基于fpga的软件无线电平台设计

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电子测量技术第31卷第2期嵌入式技术ELECTRONICMEASUREMENTTECHNOLOGY2008年2月基于FPGA的软件无线电平台设计任天同屈晓声夏宇闻(北京航空航天大学电子信息工程学院北京100083)摘要:软件无线电技术是用于卫星导航和第三代移动通信(3G)数据处理和计算的最优解决方案。运用基于FPGA的SoPC嵌入式设计方法构造软件无线电系统,提高了对动态实时信号的处理能力。设计完成无线通信体系结构,以及ADC模数转换,数字下变频,CPU中央处理器,DSP运算单元,PCI桥以及数据控制等模块的详细组成。相对于目前常规系统,该系统在功耗和体积方面可节省30%以上,对高速数据流的处理和计算能力有显著提高,可以应用于Cellular/PCS基站,GPS抗干扰接收机,相控阵接收机,频谱分析和3G无线通信等领域。关键词:系统级FPGA;SoPC;软件无线电;数字信号处理;第3代移动通信中图分类号:TN927文献标识码:ASoftwareradiosystemdesignbasedonFPGARenTiantongQuXiaoshengXiaYuwen(SchoolofElectronicEngineering,BeijingUniversityofAeronauticsandAsorautics,Beijing100083)Abstract:Thesoftwareradioisthebestwaytodosignalprocessingandcomputingofthenavigationsatelliteandthe3Gsystem.BasedonFPGA,thistextusestheSoPCembeddeddesigningmethodtodesignhigh2speedrealtimesoftwareradiosystem.Thistextoffersthestructureofthesystem,andADC,DDC,PowerPCCPU,DSP,PCIinterfaceanddatacontrolmodules.Comparedwiththetraditionalsoftwareradiosystem,thistextgivestheadvantagesofthenewmethod,whichcutsthesizeandpowercostsby30%,andimprovescomputingabilityforhighspeedsignalsgreatly.ThenewsystemcanbeusedinthefieldsofCellular/PCSBaseStation,GPS,EMPAR,SpectrumAnalyzerand3Gsystem.Keywords:systemFPGA;SoPC;softwareradio;DSP;3G的应用前景。本文运用目前基于FPGA(field0引言programmablegatearray)的SoPC(systemonprogrammablechip)技术构建软件无线电平台。大大提高软件无线电的出现,是无线电通信从模拟到数字、从了数字信号处理的能力和速度,并且降低了系统功耗,缩固定到移动后,由硬件到软件的第3次变革。简单地说,小了系统体积,为更高层次的3G无线通信要求提供了解软件无线电就是一种基于通用硬件平台,并通过软件可提决方案。供多种服务的、适应多种标准的、多频带多模式的、可重构可编程的无线电系统。软件无线电的关键思想是,将AD1无线通信系统设计(DA)尽可能靠近天线和用软件来完成尽可能多的无线电[122]功能。1.1系统设计蜂窝移动通信系统已经发展到第3代,3G系统进入商软件无线电使得无线电具有更多的个性化特点,它以业运行一方面需要解决不同标准的系统间的兼容性;另一软件方式定义多个频段及多种调制波形接口。软件无线方面要求系统具有高度的灵活性和扩展升级能力,软件无电系统包括信号发射和接收两部分,本文重点以接收流程线电技术无疑是最好的解决方案。用ASIC(application进行论述。软件无线电的RF(radiofrequency)部分是一specificintergratedcircuits)和DSP(digitalsingnal个多波束天线阵,可同时接收多个频段、多个方向的射频[629]processor)芯片搭建软件无线电平台是目前系统设计的主信号,并将射频转换为中频信号。如图1所示,系统中[325]要方法,这种方法有两个突出缺点:一是系统速度跟不包括Virtex24FX系列FPGA,模拟信号输入端口,同步触上高速动态实时数字信号处理,二是系统体积大功耗高。发端口,外接时钟源,Flash(加载FPGA配置程序),这两个突出缺点制约了软件无线电在高速实时通信领域CPLD,SDRAM,PCI接口,LED信号灯等部分。·106· 任天同等:基于FPGA的软件无线电平台设计第2期提取用户窄带信号进行抽取由专用ADC芯片完成,要很高的ADC的采样率,采样精度,动态范围等特[11213]数字下变频部分由FPGA中的IP(intellectualproperty)模征。