CN104967456B

CN104967456B - Cpci总线控制型射频发射板卡及收发板卡

Info

Publication number: CN104967456B
Application number: CN201510319261.4A
Authority: CN
Inventors: 林云; 窦峥; 吕超; 齐琳; 史成卓; 刘彤; 张文旭; 赵宇宁
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2015-06-11
Filing date: 2015-06-11
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2035-06-11
Also published as: CN104967456A

Abstract

本发明实施例提供一种CPCI总线控制型射频发射板卡及收发板卡，该射频发射板卡包括：发射信道，用于将来自基带板卡的70MHz或220MHz的中频信号通过滤波、放大、功率控制和混频处理以变频到2MHz～3000MHz的射频输出信号；第一频综系统，用于执行快速跳频，并产生所述发射信道需要的点频本振；控制系统，用于处理CPCI接口协议命令，以及对所述第一频综系统进行配置；CPCI接口，用于实现所述控制系统和上位机之间的通信，并对所述射频发射板卡提供电源。该板卡的中心频率、接收带宽、发射功率等参数可通过CPCI总线进行配置。

Description

CPCI总线控制型射频发射板卡及收发板卡

技术领域

本发明实例涉及软件无线电通信技术，更具体的涉及参数可配置的CPCI总线控制型射频发射板卡及收发板卡。

背景技术

近年来，随着无线电体制的快速发展，传统的以硬件为主体的无线通信系统设计方法逐渐不能适应多模式的通信需求，软件无线电的思想应运而生。

软件无线电((Software Defined Radio，SDR)技术是近几年提出的无线通信系统架构，最早由军事通信技术发展而来，其基本思想是通过软件来配置硬件，实现灵活的可重构特性。软件无线电的最终目的就是要使通信系统摆脱硬件系统结构的束缚，通过软件实现各种功能。因此，软件无线电的基本思想是基于一套通用硬件平台，将尽可能多的无线通信功能用软件来实现，使得通信系统具有高度灵活性和最大的适应能力，以满足现代通信对互连互通、多模式等的要求，其中的关键技术难点之一就是收发机射频前端电路。

根据软件无线电技术特点的要求，其射频收发板卡应可配置为满足现有及将出现的不同体制的通信标准的需求。而每一种通信标准具有各自不同的中心频率、信道带宽、噪声指标、线性度指标、发射功率等。因此软件无线电收发机射频前端电路应有大的动态范围，接收发送参数可配置等特性。同时，软件无线电收发机射频前端应有标准可通用的控制数据接口。

