基于软件无线电的小型化MIMO无线传输系统设计与应用

艾散·帕合提

（新疆工程学院信息工程学院通信教研室 新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830023）

近年来，我国科技高速发展，在无线通信技术的发展过程中，无线通信制式逐渐呈现出多样化、复杂化的特点与趋势，通信设备呈现出集成化、高速化、高可靠性的发展趋势，在传统技术背景下，无线电设备的硬件存在可重构性差、复用率低等劣势，无法满足无线通信环境下的要求。软件无线电技术（Software Defined Radio,SDR）属于一种新型的通信系统架构，将其应用于无人机通信领域具有较强的应用优势，同时，MIMO系统在实践中也能够提升无线传输的通信性能，因此，将上述技术应用于小型旋翼无人机无线通信领域具有一定现实意义。

1 相关理论基础

1.1 软件无线电及其系统结构

软件无线电技术（Software Defined Radio，SDR）属于一种新型的通信系统架构，能够将拓展性较强的通用硬件平台、可升级重构动态软件进行有效结合，其核心思想为，宽带A/D、D/A应当尽可能接近宽带射频天线，在实践中主要具备以下三种技术特征：

（1）可重构性。即能够通过运行软件完成对软件、硬件功能的重构。

（2）较强的灵活性。即能够为新通信技术提供更加灵活的技术支持。

（3）模块化特征。仅能够通过增删改软硬件模块的方式对技术功能进行改进[1]。

软件无线电系统主要结构包括模拟射频前端、高速ADC、DAC 和高速数字信号处理单元三个主要部分。在实践中，ADC 转换芯片、基带处理器等性能存在一定限制，对射频信号进行直接抽样处理的理想化结构无法在现实工作情境中实现，总之，在当前技术背景下，按照ADC、DAC 抽样形式以及信号处理类型，主要包括射频低通抽样、射频带通抽样、宽带中频抽样三种主要结构。

1.2 MIMO收发技术

多收多发（MIMO）技术也是当前通信领域应用较为普遍的一种技术形式，该技术通过在无线通信发射端、接收端配置多对天线传输信号，利用多天线实现相同信息的发送，进而提升通信的安全可靠性。与传统技术背景下的单天线系统相比，多收多发（MIMO）技术在相同带宽、发射频率的基础上，显著增加了信道容量以及信号传输速率，同时，整个系统的抗噪性也得到了较为显著的提升，综合来看，无线传输的通信性能得到了显著提升[2]。

2 基于软件无线电的小型化MIMO收发系统硬件设计

硬件平台是收发系统功能能够得以充分发挥的重要基础，因此，提升硬件平台的功能对于基于软件无线电的小型化MIMO 收发系统功能实现而言具有十分重要的价值与意义，在实践中，该收发系统的硬件平台内容相当多，由于篇幅限制，本文在对硬件平台整体结构设计的基础上，对其中几种重要部分的硬件设计情况进行深入分析。

2.1 硬件平台设计结构

硬件平台尺寸设计为20cm×15cm×5cm 的小型化平台，其目的在于满足无人机平台的架设需求。采用独立的8 收8 发射频通道。硬件系统主要包括数字处理模块、射频模块、时钟与复位电路、电源系统等模块组成[3]。

对硬件平台不同模块的预设器材及其性能特征进行简要阐述：

（1）数字处理模块，在本次设计过程中，决定采用ZYNQ-7100 SOC 芯片为整个系统的核心单元，其功能为对数据进行处理与传输。

（2）射频模块。射频模块采用四片GC0801 无线收发芯片，构成8 收8 发的MIMO 收发结构，GC0801是一款高性能、高集成度的超宽带SDR 收发机。可广泛应用于几乎所有现代化数字无线通信系统。能够支持的频率范围为30MHz 到6GHz，可配置射频带宽能够支持小于200KHz 到60MHz 的范围。