AD9042是一款高性能高速ADC芯片,采用的是块完成。用专用芯片进行模数转换可以提高系统的稳定两级子区式转换结构,这种设计既保证了所需的转换精度性和可靠性;用IP模块完成数字下变频功能可以降低功和转换速度,又降低了功耗,同时也减小了芯片尺寸,[10]耗,提高速率。AD9042系统原理如图2所示。AD9042可以保证的最数字下变频后进行解调,经过解调后的信号为一个比小采样率可达41MHz,12b精度,80dB无寄生动态范围。特流序列,比特流处理部分需要完成信息的加密解密、编码译码等。如图1所示,这部分功能可以用Verilog2HDL语言编写DSP处理模块完成,也可以用Matlab的FDATool进行设计后自动生成Verilog2HDL源代码和PowerPC指令程序;本文采用Verilog2HDL直接编写DSP模块的办法,这样可以对硬件处理流程进行更好的掌控,并且获得更高的信号处理性能。由于将DSP模块嵌入FPGA中,通过增加或减少DSP逻辑电路可以使得设计更加灵活,例如可以将2FSK调制解调,FIR滤波和FFT分别封装成为单元模块,编写地址驱动后PowerPC程序执行时可直接进行调用,相比DSP专用处理器仅调用乘图2AD9042原理图法器和移位寄存器的方法可以节省上百个指令周期,大大提高了实时信号处理的能力,具有在高端领域广阔的1.3DDS直接频率和成应用前景。由于数字信号处理的处理速度有限,往往难以对A/D采样得到的高速率数字信号直接进行各种类别的实时处理。为了解决这一矛盾,需要采用数字下变频技术,将采样得到的高速率信号变成低速率基带信号,以便进行下一步的信号处理。数字下变频技术在软件无线电和各类数字化接收机中得到了广泛应用。宽带数字下变频器基于外差接收机的原理,包括数字混频、低通滤波、抽取3个环[12]节。抽取后得到和信号带宽匹配的基带抽样信号,实现从宽频带中提取窄带信号的目的。Xilinx提供的专用DDS(directdigitalsynthesizer)IP模块用以实现数字下变频功能。1.4CPU控制单元Virtex24FX系列FPGA集成了运行速度高达450MHz的双32位嵌入式PowerPC,每个处理器可提供超过700DhrystoneMIPS的性能,是普通FPGA中处理器性能的三倍。两个完全集成的UNH认证的10/100/1000EthernetMAC进一步提升了Virtex24FX处理平台的性能,从而提高了FPGA资源的可用性。本系统以PowerPC作为该系统的指令处理和控制单元,可以避免纯硬件设计复杂,通用性差和不容易协调控制的缺点。PowerPC是本图1系统框图系统SoPC架构的核心组成部分,担负算法实现和中央控制两部分任务。Virtex24FX内部有大量乘法器可供调用,能够充分满足各种数字信号处理要求;PowerPC与前文提比特流序列处理完成后,可将数据传入主机磁盘阵列到用Verilog2HDL设计的DSP模块连接,使整个系统具有经行储存,PowerPC通过PCI桥控制本系统和主机的数据实时动态信号的处理能力。PowerPC作为控制器的状态传输,以满足未来数据回放和可视化界面要求。流程如图3所示。1.2ADC模数转换软件无线电要求ADC,DAC尽可能的靠近天线,这需·107· 第31卷电子测量技术3结论改进的基于FPGA的嵌入式软件无线电系统,可更好地满足通信、雷达、数字电视等高科技领域对信号处理实时性的要求。运用软件无线电和SoPC技术,极大的提高了系统动态实时信号的处理能力。在节约资源方面,以节省芯片数量计算,该系统相对于目前常规系统,节省功耗和体积可达30%以上。40MHz时钟频率,12b精度,80dB无寄生动态范围,该系统可以应用于Cellular/PCS基站,多通道多模式接收机,GPS抗干扰接收机,相控阵接收机,频谱分析,3G无线通信等领域。参考文献[1]MITOLAJ.Thesoftwareradioarchitecture[J].IEEECommunicationsMagazine,1995,15(5):27239.[2]MITOLAJ.Thesoftwareradioarchitecture:a图3PowerPC控制单元的状态图mathematicalperspective[J].IEEEJournalOnSelectedAreasinCommunications,1999,17(4):2FSK设计实例及仿真结果5102536.[3]ROWENC.复杂SoC设计[M].北京:机械工业出版在现代通信中,调制器的载波信号几乎都是正弦信社,2006.号,数字基带信号通过调制器改变正弦载波频率,产生移[4]夏宇闻.从算法设计到硬线逻辑的实现[M].北京:高频键控(FSK)信号。FSK时域表达式为:等教育出版社,2000.e2FSK(t)=s(t)cosω1t+s(t)cosω2t(1)[5]杨义先,等.软件无线电技术与应用[M].