基于FPGA的軟件無線電平臺設(shè)計

0 引 言

軟件無線電的出現(xiàn)，是無線電通信從模擬到數(shù)字、從固定到移動后，由硬件到軟件的第三次變革。簡單地說，軟件無線電就是一種基于通用硬件平臺，并通過軟件可提供多種服務(wù)的、適應(yīng)多種標準的、多頻帶多模式的、可重構(gòu)可編程的無線電系統(tǒng)。軟件無線電的關(guān)鍵思想是，將AD（DA）盡可能靠近天線和用軟件來完成盡可能多的無線電功能[1~2]。

蜂窩移動通信系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到第三代，3G系統(tǒng)進入商業(yè)運行一方面需要解決不同標準的系統(tǒng)間的兼容性；另一方面要求系統(tǒng)具有高度的靈活性和擴展升級能力，軟件無線電技術(shù)無疑是最好的解決方案。用ASIC（Application Specific Intergrated Circuits）和DSP（DIGITAL Singnal Processor）芯片搭建軟件無線電平臺是目前系統(tǒng)設(shè)計的主要方法[3~5]，這種方法有兩個突出缺點：一是系統(tǒng)速度跟不上高速動態(tài)實時數(shù)字信號處理，二是系統(tǒng)體積大功耗高。這兩個突出缺點制約了軟件無線電在高速實時通信領(lǐng)域的應(yīng)用前景。本文運用目前基于FPGA（Field Programmable Gate Array）的SoPC (System on Programmable Chip)技術(shù)構(gòu)建軟件無線電平臺。大大提高了數(shù)字信號處理的能力和速度，并且降低了系統(tǒng)功耗，縮小了系統(tǒng)體積，為更高層次的3G無線通信要求提供了解決方案。

1 無線通信系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

軟件無線電使得無線電具有更多的個性化特點，它以軟件方式定義多個頻段及多種調(diào)制波形接口。軟件無線電系統(tǒng)包括信號發(fā)射和接收兩部分，本文重點以接收流程進行論述。軟件無線電的RF（Radio Frequency）部分是一個多波束天線陣，可同時接收多個頻段、多個方向的射頻信號，并將射頻轉(zhuǎn)換為中頻信號[6~9]。如圖1所示，系統(tǒng)中包括Virtex-4 FX系列FPGA，模擬信號輸入端口，同步觸發(fā)端口，外接時鐘源，F(xiàn)lash（加載FPGA配置程序），CPLD，SDRAM，PCI接口，LED信號燈等部分。

提取用戶窄帶信號進行抽取由專用ADC芯片完成，數(shù)字下變頻部分由FPGA中的IP（Intellectual Property）模塊完成。用專用芯片進行模數(shù)轉(zhuǎn)換可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；用IP模塊完成數(shù)字下變頻功能可以降低功耗，提高速率。

數(shù)字下變頻后進行解調(diào)，經(jīng)過解調(diào)后的信號為一個比特流序列，比特流處理部分需要完成信息的加密解密、編碼譯碼等。如圖1所示，這部分功能可以用Verilog-HDL語言編寫DSP處理模塊完成，也可以用Matlab的FDATool進行設(shè)計后自動生成Verilog-HDL源代碼和PowerPC指令程序；本文采用Verilog-HDL直接編寫DSP模塊的辦法，這樣可以對硬件處理流程進行更好的掌控，并且獲得更高的信號處理性能。由于將DSP模塊嵌入FPGA中，通過增加或減少DSP邏輯電路可以使得設(shè)計更加靈活，例如可以將2FSK調(diào)制解調(diào)，F(xiàn)IR濾波和FFT分別封裝成為單元模塊，編寫地址驅(qū)動后PowerPC程序執(zhí)行時可直接進行調(diào)用，相比DSP專用處理器僅調(diào)用乘法器和移位寄存器的方法可以節(jié)省上百個指令周期，大大提高了實時信號處理的能力，具有在高端領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景。

比特流序列處理完成后，可將數(shù)據(jù)傳入主機磁盤陣列經(jīng)行儲存，PowerPC通過PCI橋控制本系統(tǒng)和主機的數(shù)據(jù)傳輸，以滿足未來數(shù)據(jù)回放和可視化界面要求。

1.2 ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換

軟件無線電要求ADC，DAC盡可能的靠近天線，這需要很高的ADC的采樣率，采樣精度，動態(tài)范圍等特征[11~13]。AD9042是一款高性能高速ADC芯片，采用的是兩級子區(qū)式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計既保證了所需的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度，又降低了功耗，同時也減小了芯片尺寸，AD9042系統(tǒng)原理如圖2所示[10]。AD9042可以保證的最小采樣率可達41MHZ, 12bit精度，80dB無寄生動態(tài)范圍。

1.3 DDS直接頻率合成

由于數(shù)字信號處理的處理速度有限，往往難以對A/D采樣得到的高速率數(shù)字信號直接進行各種類別的實時處理。為了解決這一矛盾，需要采用數(shù)字下變頻技術(shù)，將采樣得到的高速率信號變成低速率基帶信號，以便進行下一步的信號處理。數(shù)字下變頻技術(shù)在軟件無線電和各類數(shù)字化接收機中得到了廣泛應(yīng)用。寬帶數(shù)字下變頻器基于外差接收機的原理，包括數(shù)字混頻、低通濾波、抽取三個環(huán)節(jié)[12]。抽取后得到和信號帶寬匹配的基帶抽樣信號，實現(xiàn)從寬頻帶中提取窄帶信號的目的。Xilinx提供的專用DDS（Direct DIGITAL Synthesizer） IP模塊用以實現(xiàn)數(shù)字下變頻功能。