（3）数据存储模块。该结构选择采用两个DDR3内存构成，其内存大小为512MB 即可，其基本功能为对数字信号处理以及相关功能提供必要的空间支持。

（4）对外数字接口模块。选择标准转接口，应当能够实现多组串口转RS-422、RS-485，实现数据转接功能。

（5）电源系统。选择DC-DC 电源组合，电源的功能为，对外部电压进行适当转换，使其能够满足硬件平台内部其他各个构件的使用需求[4]。

2.2 数字部分电路设计

2.2.1 数字处理模块设计

数字处理模块是该系统硬件平台的核心结构，其不仅需要作为数字信号处理单元对数据进行有效处理，还承担着数字接口资源供应、系统管理控制等重要功能，因此，数字处理模块对于整个系统的功能实现具有十分重要的价值与意义。结合实际功能需求，笔者决定选择采用ZYNQ-7000 系列芯片中的XC7Z045FFG676 型号，该型号芯片的特点包括：双核处理器、主频为667 MHz(-1)800 MHz(-2)1 GHz(-3)、片上内存为256KB、等效7 系列为Kintex-7、FPGA 类型、Block RAM 为19.2Mb、LUT 为218600、PS I/O 为128、HR I/O 为100、HP/I/O 为150。与其他型号的芯片相比，该型号的芯片具备较为明显的技术优势。

2.2.2 数据存储模块设计

ZYNQ-7100 内部就存在DDR 控制器，能够实现对DDR3 存储器的访问，实现数据存储，本文选择的DDR3 存储器型号为 MT41J128M16HA-125，大小为512MB，为了满足功能需求，选择采用两个DDR3 存储器并联的方式提供存储空间[5]。

2.2.3 对外数字接口

本系统中的对外数字接口包括千兆以太网，采用的接口协议为GMII、RGMII，本设计采用ZYNQ PS 端的千兆以太网控制器、MAC 内核，通过芯片进行连接。还包括RS-422、RS-485 标准串行通信接口，这两类接口针对的是UART 的两种标准协议，接口电路设计包括两个部分，在PS 端，内部的两组UART 外设接口通过MIO 选择映射为固定引脚，其中TX、RX 的引脚按组固定，内部存在协议转换电路。

2.3 射频部分电路设计

射频部分电路也是非常重要的，在本系统中，射频部分设计包括射频收发器、巴伦电路，射频收发器的型号为GC0801，数量为4。运行逻辑为，在SMA 射频接口前端传输，送出数字基站信号在GC0801 内部完成插值滤波等，输出射频信号。接收链路的运行逻辑为，输入信号通过低噪音放大等操作，将信号转化为数字信号进行输出[6]。

为了保证其射频性能，本次使用巴伦电路对电路进行设计，以保证在3GHz 以上的接收性能。图1 为射频部分电路。

图1：射频部分电路

2.4 系统电源部分硬件设计

系统电源能够为整个系统提供必要的动力支持，是整个系统正常运行的重要前提条件，其具体设计思路如下。

首先，需要对整个系统的供电需求进行分析，结合具体情况，本系统的主要模块电源类型如下：

（1）0.75V 电压类型。主要功能模块为DDR3 内存，电源需求为VTT、VREF。

（2）1.0V 电压类型。主要功能模块为ZYNQ、PHY，电源需求分别为VINT、VDD。

（3）1.3V 电压类型。主要功能模块为AD9361，电源需求为VDDA。

（4）1.5V 电压类型。主要功能模块为DDR3 内存，电源需求为VTT、VDDQ。

（5）1.8V 电压类型。主要功能模块为ZYNQ、GC0801、PHY，其中，ZYNQ 的电源需求为VAUX、VPLL、VMIO，另外两个的电源需求分别为VDDINTERFACE、VDDO。

主要包括：一是针对地下水监测网络不完善、监测技术落后等问题，明确省人民政府水行政主管部门在组织建设地下水监测站网中的职责，完善地下水监测体系，实现水量、水位等监测信息的采集、传输、处理、储存和应用；二是围绕提高地下水取用水管理科学化、信息化水平，保证取水计划和水资源费征收管理制度的落实，明确重点地下水取用水户安装自动监测设备义务，保证重点取用水户监测设备与水行政主管部门的监测设备联网，实现对重点地下水取用水户实时监管；三是围绕强化监测成果在地下水管理中运用的法律地位，明确对地下水取用水总量或者地下水水位接近、达到或者超过控制指标的地区，在取用地下水方面应当采取的具体措施。

