一種基于fpga和usb的上位機軟件無線電平臺的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于無線電通信領(lǐng)域的具體應(yīng)用，尤其涉及一種基于FPGA和USB的上位機軟件無線電平臺。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著時代的進步，各類通信網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)技術(shù)總在不斷發(fā)展更新，但人們總希望可以有一個能夠兼容多種頻段、調(diào)制方式、信道多址方式的硬件平臺，來確保不同通信系統(tǒng)間的無縫連接。軟件無線電，通過軟件編程的手段來完成系統(tǒng)通信的技術(shù)手段，是解決通信系統(tǒng)間連接問題最佳的方案。近年來，軟件無線電的技術(shù)在衛(wèi)星移動通信、陸地移動衛(wèi)星和全球通信上面得到了廣泛的應(yīng)用，成為數(shù)字移動通信中解決多種多平臺、多標準的系統(tǒng)間通信最佳實現(xiàn)方案。因此，對軟件無線電系統(tǒng)的研究具有了更加深遠的理論意義和更為迫切的價值需求。
[0003]為了完成不同種類信號間的數(shù)據(jù)處理工作，軟件無線電一般采用DSP處理器來對接收頻段、調(diào)制解調(diào)、濾波功能進行軟件編程實現(xiàn)，通過軟件設(shè)計的靈活性來保證整體通信的靈活性，但同時DSP處理器的本身的技術(shù)瓶頸(如硬件可升級性、運行速度、吞吐量、系統(tǒng)的可重構(gòu)配置性、總線結(jié)構(gòu)的可變性)也極大的影響著軟件無線電技術(shù)的發(fā)展。隨著FPGA工藝和集成度上的高速發(fā)展，F(xiàn)PGA芯片可以很容易的在片內(nèi)實現(xiàn)高度并行的運算，速度大大高于目前常用的DSP器件，新技術(shù)下涌現(xiàn)了多IP核的技術(shù)來用于支撐FPGA的多元化使用，例如數(shù)據(jù)存儲、信號濾波。FPGA芯片不僅可以滿足數(shù)字信號處理系統(tǒng)對功能和效率的要求，而且覆蓋極大的中頻采樣范圍，所以FPGA極為適合應(yīng)用于軟件無線電領(lǐng)域，從而解決了軟件無線電技術(shù)中DPS處理器性能不佳的瓶頸。
[0004]為了使軟件無線電系統(tǒng)能夠得到最大程度的系統(tǒng)處理能力，并更多的利用軟件來實現(xiàn)通信功能，節(jié)約設(shè)計成本，本發(fā)明采用FPGA作為系統(tǒng)的主芯片，配合AD9862模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片完成硬件平臺的搭建。該系統(tǒng)包括實現(xiàn)RF前端的子板和母板，母板上包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、FPGA模塊和可編程的USB控制模塊。在硬件平臺基礎(chǔ)上，對FPGA編程實現(xiàn)數(shù)字下變頻、抽樣的高速通用操作，控制USB2.0接口，將信號傳送至上位機，在上位機上完成波形相關(guān)的處理。該系統(tǒng)能夠滿足多標準通信的要求，從根本上提高了硬件系統(tǒng)的通用性與可擴展性，從而極大的降低了成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對當前軟件無線電技術(shù)中存在的問題，結(jié)合軟件無線電系統(tǒng)的具體應(yīng)用，設(shè)計了一種基于FPGA和USB的上位機軟件無線電平臺。本發(fā)明的目的在于，提供一種簡單廉價且性能穩(wěn)定的上位機軟件無線電平臺。
[0006]為了實現(xiàn)上述系統(tǒng)，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:
一種基于FPGA和USB的上位機軟件無線電平臺，其特征在于該系統(tǒng)由母板、子板、收發(fā)天線、PC機以及SPI控制總線組成，其中母板包括:A/D轉(zhuǎn)換模塊、FPGA模塊、USB控制模塊；首先，由兩套天線捕捉空中的射頻信號，分別在對應(yīng)的2塊子板上實現(xiàn)射頻信號的模擬下變頻，得到模擬中頻信號，然后通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬中頻轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻，進入數(shù)字域，在FPGA模塊上進行數(shù)字中頻處理，實現(xiàn)數(shù)字下變頻功能，即將數(shù)字信號從中頻搬移到基帶，同時完成信號的抽取濾波，使數(shù)據(jù)速率降低到通用處理器可以處理的范圍，適合USB傳輸，進一步將低數(shù)據(jù)率的基帶信號在USB控制模塊的作用下傳送至PC機進行信號的編譯碼和FFT變換。
[0007]在該軟件無線電系統(tǒng)中，母板用于完成中頻信號采樣和數(shù)字下變頻；子板與SPI控制總線雙向連接，用于完成射頻信號的接收和將射頻信號轉(zhuǎn)換為中頻信號；FPGA模塊與USB控制模塊通過GPIF接口雙向相連，用于將下變頻后的數(shù)據(jù)傳入USB控制模塊，繼而將數(shù)據(jù)傳輸至PC機進行信號處理；A/D轉(zhuǎn)換模塊和FPGA模塊之間采用并行數(shù)據(jù)線雙向連接，用于信號的A/D轉(zhuǎn)換；USB控制模塊通過SPI接口與A/D轉(zhuǎn)換模塊連接，并對A/D轉(zhuǎn)換模塊進行配置和運行控制；PC機與子板和母板之間通過SPI接口雙向連接，用于運行系統(tǒng)軟件并完成相關(guān)的波形處理。
