CN103152111A

CN103152111A - 基于usb接口的软件无线电试验平台

Info

Publication number: CN103152111A
Application number: CN2012105890814A
Authority: CN
Inventors: 姚明; 李世鹏; 魏葵; 白波
Original assignee: Nanchang University
Current assignee: Nanchang University
Priority date: 2012-12-31
Filing date: 2012-12-31
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2032-12-31
Also published as: CN103152111B

Abstract

一种基于USB接口的软件无线电试验平台,它包括一个FPGA、4路12位高速模数转换器、4路14位高速数模转换器、AD9862、USB控制芯片、JTAG、外部晶振、三路输出时钟分配IC、Tps77715、有源晶振和子板，其特征在于有源晶振通过三路输出时钟分配IC连接FPGA，Tps77715、子板和JTAG均连接FPGA，14位高速数模转换器和12位高速模数转换器之间设有AD9862，14位高速数模转换器和12位高速模数转换器的两端分别连接FPGA和子板，USB控制芯片连接FPGA、外部晶振和子板。本发明充分利用软件无线电的优点，方便了后期对硬件的调试以及对该硬件电路板的进一步改进，灵活性更强。

Description

基于USB接口的软件无线电试验平台

技术领域

本发明涉及一种基于USB接口的软件无线电试验平台。

背景技术

1992年MILTRE公司首次明确提出了软件无线电的概念。其中心思想是：构成一个具有开放性、标准化、模块化的通用的硬件平台，将各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成，并使A／D和D／A转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高灵活性、开放性的新一代无线通信系统。

基于USB接口的软件无线电试验板的核心是使A／D和D／A转换器尽可能靠近射频天线，即尽可能早地将接收到的模拟信号转化为数字信号，最大程度上在通用的通信硬件平台上加载不同的通信软件，以实现不同的通信方式间的转换，可以通过软件编程在单一通用平台上实现多频段、多模、多信道、多速率、多协议等通信功能。基于USB接口的软件无线电试验板结合GNU无线电是一个非常强大的工具，特别对于无线通信系统这一领域的发展。工程师能够迅速地在这个硬件平台上设计和实现功能强大、灵活的软件无线电系统。基于USB接口的软件无线电试验板的真正价值是它能使工程师和设计师以低预算和最少的精力进行创造。在为数不少的开发者和用户贡献了大量的代码库的今天，为软件和硬件提供了许多的实际应用。灵活的硬件、开源软件使它成为软件无线电开发的理想平台。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于USB接口的软件无线电试验平台，它具有硬件调试方便，使用灵活的优点。

本发明是这样来实现的，基于USB接口的软件无线电试验板充分利用软件无线电的优点，把智能化程度高的信号处理（如调制解调）交给电脑上的软件执行，而其余部分的操作，像数字上下变频、抽样和内插等，都由 FPGA 处理。这样不仅保证了无线电信号处理的速度，而且有利于创造新型无线设备，特别是降低创新时所要面临的开发难度。软件无线电试验板可以通过软件编程在单一通用平台上实现多频段、多模、多信道、多速率、多协议等通信功能。该硬件平台是在高中频甚至是在射频进行数字化，如此可以减少模拟环节，使得前端电路引入的噪声更少，信号失真更小。与普通的窄带接收机相比，瞬时处理带宽更宽，动态范围更大，可扩展性更好。此外，该实验板与其他同类产品比较，电路中，设置了一些0欧电阻以及一些辅助电路，方便后期对硬件的调试以及对该硬件电路板的进一步改进，灵活性更强。此外还提供了一个JTAG做为FPGA外部程序下载、调试。

一种基于USB接口的软件无线电试验平台,它包括一个FPGA、4路12位高速模数转换器(ADcs)、4路14位高速数模转换器(DACs)、AD9862、USB控制芯片（USB controller）、JTAG、外部晶振(24MHz XTAL)、三路输出时钟分配IC(AD9513)、Tps77715、有源晶振(65MHz Oscillato)和子板(Dauguter board)，其特征在于有源晶振通过三路输出时钟分配IC连接FPGA，Tps77715、子板和JTAG均连接FPGA，14位高速数模转换器和12位高速模数转换器之间设有AD9862，14位高速数模转换器和12位高速模数转换器的两端分别连接FPGA和子板，USB控制芯片连接FPGA、外部晶振和子板。