北京:北京用本系统实现FSK调制结构框图如图4所示,用邮电大学出版社,2000.Verilog2HDL语言编写实现的FSK调制模块,相对于传统[6]GUNNJE,BREEONKS,RUCZCEYKW.Alow2软件无线电的实现方式,省去了读取指令周期的时间,总powerDSPcore2basedsoftwareradioarchitecture[J].运算时间缩短了一半。FSK调制的ModelSim波形仿真结IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,果如图5所示。1999,17(4):5752590.[7]LACKEYRJ,UPMALDW.Upmal.speakeasy:themilitarysoftwareradio[J].IEEECommunicationsMagazine,1995,(5):55261.[8]COOKPG,BONSERW.Architetureoverviewofthespeakeasysystem[J].IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,1999,17(4):6502661.[9]BOSEV,ISMERTM,WELBORNM,etal.Virtualradio[J].IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,1999,17(4):5802601.图4FSK结构框图[10]曾克.基于多相滤波的宽带DDC及其FPGA实现[D].沈阳:东北大学电子信息工程学院,2005.[11]王诚.FPGA设计工具使用详解[M].北京:人民邮电出版社,2005.[12]卢继东.基于FPGA的无线接收机下变频器的设计与实现[D].沈阳:东北大学电子信息工程学院,2005.[13]WEPMAN.Analog2to2digitalconvertsandtheirapplicationsinradioreceiver[J].IEEECommunicationsMagazine,May,1995:39245.(下转第122页)图5FSK调制Modelsim仿真图·108· 第31卷电子测量技术航姿系统精度和实时性能够达到设计要求,并且便携、价廉,对导航系统在微小型领域的广泛使用具有实际意义。目前,该系统已交付某研究单位,作为某航姿系统投入装备。事实上,基于FPGA+DSP的专用导航计算机以其独特结构,依靠DSP的高速运算和FPGA丰富的接口资源,可以实现更为复杂的导航算法,运用于一些对导航系统性能要求更高的场合。这表明基于FPGA+DSP专用导航计算机可以在导航系统中推广应用。参考文献[1]翟建秦.基于DSP的小型捷联航姿系统的设计[D].西安:西北工业大学,2005.[2]杜亚玲,刘建业,等.基于DSP的小型捷联惯性航姿图5系统振动过程图系统研究[J].仪器仪表学报,2005,26:3652366.系统的动态漂移误差如下:航向角测量误差:0.8°/h,[3]常明飞,蒙建波.基于TMS3205410DSP和FPGA的高俯仰角测量误差:0.36°/h,横滚角测量误差:0.34°/h,以上性能捷联惯导数据处理系统的设计与实现[J].自动化仪器与仪表,2004,3:13215.参数均满足系统的精度要求。[4]李海洋,刘建业.基于FPGA的微小型导航计算机数从实验测试的各个数据来看,导航系统的性能指标基据采集系统设计[J].微计算机应用,2006,27:94297.本满足设计要求。为了满足更高精度的导航系统,可以很[5]ACEX1K.ProgrammableLogicDeviceFamily.ALTERA,方便的在算法中加入温度和安装误差补偿,完善卡尔曼滤DataSheet,2001,Ver.3.3.波器的设计,这样可以做大不改动硬件设计而进行系统升[6]简红清,马迎建,等.光纤陀螺油井测斜系统硬件研究级,提高导航精度,从而可以降低设计成本。及设计[J].中国惯性技术学报,2006,14(2):14217.5结论作者简介基于FPGA+DSP的小型捷联惯性导航系统应用了周益,男,1982年10月出生,北京航空航天大学光电自行研制开发的专用导航计算机,使系统脱离了通用计算技术研究所硕士研究生,主要研究方向为光纤陀螺惯性导机平台。该专用导航计算机减小了体积,降低了功耗,从航系统。而大大降低了系统的成本。本文针对导航计算机FPGA+E2mail:anyonezhou@263.comDSP硬件结构,设计并实现了可靠的程序实现流程。航姿系统的各种实验证明,基于FPGA+DSP的小型捷联惯性(上接第108页)夏宇闻,男,1946年出生,上海市人,教授,主要研究方向为数字逻辑设计,集成作者简介电路。任天同,男,1983年出生,甘肃省兰州E2mail:xyw46@263.net人,硕士研究生,主要研究方向为FPGA建模与仿真,微电子理论,集成电路设计。E2mail:rentiantong@gmail.com屈晓声,男,1966年出生,北京人,副教授,主要研究方向为半导体器件,光通信。E2mail:xiaosqu@163.com·122·