寬帶中頻軟件無(wú)線電的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

1、寬帶中頻軟件無(wú)線電的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)整體框架研究目的與意義研究方案與設(shè)計(jì)器件選擇功能仿真研究目的與意義 本設(shè)計(jì)將實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)與外界之間的通信，完成信號(hào)的解調(diào)、分析等功能。通過(guò)對(duì)第三代WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA通信系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)的研究，并且進(jìn)行比較，可以看到它們接收的中頻帶寬都不高，而且由于工作在不同的頻段，沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)能夠兼容這幾種移動(dòng)通信系統(tǒng)。 為了解決以上系統(tǒng)高性能、兼容性之間的矛盾，本系統(tǒng)不僅設(shè)計(jì)了可以兼容各個(gè)通信系統(tǒng)的帶寬，并可以作為今后4G通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參考。具體的性能指標(biāo)如下：硬件平臺(tái)的研究方案與設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇射頻全帶寬低通采樣軟件無(wú)線電射頻全帶寬低通采樣軟

2、件無(wú)線電結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)射頻直接帶通采樣軟件無(wú)線電射頻直接帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)寬帶中頻帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)寬帶中頻帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)射頻全帶寬低通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)真正實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化的無(wú)線通信，完全符合軟件無(wú)線電概念的定義，但由于受目前器件水平的限制，長(zhǎng)遠(yuǎn)看實(shí)現(xiàn)難度非常大。 射頻直接帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)對(duì)前置窄帶電調(diào)濾波器和A/D轉(zhuǎn)換器的性能都要求的非常高。 寬帶中頻帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)雖然寬帶中頻帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)不是最理想的結(jié)構(gòu)，但卻是現(xiàn)在軟件無(wú)線電技術(shù)中使用最廣泛的結(jié)構(gòu)。本軟件無(wú)線電系統(tǒng)選擇二次變頻的超外差結(jié)構(gòu)將射頻信號(hào)下變頻為基帶信號(hào)，采樣方式為寬帶中頻帶通采

3、樣，使系統(tǒng)在具有較高性能的同時(shí)易于物理實(shí)現(xiàn)，且有很大的靈活性。 硬件平臺(tái)選擇選用FPGA作為硬件平臺(tái)，它處理能力強(qiáng)、可配置性高，適于在軟件無(wú)線電系統(tǒng)中做高速數(shù)字信號(hào)處理。系統(tǒng)中，利用FPGA對(duì)數(shù)字中頻進(jìn)行處理和下變頻，很好的展現(xiàn)了軟件無(wú)線電靈活性和重置性。 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)搭建 子板結(jié)構(gòu)和功能 子板結(jié)構(gòu)和功能子板選用WBX，RF收發(fā)系統(tǒng)工作頻率：50-2200MHz噪聲系數(shù)：5-7 dB信道帶寬：40MHzIIP3： 5-10 dBmIIP2 ：40-55 dBm自動(dòng)增益控制范圍：70dB硬件平臺(tái)的母板上主要包括負(fù)責(zé)A/D轉(zhuǎn)換的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、負(fù)責(zé)數(shù)字中頻處理的FPGA和負(fù)責(zé)通信的RS232。 母版的

4、選擇與設(shè)計(jì)器件選擇與功能仿真 A/D轉(zhuǎn)換器的選型及設(shè)計(jì) A/D動(dòng)態(tài)性能分析采樣速率和分辨率采樣速率：模擬信號(hào)被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的速率，取決于A/D轉(zhuǎn)換器分辨率：模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)后的比特?cái)?shù)信噪比 310log2(2 )6.021.7610log(2 )2NssSNRfBNdBfB A/D動(dòng)態(tài)性能分析無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍SFDR：當(dāng)在A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端輸入一個(gè)正弦信號(hào)時(shí)，該正弦信號(hào)的功率除以在A/D轉(zhuǎn)換器輸出端信號(hào)頻譜的最大雜散信號(hào)峰值功率。孔徑誤差對(duì)一個(gè)動(dòng)態(tài)輸入的模擬信號(hào)來(lái)講，在A/D轉(zhuǎn)換器接通的孔徑時(shí)間里，所輸入的模擬信號(hào)的值是不確定的，所以會(huì)引起不確定的輸出誤差，這個(gè)不確定的輸出誤差就稱為孔