[0008]在該軟件無線電系統(tǒng)中，所述母板包括:A/D轉(zhuǎn)換模塊、FPGA模塊、USB控制模塊，該母板用于完成中頻信號采樣和數(shù)字下變頻；其中，所述A/D轉(zhuǎn)換模塊選用ADI公司的AD9862芯片，AD9862芯片和FPGA之間采用并行的數(shù)據(jù)線進行連接，接收時子板上對射頻信號進行下變頻得到中頻信號，并進行單端轉(zhuǎn)差分操作，最后將子板輸出的差分信號通過到VIN+A和VIN-A管腳送至芯片內(nèi)部，A/D采樣后12位數(shù)據(jù)通過并行數(shù)據(jù)線送給FPGA進行數(shù)據(jù)處理，此外，AD9862芯片與USB控制模塊通過SPI接口相連，USB控制模塊通過SPI接口對AD9862進行配置和運行控制；所述FPGA模塊選用Xilinx公司的Spartan6系列的XC6SLX75T芯片，F(xiàn)PGA模塊與USB控制模塊通過GPIF接口相連，用于將下變頻后的數(shù)據(jù)傳入USB控制模塊，繼而將數(shù)據(jù)傳輸至PC機做進行信號處理。此外，F(xiàn)PGA與USB控制模塊還通過SPI總線相連，USB控制模塊通過SPI接口對FPGA進行配置；所述USB控制模塊選用賽普拉斯公司生產(chǎn)的EZ-USB FX2芯片，F(xiàn)X2芯片內(nèi)部有多個通用I/O接口與外部進行連接，在該系統(tǒng)中，F(xiàn)X2芯片選擇GPIF模式與外部接口相連，該模塊用于同系統(tǒng)的其他模塊之間進行連接和數(shù)據(jù)交換。
[0009]在該軟件無線電系統(tǒng)中，所述子板選用RFX2400，收發(fā)帶寬為30MHz，自動增益控制的范圍為70dB，具有50mW的發(fā)送功率，覆蓋從2.3GHz到2.9GHz范圍，所述子板通過16位數(shù)字輸入輸出線可對天線和開關(guān)及外設(shè)進行控制。
[0010]在該軟件無線電系統(tǒng)中，所述收發(fā)天線用于實現(xiàn)信號的接收和發(fā)送；所述PC機用于運行系統(tǒng)軟件并完成相關(guān)的波形處理；所述SPI控制總線用于系統(tǒng)各模塊之間的通訊和數(shù)據(jù)交換。
[0011]在該軟件無線電系統(tǒng)中，系統(tǒng)在實現(xiàn)中頻信號的數(shù)字下變頻過程中采用多級濾波器級聯(lián)的結(jié)構(gòu)，在實現(xiàn)過程中，通過Cic濾波器、補償濾波器和兩級HB濾波器構(gòu)成四級級的聯(lián)抽取濾波器，其中CIC濾波器為16倍降采樣，其他濾波器均為2倍降采樣，整個級聯(lián)結(jié)構(gòu)共實現(xiàn)128倍抽取，分散了過渡帶的負擔，進而降低了各級的計算復(fù)雜度。
[0012]本發(fā)明的有益效果是:
一種基于FPGA和USB的上位機軟件無線電平臺，其特征在于，該系統(tǒng)由母板、子板、收發(fā)天線、PC機以及SPI控制總線組成，其中母板包括:A/D轉(zhuǎn)換模塊、FPGA模塊、USB控制模塊；所述的一種基于FPGA和USB的上位機軟件無線電平臺，為了使軟件無線電系統(tǒng)能夠得到最大程度的系統(tǒng)處理能力，并更多的利用軟件來實現(xiàn)通信功能，本發(fā)明采用FPGA作為系統(tǒng)的主芯片，配合AD9862模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片完成硬件平臺的搭建。該系統(tǒng)包括實現(xiàn)RF前端的子板和母板，母板上包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、FPGA模塊和可編程的USB控制模塊。在硬件平臺基礎(chǔ)上，對FPGA編程實現(xiàn)數(shù)字下變頻、抽樣的高速通用操作，控制USB2.0接口，將信號傳送至上位機，在上位機上完成波形相關(guān)的處理。該系統(tǒng)能夠滿足多標準通信的要求，從根本上提高了硬件系統(tǒng)的通用性與可擴展性，從而極大的降低了成本。
【附圖說明】
[0013]以下結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的解釋說明。
[0014]圖1是上位機軟件無線電平臺總體框架圖；
圖2是FPGA模塊的部分硬件電路圖；
圖3是A/D轉(zhuǎn)換模塊的部分硬件連接圖；
圖4是EZ-USB FX2芯片架構(gòu)圖；
圖5是抽取濾波器的總體結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0015]本發(fā)明的【具體實施方式】為:所述的一種基于FPGA和USB的上位機軟件無線電平臺，首先，由兩套天線捕捉空中的射頻信號，分別在對應(yīng)的2塊子板上實現(xiàn)射頻信號的模擬下變頻，得到模擬中頻信號，然后通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬中頻轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻，進入數(shù)字域，在FPGA模塊上進行數(shù)字中頻處理，實現(xiàn)數(shù)字下變頻功能，即將數(shù)字信號從中頻搬移到基帶，同時完成信號的抽取濾波，使數(shù)據(jù)速率降低到通用處理器可以處理的范圍，適合USB傳輸，進一步將低數(shù)據(jù)率的基帶信號在USB控制模塊的作用下傳送至PC機進行信號的編譯碼和FFT變換。
[0016]圖1是上位機軟件無線電平臺總體框架圖，該系統(tǒng)由母板、子板、收發(fā)天線、PC機以及SPI控制總線構(gòu)成；其中，母板包括:A/D轉(zhuǎn)換模塊、FPGA模塊、USB控