基于USB接口的软件无线电试验板带有内置的MIMO扩张和模块化设计，允许硬件进行DC-6 GHz的工作频率。体系结构包括一个FPGA，4路12位高速模数转换器(ADcs)，采样速度可达64MSal爪ples/sec。4路14位高速数模转换器(DACs)，采样速度可达 128MSamples/see和USB 2.0连接提供数据主机处理器，2个射频同轴连接器。其中，tps77715为FPGA内核提供1.5伏的工作电压，64MHz有源晶振通过AD9513分别为FPGA与子板提供时钟信号。提供四个SUB-board connector可分别与子板连接。

在FPGA中主要完成数字中频化像数字上、下变频等过程，控制系统中的ADC和DAC信号处理。FPGA相应地同Cypress公司的USB2接口芯片相连，通过USB2总线，FPGA电路及USB微控制器（CY7C68013A-56）都是可编程的。其中，数字下变频器（DDC）通过把信号从中频波段转换到基带，使采样信号的数据传输速率可以适应USB 2.0以及计算机的计算能力进而可以通过 USB 进入电脑，开始软件调试。数字上变频器（DUC）过程其实就是对信号进行内插，将信号从上变频转换到中频频段，实现通过 DAC 发送。

基于USB接口的软件无线电试验板存在4个高速的12位模数转换器，采样速率是每秒64M符号。在传输路径上也有4个高速14位数模转换器。DAC时钟频率为128MS/s。

10位低速模数转换部分（ADC）输入有8个辅助且可用于感知如：RSSI 信号水平，温度，偏置水平等的模拟输入通道，它们都可以被软件读取。此外，有8个模拟输出通道连接 8位低速DAC输出。还有两个额外的DACs，由 Sigma - Delta 调制器与外部简单的低通滤波器构成。

母板中数模转换部分（DAC）有一个高速64位数字I/O端口。这些数字I/O引脚同子板接口连接。这些数字I/O可以由软件通过读/写特殊的 FPGA 寄存器来控制，而且每个都可以被独立配置为数字输入或输出。同时也可被用于实现自动增益控制处理。当连接到逻辑分析仪时，非常有助于 FPGA 实现调试。

USB接口电路核心器件选用的是Cypress公司CY7C68013A。CY7C68013A器件是第1个包含USB2．0的集成微控制器，其内部集成有1个增强型的8051，1个智能USB串行接口引擎(SIE)，1个USB数据收发器，3个8位I／O、16位地址线、8.5 KB RAM和4 KB的FIFO等。当该芯片工作在slave FIFO模式，为FPGA与PC提供数据与命令通道。

电源电路通过外接5V直流电压，经过LT1085电源稳压芯片输出3.3V电压（ DVDD:1网络）为各个芯片供电。

本发明的技术效果是：本发明与其他同类产品比较，基于USB接口的软件无线电试验板充分利用软件无线电的优点，把运算复杂的的信号处理（如调制解调）过程交给电脑上的软件执行。电路中，使用大量0欧电阻以及增加一些为后期更新该硬件平台的辅助电路，方便后期对硬件的调试以及对该硬件电路板的进一步改进，灵活性更强。此外还提供了一个JTAG接口做为FPGA外部程序下载、调试。

附图说明

图1为本发明基于USB接口的软件无线电试验板模块结构方框图。

图2为本发明电源电路部分原理图。

图3为DAC电流输出接口示意图。

图4为10位低速ADC输入接口示意图。

图5为8位低速DAC输出接口示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例方式对本发明做进一步阐述；

如图1和图2，一种基于USB接口的软件无线电试验平台,它包括一个FPGA、4路12位高速模数转换器(ADcs)、4路14位高速数模转换器(DACs)、AD9862、USB控制芯片（USB controller）、JTAG、外部晶振(24MHz XTAL)、三路输出时钟分配IC(AD9513)、Tps77715、有源晶振(65MHz Oscillato)和子板(Dauguter board)，其特征在于有源晶振通过三路输出时钟分配IC连接FPGA，Tps77715、子板和JTAG均连接FPGA，14位高速数模转换器和12位高速模数转换器之间设有AD9862，14位高速数模转换器和12位高速模数转换器的两端分别连接FPGA和子板，USB控制芯片连接FPGA、外部晶振和子板，其供电有供电设备（Power, supply）。

