基于AD9361的无线电通信应用分析

2022-08-26 10:38李珊珊国营芜湖机械厂
航空维修与工程 2022年8期
关键词:信号源基带滤波器

■ 李珊珊/国营芜湖机械厂

软件无线电的出现解决了传统通信技术中因以硬件为主导致的不灵活、体积大、设计复杂等难题,以软件替代硬件功能的方式,为通信领域的技术发展带来了一次具有跨时代意义的革命。AD9361射频捷变收发器作为一款面向多种可编程无线电应用的专用芯片,因在性能、集成度、宽带性能和灵活性等方面的领先优势,已在多类设备中得到广泛应用。本文以AD9361射频捷变收发器作为无线电通信核心的应用场所,介绍一种通过上位机发送控制命令给FPGA进而控制AD9361的无线电通信平台的设计思路。

1 AD9361工作原理

AD9361射频捷变收发器是一款具有高性能、高集成度、良好的可编程性和宽带能力的芯片,器件中集成了模数转换器、数模转换器、混合信号的基带部分、射频前端、频率合成器和直接变频接收器,使设计简单可行。AD9361工作在70MHz~6.0GHz频段,涵盖了大部分特许执照和免执照频段,支持200kHz~56MHz的通道带宽。器件含有两路独立的发送器和接收器,每个接收器具备自动增益控制、直流失调校正、正交校正和数字滤波功能。

1.1 接收器

接收器负责射频信号的接收,并将射频信号转换成基带处理器可使用的数字信号。通过低噪声放大器、混频器、跨阻放大器、单级低通滤波器、三阶巴特沃斯低通滤波器、模数转换器、半代滤波器和可编程多相FIR滤波器,将接收到的射频信号下变频为IQ两路基带信号。在此过程中,还可利用AD9361的ACG功能进行自动/手动增益调整。

1.2 发射器

发射器负责将基带处理器产生的数字信号转换为射频信号,并将信号送至端口发射。基带数字信号在经过可编程FIR滤波器和多个插值滤波器后,完成额外滤波和数据速率差值处理;随后,利用数模转换器,将IQ两路基带数字信号转换为基带模拟信号;再通过上变频混频器调至射频信号。发射通道的自校准功能可实时自动调整这一过程。

1.3 频率合成器

2 AD9361的典型应用

2.1 AD9361在无线通信数字中继器中的应用

1)设计思路

针对广播信号采用光纤传输方式导致成本高、周期长且布线受限等问题,唐俊、范红等人提出一种基于SoC和AD9361的无线数字中继传输系统,实现了调频广播信号的接收、转化处理和再发射,且片上系统的使用增加了该系统的可重构性。

该系统框图如图1所示(引用自参考文献[5]),由AD9361板卡ADFMCOMMS3、ZYNQ-7000片上系统平台组成,AD9361板卡通过FMC与系统平台连接,系统平台采用FPGA+ARM架构,中间通过AXI总线互相通信,AD9361板卡主要实现数字上下变频功能。数字下变频过程首先通过AD9361的接收器完成调频广播信号的接收,再通过滤波、混频等操作降至中频信号,最后利用A/D转换器和数字滤波器获得待处理的数字信号,传入数字处理部分。数字上变频过程是将数字处理部分输出的基带数字信号经过滤波和差值处理后,利用数字振荡器实现数字上变频,最后通过D/A转换器和放大器实现信号发射。

图1 无线数字中继传输系统框图

2)应用效果

该系统通过收发信机和频谱分析仪构成的测试环境对应用效果进行了验证。测试结果表明,该系统完成了87~108MHz的所有调频广播信号的搬移,实现了对广播信号的接收、处理和再发射。该系统采用的处理方法,相较于传统模拟电路的实现方式,在灵活性和通用性方面具有更好的性能。

2.2 AD9361在ADS-B多目标信号源中的应用

1)设计思路

针对ADS-B系统测试时传统方法采用的信号源无法实现射频域多目标模拟的问题,王杰提出一种基于AD9361的ADS-B多目标信号源设计方法,通过对多路射频信号的独立模拟和同步合成,实现了对ADS-B系统的多目标处理能力的测试,信号源设备的体积和功耗也得到了有效降低。

教师是教育学生最直接的人,教师为了满足以上种种需求,就要想办法提升学生成绩。但是,大部分教师的思想观念比较传统,提升学生成绩采用的方式比较单一。思想传统导致教师只是一味地追求成绩,以成绩优劣作为衡量学生优秀与否的标准。教学方式单一,导致教师只会采用应试教学的方式,增加作业量,实行题海战术提升学生成绩。这些问题都使学生课业负担过重。

