基于FPGA的軟件無線電平臺設(shè)計方案解析

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。
　　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，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。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。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。 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。