的放置方法，方口至少需要一個，矩形槽需要在周圍放置多個。過孔應(yīng)是通孔，過孔的作用是就近引導(dǎo)返回電流到靠近方口或矩形槽的地層。

圖8 放置回流過孔和隔離距離示例

2.4.2 隔離距離計算

設(shè)計PCB圖紙時，方口之間的間距應(yīng)不超過最高頻率波長的1/10，如圖8中的白色箭頭所示的隔離距離。

波長可以使用式(1)來計算。

(1)

式中：εγ為隔離材料的介電常數(shù)；f為RF頻率，一般取最大值；λ為RF信號波長。

AD9371最大的RF信號的頻率是6 GHz。對于Rogers 4350B板材，εγ為3.5。由式(1)可計算出λ為26.73 mm，即最小的波長為26.73 mm。

為了滿足1/10波長的規(guī)則，方口的間距必須小于等于2.673 mm。

3 SDR平臺硬件測試

平臺硬件實物如圖9所示，標(biāo)號①為FPGA IC，標(biāo)號②為AD9371 IC，整板布局緊湊，測試也證明了此種布局分開的方法是正確的，板子性能良好，解決了模擬與數(shù)字相互干擾的問題。

圖9 硬件實物

目前AD9371數(shù)據(jù)發(fā)射有兩種方法，一種為DMA模式，另外一種為DDS模式。

測試數(shù)據(jù)為2.5 GHz載波+20 MHz正弦波，采用DDS模式。圖10為官方DEMO板對應(yīng)的增益，為-2.62 dBm；圖11為本平臺對應(yīng)的增益，為-1.37 dBm。頻譜儀參考電平設(shè)為0 dBm，頻寬設(shè)置為100 MHz，測試代碼增益設(shè)置相同，衰減系數(shù)設(shè)為0，通過對比大量頻譜儀增益數(shù)據(jù)，可以看出其明顯比官方DEMO板提升了1～2 dB的增益。

圖10 官方DEMO板DDS模式測試頻譜

圖11 本平臺DDS模式測試頻譜

4 SDR平臺軟件設(shè)計

本平臺直接在MicroBlaze中跑C語言代碼，過程如下[12]：ADI提供TES(Transceiver Evaluation Software)軟件，此軟件最大的優(yōu)勢在于集成了所有AD9371可以配置的寄存器，將設(shè)置好的采樣、載波頻率、模式、濾波器等參數(shù)直接轉(zhuǎn)換為C語言代碼，再配合ADI專用于配置AD9371的API接口代碼，將這些代碼整合到一起，使用Vivado最終生成MCS文件，將其載入到配置Flash中。當(dāng)硬件上電時，邏輯代碼將按照其存儲的地址空間順序載入到FPGA的SRAM中，完成MicroBlaze軟核處理器的初始化，再讀取配置Flash中的C語言代碼，配置好AD9371。

4.1 Verilog代碼框架

Verilog代碼框架如圖12所示，這里只給出部分重要的代碼模塊。MicroBlaze軟核通過AXI總線轉(zhuǎn)PLBv46總線連接低速IP模塊，SPI用于配置AD9371的相關(guān)寄存器，串口用于打印AD9371配置流程信息，JESD204B TX/RX用于連接AD9371數(shù)據(jù)通道。其余的I2C、INTC和GPIO為拓展接口。

圖12 基于MicroBlaze的代碼框架

數(shù)據(jù)發(fā)射的兩種模式如下。

① DMA模式下，在MicroBlaze初始化完畢后，將事先存儲在Flash中的正弦波矩陣送入DDR2暫存，隨后由DMA接口直接送入AD9371數(shù)字接口，再經(jīng)過DAC采樣送入到混頻器中加入載波，最終送到發(fā)射通道。

② DDS模式下，MicroBlaze直接通過配置AD9371_CORE IP生成不同相位和不同頻率的通道波形。

4.2 MicroBlaze總線連接

圖13為MicroBlaze軟核的部分總線連接圖，其中AXI_CPU_INTERCONNECT模塊為AXI轉(zhuǎn)PLBv46模塊，用于連接外設(shè)模塊。M00_AXI～M08_AXI為主總線。其中，M06_AXI和M07_AXI直接連接JESD204B RX和TX IP，二者共同連接到JESD204B PHY IP即實際物理接口IP，這個IP直接與硬件引腳對應(yīng)。調(diào)制數(shù)據(jù)和解調(diào)數(shù)據(jù)為拓展代碼。

圖13 基于MicroBlaze的總線圖

5 結(jié)論

經(jīng)測試，本平臺系統(tǒng)性能良好，增益比官方DEMO板提高了1～2 dB，且總體功耗沒有增加，維持在5 W左右。

對比NI和ADI的平臺，目前ADI的AD9371一體化射頻芯片解決方案雖然犧牲了功耗，但在芯片面積、適配性和性能上占有絕對優(yōu)勢。

本平臺的意義在于降低傳統(tǒng)離散化硬件設(shè)計的復(fù)雜度，實現(xiàn)面積最優(yōu)化。嵌入MicroBlaze軟核處理器，通過修改C語言代碼即可修改AD9371的配置參數(shù)，無須修改FPGA邏輯代碼，有效簡化了配置流程，極大地提升了應(yīng)用到多種工作場景的效率。所提出的SDR平臺具有商用價值，可以根據(jù)需求靈活、快速地適配不同場景，甚至可以更換處理器軟核(如選擇NiosII[13]、龍芯[14]等)，通過提升處理器的速度，也間接提升了平臺的事務(wù)處理性能。

雖然一款通用的SDR平臺可以應(yīng)用于多種場景，但還是有以下劣勢：

① 使用受到功率、穩(wěn)定性、成本和半導(dǎo)體技術(shù)的限制。

② 對于特定波形的處理必然增加復(fù)雜度和成本。

③ 無法實現(xiàn)很高的頻率，對于更高的頻率(如12 GHz)，目前只能離散化，集成化無法實現(xiàn)。

當(dāng)然集成化的方案目前在航天領(lǐng)域還無法應(yīng)用，離散化的方案穩(wěn)定性更高一些。雖然本平臺具有航天應(yīng)用潛質(zhì)，但由于航天環(huán)境比較復(fù)雜，最終能否適應(yīng)，還需要在可靠性和穩(wěn)定性方面繼續(xù)做深入研究。