该方法实现原理如图2所示(引用自参考文献[7]),组成部分包括控制模块、目标基带信号生成模块、AD9361芯片、矩阵开关、合路器和功放选择器。其中,控制模块用于产生目标经纬度、高度、航向等编码信息和距离信息,并控制矩阵开关、AD9361和功放的工作;目标基带信号生成模块用于将控制模块产生的目标信息转化为目标基带信号;AD9361芯片用于完成目标基带信号的上变频;矩阵开关用于在目标信号中根据用户需求选择需要模拟的目标信号源;合成器用于各目标信号源的合成;功放用于合成后信号源的放大和射频输出。

图2 基于AD9361的多目标合成实现原理图

2)应用效果

该系统通过Matlab仿真分析和FPGA真实采集的中频信号验证了多目标信号源的合成效果。仿真分析结果表明,目标源之间的距离较近时,合成后的部分同步头和部分相邻码片存在重叠;目标源之间的距离足够近且目标源路数为4时,可测试ADS-B系统的解交织效果。

2.3 AD9361在弹载一体化射频前端中的应用

1)设计思路

针对传统弹载遥测装置功耗大、集成度低和通用性差等问题,朱童、艾冬生等人提出一种基于AD9361芯片的弹载一体化射频前端,利用AD9361的数字变频功能,再加入低噪放大器和功率放大器,实现转换射频信号与基带信号的功能,可满足灵敏度和作用距离等指标要求。

该系统框图如图3所示(引用自参考文献[8]),由射频收发前端和基带信号处理板两部分组成。射频收发前端被设计为射频发射和射频接收链路前端共用,基带信号处理板集成了发射链路的射频参数设置和接收链路的中频数字化功能。基带信号处理板采用FPGA架构和AD9361芯片,一方面将天线接收到的射频信号经AD9361转换后送入FPGA处理,另一方面将FPGA采集到的数据通过AD9361转换后发射出去。

图3 基于AD9361的弹载一体化射频前端收发器构成

2)应用效果

该系统利用信号发生器、频谱仪、直流稳压电源等标准仪器搭建了测试验证环境,对该系统接收通道灵敏度、发射通道最大发射和功耗进行了测试。测试结果表明,灵敏度和测试指标均满足指标要求,相较于传统弹载设备,采用本射频前端的弹载设备的体积、重量、功耗分别降低了86.5%、58.3%、7.6%。

3 基于AD9361的通信平台设计方法

3.1 硬件设计

基于AD9361的通信硬件平台主要包括处理器平台和以AD9361为核心的射频收发模块两部分。其中,处理器采用成熟的Xilinx ZC702平台,包括以ARM为核心的PS部分和以FPGA为核心的PL部分,Xilinx ZC702通过与AD9361收发模块互联,实现发送信号生成、接收信号处理等功能,总体框图如图4所示。

图4 AD9361的通信硬件平台总体框架

3.2 软件设计

PL层软件设计采用硬件设计语言,利用Xilinx公司VIVADO开发环境,调用Xilinx ZC702开发平台下PL设计工程,通过修改的方式完成,具体步骤如下:

1)修改DDR相关的配置,按照平台硬件配置DDR,包括与PCB布线有关的DDR时序。

2)配置IO口,根据硬件电路IO口的电源电压进行对应修改,主要包括将BANK0改成3.3V接口电压;SPI0和SPI1使用PL的EMIO接口;根据AD9361模块原理修改FPGA的引脚约束文件,以确保引脚连接关系的正确性。

3)最后执行编译工程,生成下载文件并下载到FPGA中。

PS层的软件设计采用非操作系统方式,main函数是整个程序的入口函数,主要包括以下文件:

1)ad9361.c/.h:AD9361的驱动文件;

2)ad9361_api.c/.h:AD9361应 用编程接口驱动文件,如AD9361的初始化函数;

3)config.h:AD9361和AD9361 API的配置文件;

4)main.c:软件设计的主体部分。

软件主函数的程序流程图如图5所示,主要包括DAC模块初始化函数和ADC数据捕获函数两个部分。DAC模块初始化函数主要包括寄存器初始化、接收滤波器和发送滤波器的初始化,同时负责DMA传输,即将DDR中的数据送给AD9361。ADC数据捕获函数主要包括数据单位转换、DMA配置部分和判断部分,负责DMA传输数据到DDR中。通过以上两个函数可实现射频信号的收发。

图5 软件开发主流程图

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