5、徑誤差。 A/D轉(zhuǎn)換器的性能比較與計(jì)算模擬中頻信號(hào)本身的中心頻率為70MHz，帶寬為20MHz，根據(jù)寬帶中頻帶通采樣定理(這里n=2)，可以得到所需要采樣頻率的大小，即：一般在A/D轉(zhuǎn)換器之前都有一個(gè)帶通濾波器，所以，也要考慮濾波器的矩形系數(shù)，設(shè)為 ，即采樣頻率應(yīng)滿足A/D轉(zhuǎn)換器的選型采樣率的確定高分辨率根據(jù) A/D 轉(zhuǎn)換器的接口特征選擇合適的輸出方式選擇動(dòng)態(tài)范圍大的A/D轉(zhuǎn)換器根據(jù)環(huán)境條件選擇A/D轉(zhuǎn)換芯片器件器件名稱名稱采樣采樣速率速率/MSPS轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換位數(shù)位數(shù)/b無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍/dB工作工作帶寬帶寬/MHz信噪比信噪比/dB生產(chǎn)生產(chǎn)廠商廠商AD964115514907809

6、0ADIADS5485200169074078TIADS5547210148580073.3TIADS54744001480144069.8TIADS5440210137950068.1TIADS54635001277230064.6TIAD66451051410027074ADIAD664065128025068ADIAD9430210128070065ADIAD9432105128070067ADIAD906075108017567ADI A/D轉(zhuǎn)換器的選型AD6645是一款高速率、高性能的單芯片模數(shù)轉(zhuǎn)換器。主要特點(diǎn)如下所示： 分辨位數(shù)為14bit 信噪比值為74dB 中頻采樣頻率高達(dá)20

7、0MHz采樣抖動(dòng)：0.1ps無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍為100dB 功耗小于1.5W A/D轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計(jì) AD6645與FPGA通信電路示意圖 A/D轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計(jì) AD6645差分輸入前端電路A/D轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計(jì) AD6645編碼差分輸入前端電路 FPGA的選型在選擇FPGA時(shí)，要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的資源大小來(lái)選擇FPGA芯片。為了更好的完成設(shè)計(jì)，應(yīng)從以下三個(gè)方面綜合考慮： 器件運(yùn)行的速度等級(jí) 器件的利用率 器件的價(jià)格 FPGA的選型 本設(shè)計(jì)研究的軟件無(wú)線電接收系統(tǒng)采用Altera公司推出的Cyclone II系列FPGA，型號(hào)為EP2C70F896C6，該型號(hào)FPGA的速度等級(jí)為C6，共有896個(gè)引

8、腳，I/O口622個(gè)，封裝為BGA的形式。Cyclone II系列FPGA不僅成本低，而且性能完全能夠滿足本系統(tǒng)的要求。其內(nèi)部含有定義好的IP核，在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以通過(guò)產(chǎn)生IP核的形式，來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中所需要完成的功能。 FPGA的選型特性特性說(shuō)說(shuō) 明明外部存儲(chǔ)器接口外部存儲(chǔ)器接口支持高級(jí)的外部存儲(chǔ)器接口，支持最高的數(shù)據(jù)速率可達(dá)到668Mbps。成本優(yōu)化的架構(gòu)成本優(yōu)化的架構(gòu)最低成本并且優(yōu)化的器件架構(gòu)，能提供邏輯單元(LE)多達(dá)68416個(gè)。時(shí)鐘管理時(shí)鐘管理共支持16個(gè)全局時(shí)鐘和4個(gè)具有可編程性的鎖相環(huán)(PLL)。嵌入式存儲(chǔ)器嵌入式存儲(chǔ)器內(nèi)部含有M4K存儲(chǔ)器模塊，嵌入式存儲(chǔ)器可達(dá)到1125Kbit，可

9、以靈活選擇先入先出(FIFO)緩存器、ROM、RAM、以及單/雙端口模式的操作模式。嵌入式乘法器嵌入式乘法器可提供150個(gè)1818bit乘法器，可以實(shí)現(xiàn)通用的DSP功能，例如，數(shù)控振蕩器、高效數(shù)字濾波器和有限沖擊響應(yīng)濾波器等。是實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用的低成本和最理想的器件。支持單端支持單端I/O支持平時(shí)系統(tǒng)中經(jīng)常使用的LVTTL、SSTL、HSTI、PCI等各種單端I/O接口標(biāo)準(zhǔn)。支持差分支持差分I/O支持各種差分信號(hào)的輸入輸出，主要可以包括LVDS、HSTI、SSTL、以及RSDS等I/O標(biāo)準(zhǔn)。其中LVDS差分I/O接收時(shí)可達(dá)到的最高數(shù)據(jù)速率為805Mbps。 A/D轉(zhuǎn)換器與FPGA的通信設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換器與FPGA之間采用單信道的通信方式，使中頻數(shù)字信號(hào)在信道中處理時(shí)，先與載波混頻搬移到零中頻，然后經(jīng)過(guò)濾波器組，抽取得到信道的數(shù)據(jù)流，即數(shù)字下變頻過(guò)程，整個(gè)數(shù)字下變頻的過(guò)程是通過(guò)FPGA軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，再對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理。 功能仿真 NCO結(jié)構(gòu)功能框圖 Matlab仿真混頻器信號(hào) NCO輸出的余弦載波頻譜 混頻器的RTL結(jié)