FPGA芯片中核心任务是对信号进行中频数字化处理，像数字上／下变频、抽样、内插和数字滤波等以及控制系统中的ADC和DAC进行信号处理。FPGA相应地同Cypress公司的USB2接口芯片相连，通过USB2总线，所有的（FPGA电路及USB微控制器）都是可编程的，如附图3、图4和图5所示。

有一个4级级联用来实现数字下变频器（ DDC ）的积分梳状滤波器（ CIC ）存在于FPGA配置中。一个31抽头半带滤波器与 CIC 滤波器级联，形成完整的DDC部分。标准FPGA配置包含2个完整的数字下变频器（ DDC ）。另外有一种配置带4个DDCs 但没有半带滤波器，进而拥有1、2或4个不同的接收信道。

在4个数字下变频（DDC）的实现中，接收路径上有4个ADCs和4个DDCs。每个DDC有两个输入I 和 Q。每个 ADCs 都可以连接到4个DDCs的任何一个的I或者 Q 支路的输入。因此可以在同一个 ADC 采样流中存在多种信道选择。

数字下变频器（DDC），把信号从中频波段转换到基带，用户可以通过 PC用软件来调试它的工作模式，进而使得它的采样信号数据传输速率可以适应USB 2.0以及相对于计算机的计算能力。复输入信号乘以固定频率（通常情况下指中频）指数信号产生的信号也是复信号，而且集中在0频。抽样可以看成是一个低通滤波器接一个下采样器，假设我们以一个抽样因子N来进行抽样，低通滤波器输出带宽[-Fs/N, Fs/N],然后下采样器解扩从[-Fs, Fs]到[-Fs/N,Fs/N]的频谱，所以实际上我们已经以因子 N 缩小了有用数字信号的带宽。对于带宽，在USB总线上传输速率可以保持在32MB/sec。USB接口上发送的所有符号都是以 16 位有符号整数组成的正交格式。比如：16位I和16位 Q 数据（复信号）意味着每个复4字节。这导致USB上的符号速率为 8M 符号/秒（ 32MByte 每秒/4 字节）。由于使用复处理，根据奈奎斯特准则，这将提供最大有效总频谱带宽约为 8MHz。当然，我们可以通过改变采样率选择更窄的带宽。例如，假设我们要设计一个调频接收器，调频电台的带宽一般为200kHz。因此，我们可以选择抽取因子为250，则USB上的数据传输速率是 64MHz/ 250 = 256 kHz，这非常适合 200 KHz 的带宽而不会丢失任何频谱信息。抽样率必须在[ 8 ，256 ]之间。最后，复正交信号通过 USB 进入电脑，进而开始软件调试。

数字上变频器（DUC）其实就是对信号进行内插，使信号转换到中频频段，然后经过一个信号分离器，并最终通过DAC发送。数字上变频器不是在 FPGA里而是包含在 AD9862 CODEC 芯片里。FPGA上的传输信号处理模块只有CIC插值器。插值输出可发送到4个CODEC输入的任何一个。在多发送信道情况下，所有输出信道必须是相同的数据速率（即同一插值比例）。

模数转换器部分

软件无线电试验平台有4个高速的12位模数转换器。每12 Bit位采样信号速率是每秒64M符号。一般情况下可以作为数字化32MHz带宽。AD转换器可以带通滤波约达200MHz的采样信号。如果可以接受几个分贝的损失，甚至可以数字化高达500MHz的中频频率。然而，如果采样信号的中间频率大于32MHz，我们将引入量化噪声,实际的有用信号带宽被映射到-32MHz和32MHz之间。有时候，这是有用的，例如，我们可以在没有任何射频前端的情况下收听调频广播电台。被采样信号的频率越高，抖动带来的信噪比损失越多，建议上限为100MHz。模数转换器的范围是2V峰峰值，输入是差分50欧姆。在ADCs之前有一个可编程增益放大器PGA（可软件编程）用于放大输入信号，以便在输入信号较弱的情况下使用到 ADCs 的整个输入范围。PGA最大20dB，增益设置为零，最大输入为差分2V 峰峰值。当设定为20分贝，只需要0.2V峰峰值差分输入信号，便可达到最大范围。

