基于ADRV9009 的便携式测控数传测试设备设计

张德智,李金龙,宋兆涵

(中国运载火箭技术研究院,北京 100076)

1 引言

测控数传测试设备是飞行器测控通信测试系统和整器测试系统的重要组成部分,除完成分系统通信功能和链路指标测试验证外,还承担整器大型地面试验过程中遥测数传数据获取以及指令上注等功能。地面测试设备已经在向标准化、集成化、智能化和体系化方向发展[1],以PXI 总线和VPX 总线架构为代表的通用测控数传基带设备已经成为型号测试的主力设备,上述设备虽然功能齐全、性能可靠,但存在着设备尺寸大、重量重、耗电大及转场、转运不灵活的问题,导致外场测试使用困难。因此有必要研究结构轻巧的便携式测控数传测试设备,在具有传统设备功能的同时,更具有便捷性和重构性,能够承担复杂环境下的飞行器外场测试任务[2]。

近年来,随着现代集成电路技术的发展和数字信号处理技术的应用,以Analog Devices(AD)公司AD9371/AD9375 系列芯片和新推出的ADRV9009 为代表的数字捷变频芯片大量出现,这类芯片成本低、体积小、结构简单、性能先进、设计高度集成化,已在通信和雷达系统中得到了大量应用[3,4]。因此,采用基于ADRV9009 的捷变频设计形式,将传统测控数传测试设备分立设计的信号放大、滤波、变频、基带采样、信号抽取等环节合并至一片ADRV9009 芯片中[5],实现了设备的高度集成化和小型化设计。

2 系统架构设计

2.1 设计需求分析

根据任务需要,本测试设备产生1 路上行遥控信号和3 路测量信号,共用点频f1使用码分多址方式进行区分,具有遥控自闭环功能,可对发出的遥控信号进行一致性比对;接收1 路下行遥测信号和1 路测量信号,共用点频f2使用码分多址方式进行区分,具有遥测模拟源功能进行遥测通道闭环检测;接收1 路下行数传信号,使用点频f3,具有数传模拟源功能进行数传通道闭环检测。遥测、遥控信号带宽为20 MHz,数据速率不大于16 kbps,数传信号码速率为2.048 Mbps,遥测与数传分时工作,设备与飞行器外场无线通信距离不低于2 km。

2.2 架构设计

针对上述需求,采用Zynq7100+ADRV9009 的软硬件结合设计方案,由Xilinx 公司的Zynq7100 系列SoC(Xc7z100ffg900-2)做信号处理平台,AD 公司的ADRV9009 实现无线信号的收发调节和数据采样。

Zynq7100 系列SoC 由可编程逻辑(Programmable Logic,PL)系统以及处理器系统(Processing System,PS)紧密结合而成,满足嵌入式系统灵活性更高、可配置性更高、功耗更低、运行效率更高的使用需求[6]。PL 部分提供足够的FPGA 设计资源进行逻辑开发,采用HDL(Hardware Description Language)语言实现数据的调制、解调、编码等物理层协议;PS部分由Zynq7100 的双核ARM 作为CPU,运行用户C/C++语言编写的嵌入式软件[7],完成软件接口、底层驱动与功能配置开发,实现对外设芯片的配置及对外网络通信。

2.3 器件主要参数

ADRV9009 芯片支持双通道收发,收发通道共用点频,最大采样率为491.52 Msps,最大接收带宽为200 MHz,最大可调谐发射器合成带宽为450 MHz,调谐范围为75～6 000 MHz,同时器件拥有自动和手动衰减控制、直流失调校正、正交误差校正(QEC)和数字滤波功能[8],采样率、带宽等性能参数符合使用要求,且预留了后续更高速率数传的升级空间。根据任务需求,需要使用两片ADRV9009 芯片,一片作为遥控和3 路测量信号的发射及自闭环接收;一片作为遥测和1 路测量信号的接收及遥测模拟源发射,同时分时复用接收数传信号产生数传模拟源。

Zynq7100 系列SoC 的PS 核心是主频800 MHz的双核ARM(CortexA9)处理器系统,可支持DDR3、串口、SPI、SD Card、USB 2.0、Ethernet 等多种外设,可通过AXI4 协议实现PS 与PL 之间的高速数据交互。PL 系统逻辑资源如表1 所示,具有丰富的LUT(查找表)、DSP(数字信号处理)和MMCM(时钟管理)资源,GTXE(高速传输接口)收发速度可达12.5 Gbps,可满足本任务使用要求。