（6）2.5V 电压类型。主要功能模块为ZYNQ，电源需求为VCCO。

（7）3.3V 电压类型。主要功能模块为ZYNQ、GC0801、PHY，电源需求分别为VMIO、VDDGPO、VDDAR。

根据上述内容，本次电源供电按照内核供电、辅助电压、接口电压的顺序进行设计，同时，为了保证系统稳定性，决定采用LDO、DC-DC 结合的方式进行电源系统设计。

2.5 PCB部分硬件设计

PBC 是整个系统的核心功能模块，是整个系统能够正常运行的重要前提条件，其具体设计思路如下。首先，应当以功能模块为布局单位，确定各模块的核心器件，每个模块的内器件应当围绕核心器件进行摆放，具体方法为集中-分散式，尽量保证结构紧凑。其次，相关技术应当对电源模块、数字电路、模拟电路之间的间距进行有效控制，三者之间应当预留空隙，保证彼此之间不会产生信号干扰情况，内存选择T 点布局方式，相对于ZYNQ 所连管脚两片电源位置对称，其他结构设备应当严格按照相关标准进行布局，一般为芯片手册。最后，相关技术人员应当对插接件布局进行控制，一般应当统一靠近板边，在实践中，射频SMA 接口数量通常相对较多，为了便于使用，应当对这些接口朝向进行统一摆放。

同时，层叠布线也是硬件设计的核心内容，相关技术人员应当结合差分、单端阻抗、参考层选取信号层临近的底层与电源层，综合上述内容进行准确计算，并根据计算结果进行PCB 计算，布线工作是非常重要的。在此过程中，相关技术人员应当着重注意，应当严格遵循分组、等长约束等原则，以此来保证整个系统能够正常运行。其次，电源输入输出主干道应当采用铺铜处理方式，只有这样才能使其满足过大电流的基本要求。再次，差分线对内控制应当遵循等长原则，同时为了保障系统功能正常实现，应当采取弧形走线的方式进行处理。最后，在整个设计过程中，打孔环节应当尽量采用通孔方式，这种方式不仅便于加工，也便于后期调试工作的正常开展。

3 基于软件无线电的小型化MIMO收发系统软件设计

在硬件平台的基础上，开发ZYNQ 软件是实现数据传输的重要方案，程序按照具体功能划分为数字信号处理软件以及控制软件，分别对应可编程逻辑部分以及处理器系统部分。

3.1 可编程逻辑部分架构

在可编程逻辑部分，软件设计的目的在于实现基带数字信号处理，在实践中可以分为对外数据收发、调制、解调等部分。

可编程逻辑部分的各个模块分别实现以下功能：

（1）对外数据收发模块。主要实现数据内外收发功能，例如，在数据发送方向，数据以数据帧的形式发送到调制模块。

（2）数字调制与调节模块。实现调制解调，设计频率、相位可调的DDS 模块产生载波信号，将基带信号分I/Q 两路调制后送入下一级。

（3）GC0801 系带接口逻辑按数据发送方向、数据接收方向存在一定差异，其中，在数据接收方向，采样数字信号，按收发模式格式分组，按照I/Q 两路基带信号送入解调模块，对SPI、GPIO 控制接口逻辑。

（4）PS-PL 接口逻辑。实现双方的数据传输。

（5）时钟模块。直接影响收发数据处理[7]。

例如，在PS-PL 接口逻辑模块，其逻辑为，PS 端被封装成一个Processing System IP 模块，该模块与外部的链接达成逻辑设计实现整合。AXI 协议将读数据、写数据、读地址、写地址等内容分为多线并行通道，其连接的两端设备分别为主器件、从器件，AXI 互联实现主器件到从器件的链接，这种互联逻辑支持接口通信的顺利完成，并进一步推动总线上传输时序转换、仲裁通信等操作。

3.2 处理器系统部分程序

GC0801 的软件可配置功能较为强大，本部分程序设计基于No-os 的官方软件驱动平台，通过官方提供的API 函数隐藏实际寄存器控制细节实现接口逻辑模式的控制。使用GC0801 官方配置软件能够实现对参数的配置以及初始化设置，在本文中，该软件均工作在FDD、IRIT 模式，参考时钟选取40MHz。

4 结论

纵观全文，当前，小型旋翼无人机在实践中能够发挥出十分出色的技术与作用，但是在使用过程中仍旧存在一定的技术缺陷，在此基础上，本文结合软件无线电技术、MIMO 系统以及无人机数据链通信，设计并实现了一个基于软件无线电的小型化MIMO 收发系统，并在文中对该系统的硬件部分、软件部分分别进行了深入分析。其中，在硬件设计方面，笔者充分结合了无人机平台小型化的特点，设计了体积小、功能强大的硬件系统。在软件设计方面，笔者设计了三片GC0801 均初始化成功的软件平台，并对通信过程进行了深入分析。通过本文的研究可知，基于软件无线电的小型化MIMO收发系统确实存在一定的研究价值，相关单位可以适当参考本文的研究内容，进一步探讨软件无线电技术、MIMO 收发技术在小型无人机方面的应用策略，以期提升无人机的功能与价值。