如果信号是交流耦合的，在内部缓冲打开的情况下，不需要给它提供直流偏置,它将提供约2V的偏置。如果信号是直流耦合的，应给正负极同时提供一个VCC/2（ 1.65V ）的直流偏置，而且要关闭内部缓冲区。

数模转换器部分

在传输路径上也有4个高速14位数模转换器。DAC时钟频率为128MS/s，故奈奎斯特频率为64MHz。但是为了便于滤波器更好地工作，如果频率更低一点，达到的效果会更好。这时一个有用的输出频率范围是从DC到44MHz。DACs可为50欧姆即10mW（ 10dBm ）,差分负载提供峰值为1V的电压。在经过DAC阶段之后也使用了PGA用于提供高达20dB的增益。DAC信号（ IOUTP_A _A/ IOUTN_A_A 和IOUTP_B_B / IOUTN_B_B 原理图见附图说明中图4所示）是电流输出的，每个接口输出电流范围介于0和20毫安之间，它们可以通过一个电阻转换成差分电压。

辅助模拟I/O 端口

有8个辅助的模拟输入通道连接到10位低速ADC输入（标记为AUX_ADC_A1_A，AUX_ADC_B1_A，AUX_ADC_A2_A，AUX_ADC_B2_A，AUX_ADC_A1_B， AUX_ADC_B1_B，AUX_ADC_A2_B，和AUX_ADC_B2_B PCB原理图见附图说明中的图5所示），它们也都可以被软件读取。这些ADCs可以转换高达1.25MS/S，其带宽约200KHz。这些模拟通道可用于感知RSSI信号水平、温度、偏置水平等等。此外，有8个模拟输出通道连接8位低速DAC输出。他们分别是AUX_DAC_A_A，AUX_DAC_B_A，AUX_DAC_C_A，AUX_DAC_A_B，AUX_DAC_B_B和 AUX_DAC_C_B PCB。这些 DACs可用于提供各种控制电压，如外部可变增益放大器控制。此外，还有两个额外的 DACs （标记为 AUX_DAC_D_A 和AUX_DAC_D_B ），是由Sigma - Delta 调制器与外部简单的低通滤波器构成。软件无线电试验平台母板与子板连接器（RXA和TXA）共享一组4个模拟输出通道（从AUX_DAC_A_A到AUX_DAC_D_A用于RXA和TXA），他们分别都具有2个独立的模拟输入通道（AUX_ADC_A1_A和AUX_ADC_B1_A用于RXA， AUX_ADC_A2_A和AUX_ADC_B2_A 用于 TXA）。RXB和TXB共用他们另外独立的一组。如果必要，另有AUX_ADC_REF可以为提供增益设置一个参考等级。

辅助数字I/O 端口

软件无线电试验平台母板有一个高速64位数字I/O端口，被分为二组（32位用于IO_RX，32 位用于IO_TX）。这些数字I/O引脚连接到子板接口连接器（RxA，TxA，RxB和TxB）。所有这些连接器有16位数字I/O位。这些信号可以由软件通过读/写，然后由特殊的 FPGA 寄存器来控制，而且每个都可以被独立配置为数字输入或数字输出。其中一些引脚用于控制所安装子板上的特定操作，如控制选择接收射频输入的端口，在自动发送/接收模式控制不同的Tx和Rx部件的供电电源，合成器锁定检测等。它也可被用于实现 AGC 处理。当连接到逻辑分析仪时，它非常有助于 FPGA 实现调试。

Claims

1.一种基于USB接口的软件无线电试验平台,它包括一个FPGA、4路12位高速模数转换器、4路14位高速数模转换器、AD9862、USB控制芯片、JTAG、外部晶振、三路输出时钟分配IC、Tps77715、有源晶振和子板，其特征在于有源晶振通过三路输出时钟分配IC连接FPGA，Tps77715、子板和JTAG均连接FPGA，14位高速数模转换器和12位高速模数转换器之间设有AD9862，14位高速数模转换器和12位高速模数转换器的两端分别连接FPGA和子板，USB控制芯片连接FPGA、外部晶振和子板。