表1 Zynq7100 系列PL 资源Tab.1 PL resources of Zynq7100 series

2.4 链路复核

ADRV9009 芯片最大输出功率Pout=10 dBm,前端巴伦损耗Gloss=2 dB,发射端可调衰减范围Atten=(0～30) dB,接收端最大容忍电平Pglmax=-11 dBm,接收噪声系数Nf=13 dB,接收端可调衰减范围为0～45 dB。地面发射天线增益Gtg=5 dB,地面接收天线增益Grg=5 dB。飞行器上发射EIRP(Equivalent Isotropically Radiated Power)为35 dBm,接收机灵敏度Psmin=-112 dBm,器上接收天线增益Grs=3 dB,通信距离R=2 km。

遥控信号接收电平按公式(1) 计算,其中,f1为通信频率(单位Hz),c为光速(单位m/s),相比接收灵敏度Psmin=-112 dBm,电平有23 dB 余量。

地面接收信号Eb/N0按公式(2) 计算,接收机噪底N0=-174 dBm/Hz,解调损失Loss=3 dB,Rb为信息传输速率(bps),π 为常数,相比误码率Pe=10-5所需的10.6 dB 门限要求,解调有11.4 dB 余量,故接收端可以不额外使用LNA(Low Noise Amplifier),可进一步简化接收链路设计,有利于产品小型化设计。

自闭环通道接收电平Pglin按公式(3)计算,Attmax为发射端最大衰减值为30 dB,因此相比Pglmax=-11 dBm的通道接收上限,电平有13 dB 余量,不会损坏接收设备。

综上分析,选用芯片的参数指标可满足任务无线传输需求。

3 硬件设计

设备硬件采用“载板+FMC(FPGA Mezzanine Card)子卡”的设计形式,如图1 所示,FMC 子卡承担射频信号收发处理,载板负责数字信号处理与对外通信。

FMC 子卡主要包含两片ADRV9009 芯片和高性能锁相环芯片LMK04610 组成。发射通道由ADRV9009 将载板送来的基带信号进行采样率变换、DAC 转换和滤波处理后上变频至发射点频,通过宽带巴伦将差分信号转换成单端信号经SMA 接口对外输出。接收通道使用宽带巴伦将SMA 接口送来的单端信号进行差分转换,送至ADRV9009 进行下变频、滤波和ADC 采样后进行采样率变换,送至载板进行后级信号处理。LMK04610 作为地面设备的时钟基准,可外接参考输入也可直接使用本地晶振,为两片ADRV9009 提供高精度工作时钟和SYSREF 信号实现片上同步,为载板Zynq7100 芯片提供高精度工作时钟、MGT 高速收发接口时钟和SYSREF 信号。

根据2.1 节需求分析,片1 的TX1 通道发射频率为f1的上行遥控信号和3 路测量信号,TX2 发射通道预留,片1 的RX1 通道接收频率为f1的遥控自闭环信号,片1 的RX2 接收通道预留,片上自带的两路ORX 通道不使用;片2 支持遥测接收和数传接收两种工作模式,通过PS 进行SPI 配置实现分时复用,遥测模式TX1 发射通道产生频率为f2的遥测模拟源,RX1 通道接收频率为f2的遥测信号,TX2 和RX2 预留,两路ORX 通道不使用;数传模式TX1 发射通道产生频率为f3的数传模拟源,RX1 通道接收频率为f3的数传信号,TX2 和RX2 预留,两路ORX 通道不使用。

ADRV9009 芯片与载卡Zynq7100 芯片间使用JESD204B 接口进行ADC/DAC 数据高速传输。JESD204B 接口最高支持12.288 Gbps 高速数据传输,可极大简化IO 布线数量,多路传输可自动时序对齐,自动修正信道偏移影响,从而显著降低PCB布局面积和走线难度[9]。本设计中接收和发射通道采样率fs=122.88 Msps,每片ADRV9009 发射和接收各有两个通道,每个通道使用两个ADC 和两个DAC 进行正交采样,因此采集设备数量M=4。每帧中采样数S=1,ADC/DAC 采样精度N=16 bit,JESD204B 采用8 b/10 b 编码,若使用L=2 个Lane进行传输,则每个Lane 的速率按公式(4)计算。

载板主要由Zynq7100 及外设和接口设备组成,载板配置有33.333 MHz 晶振为Zynq7100 的PS 部分提供工作时钟,配置有50 MH 晶振为PL 提供工作时钟,配置有25 MHz 晶振为PHY 芯片提供工作时钟。

Zynq7100 的PL 部分完成JESD204B 的协议转换,并进行数据的调制、解调、信道编解码、组帧等数字信号处理工作。PS 部分通过DDR3 外设访问MT41K256M16TW 内存芯片,该内存作为PS 程序运行的存储空间,大小为1 GB。PS 通过SPI 总线对两片ADRV9009 芯片和锁相环LMK04610 进行初始化和参数配置,实现遥测和数传模式的切换。PS 通过串口外设及USB -串口转换芯片,实现利用计算机USB 接口进行与设备的串口通信,实现程序的加载和在线调试及信息打印。PS 通过Ethernet 外设接口访问88E1116 千兆以太网PHY 芯片,实现对外网络通信,支持TCP 和UDP 协议。PS 通过SD 卡外设接口可访问Micro SD 设备,将SDK 生成的Boot.bin 文件存储到SD 卡中,可实现设备上电后程序自动加载和运行,通过更换SD 卡里的Boot.bin 文件内容,可使设备工作于不同的功能,实现了设备软件便捷升级。

4 软件设计

4.1 软件无线电设计

根据ADRV9009 芯片工作原理,其对输入信号进行模拟直接下变频和低通滤波后,形成相互正交的I/Q 两路基带信号,随后进行ADC 采样。这种零中频处理方式相对于超外差结构接收机去除了中频处理环节,可节省较多滤波和变频组件,使得通道集成化程度进一步提升。缺点为模拟变频存在I、Q 幅相不一致以及零频漂移问题,特别是零频漂移问题对弱信号接收解调产生不利影响,易产生误码。

为了降低零频漂移对小信号的不利影响,可以采用数字中频的方式进行载波偏置。设置本地接收载频和真实信号频率存在一个频率偏差ωd,使用零中频直接下变频的物理结构后会形成残留载频,数值为ωd,后续所有的信号处理环节均在中心频率为ωd的数字域内进行,通过增加少量的PL 逻辑资源开销,可在保留零中频接收机的优点外同时额外获取超外差接收机的优秀特性。

对于发射端,设Ir(t)、Qr(t)信号为接收到的基带信号,则ADRV9009 下变频后输出给Zynq7100 的基带信号IB(t)、QB(t)形式为:

对于接收端,输入信号S(t)可表示为正交复信号,即公式(7),其中,A(t)为基带信号波形,θ为残留相差。

因此,正交下变频结构如图2 所示。对正交下变频后的信号再进行滤波、积分清零、载波同步、位同步、帧同步等处理,可恢复出原始PCM 数据。

图2 正交下变频结构Fig.2 Orthogonal downconversion block diagram

4.2 PS 软件设计

设备加电初始运行后,自动从SD 卡中读取Boot.bin 文件加载到程序运行空间中,从Main 函数开始执行代码,程序执行过程如图3 所示。

图3 PS 程序执行流程Fig.3 PS program execution flow chart

程序首先初始化Zynq GPIO 实例,明确相应管脚功能及输入、输出方向;然后初始化SPI 接口,明确时钟及协议类型,针对不同对象配置相应SPI 数据;初始化LMK04610 锁相环实例,对其进行SPI 配置,设置对外输出的时钟频率,为板载各器件分配时钟;随后对两片ADRV9009 分别进行初始化,包括配置频率特性、通道特性、FIR 滤波器特性、JESD204B 接口配置等内容,SPI 配置完成后回读查询配置状态,若状态符合则初始化成功,若不符合则复位芯片重新配置,最大允许重复配置次数255次,若始终无法完成正确配置则程序跳转至打印错误日志,程序退出。

ADRV9009 芯片配置完成后,进行Zynq 中断系统配置,分配中断编号和关联处理函数;初始化各通道DMA 并使能通道传输;为设备指定IP 地址及端口,初始化LWIP 协议栈,作为Server 端监听端口连接,关联网络数据收、发处理函数;用户自定义程序段根据任务需要配置有网络指令解析、设备状态监视、网络数据处理等功能。初始化正确结束后进入While(1)循环,在循环体内部不断进行网络通信、数据收发处理、DMA 数据传输、状态监视等内容。

5 测试结果

研制的设备最终实物尺寸为30 cm×23 cm×3 cm,重量仅1.9 kg,通道主要功能测试结果如表2 所示。

表2 便携式测控数传测试设备测试情况Tab.2 Test of portable telecontrol telemetry and data transmission test equipment

遥控通道和遥测模拟源输出频谱截图如图4 所示,数传信号频谱图和星座图如图5 所示。各发射通道指标优于-30 dBm,带外抑制优于40 dB 指标要求,接收灵敏度优于-75 dBm,功能指标符合使用要求。

图5 数传遥测模拟源频谱图和星座图Fig.5 Data transmission simulated source spectrum &planisphere

6 结束语

通过软硬件结合的设计形式,采用ADRV9009 +Zynq7100 系统架构,实现了遥控、遥测和数传通道测试功能,并预留了后续功能、性能进一步升级的空间。实物测试表明,设备重量和体积相比传统设计大幅减小,通道性能符合指标要求。该设备已应用于某型号外场天地对接测试和地面测试,在外场任务期间,设备工作稳定、链路质量良好。