发明内容

本发明实施例提供一种CPCI总线控制型射频发射板卡及收发板卡，以实现该板卡的中心频率、接收带宽、发射功率等参数可通过CPCI总线进行配置。

为达上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种CPCI总线控制型射频发射板卡，其包括：

发射信道，用于将来自基带板卡的70MHz或220MHz的中频信号通过滤波、放大、功率控制和混频处理以变频到2MHz～3000MHz的射频输出信号；

第一频综系统，用于执行快速跳频，并产生所述发射信道需要的点频本振；

控制系统，用于处理CPCI接口协议命令，以及对所述频综系统进行配置；

CPCI接口，用于实现所述控制系统和上位机之间的通信，并对所述射频发射板卡提供电源。

较佳地，所述发射信道包括：

输入SMA接头，用于接入来自基带板卡的70MHz或220MHz的第一中频信号；

第一数控衰减器，用于对所述第一中频信号进行幅度衰减处理；

第一低通滤波器，用于对幅度衰减处理后的第一中频信号进行低通滤波；

第一放大器，用于对低通滤波后的第一中频信号进行放大处理；

第一混频器，用于将放大处理后的第一中频信号与所述第一频综系统产生的1200MHz或者1050MHz本振信号混频得到1270MHz的第二中频信号；

第一带通滤波器，用于对所述第二中频信号进行带通滤波，以滤除所述第二中频信号中因混频产生的倍频信息；

第二数控衰减器，用于对经过带通滤波处理后的第二中频信号进行幅度衰减处理；

第二放大器，用于对经过幅度衰减处理后的第二中频信号进行放大处理；

第二混频器，用于将放大处理后的第二中频信号与所述第一频综系统产生的3000MHz本振信号混频得到4270MHz的第三中频信号；

第二带通滤波器，用于对所述第三中频信号进行带通滤波处理，以滤除所述第三中频信号中因混频产生的倍频信息；

第三放大器，用于对经过带通滤波处理的第三中频信号进行放大处理；

第三混频器，用于将所述放大处理后的第三中频信号与所述第一频综系统产生的4272～3000MHz本振信号混频得到2MHz～3000MHz的发射信号；

第二低通滤波器，用于对所述发射信号进行低通滤波处理；

第四放大器，用于对低通滤波处理后的发射信号进行放大处理；

第一谐波滤波器组，用于对放大处理后的发射信号进行进一步滤波处理；

第三数控衰减器，用于对进一步滤波处理后的发射信号进行幅度衰减处理；

输出SMA接头，用于将经幅度衰减处理后的发射信号通过天线发射出去。

较佳地，所述第一频综系统可包括：

第一频率综合器，用于产生固定频率1200MHz，并与第一中频信号70MHz混频产生第二中频信号1270MHz；

第二频率综合器，用于产生固定频率3000MHz，并与第二中频信号1270MHz混频产生第三中频信号4270MHz；以及，

第三频率综合器，用于产生可调频率4272～7270MHz，并与第三中频信号4270MHz混频产生2～3000MHz的射频信号。

较佳地，所述控制系统可包括：FPGA和FLASH；

所述FPGA内部嵌入一个静态随机存储器SRAM，所述SRAM用于CPCI总线与上位机板卡进行通信，所述FPGA通过SPI总线与所述FLASH相连，根据CPCI总线发送的命令读取所述FLASH中的不同参数，并根据读出的参数配置与所述FPGA相连的所述发射信道和所述第一频综系统。

较佳地，所述第一谐波滤波器组可包括：

2MHz～628MHz、628～1000MHz、1000MHz～1500MHz、1500MHz～2000MHz、2000MHz～3000MHz的五组谐波滤波器。

较佳地，在发射信道中的所述第一数控衰减器、第二数控衰减器、第三数控衰减器均受到所述控制系统的控制，实现发射功率-60dBm～10dBm可调，步进1dB。

较佳地，所述第一带通滤波器的中频为1270MHz，带宽为140MHz。

较佳地，所述第二带通滤波器的中频为4270MHz，带宽为140MHz。

较佳地，所述第一低通滤波器的带宽为250MHz，所述第二低通滤波器的带宽2MHz～3000MHz。

另外，本发明还提供了一种CPCI总线控制型射频收发板卡，其包括：射频接收板卡和上述任意一种CPCI总线控制型射频发射板卡。

上述技术方案具有如下有益效果：该板卡的中心频率、接收带宽、发射功率等参数可通过CPCI总线进行配置，并且该CPCI总线控制型射频收发板卡，收发频率范围在2MHz～3000MHz上动态可配置，频率间隔10Hz，频率转换时间300us。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是示出了根据本发明的实施例的射频发射板卡的整体构建框图；

图2是示出了根据本发明的实施例的射频接收板卡的整体构建框图；

图3是示出了根据本发明的实施例的射频发射板卡发射信道及频率综合器的电路图；

图4是示出了根据本发明的实施例的射频接收板卡接收信道及频率综合器的电路图；

图5是示出了根据本发明的实施例的射频发射接收板卡的控制系统构建框图；

图6是示出了根据本发明的实施例的射频发射接收板卡的控制流程图；

图7是示出了根据本发明的实施例的射频发射接收板卡的CPCI接口框图。

附图标号说明：

1-发射信道、2-第一频综系统、3-控制系统、4-CPCI接口、5-接收信道、6-第二频综系统；

11-14：输入、输出SMA接头；

21-23：数控衰减器；

31-34：低通滤波器；

41-44：带通滤波器；

61、121：第一、第二谐波滤波器组；

71-77：放大器；

81-86：混频器；

92-93：压控放大器；

101：射频检波器；

111：单刀双掷开关组；

210、220、230：第一至第三频率综合器；

610、620、630：第四至第六频率综合器；

131：耦合器；

51：低噪声放大器；

SP5T、SP6T：用来选择合适的滤波器的单刀多掷开关。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的实施例提供一种用于软件无线电设备中的CPCI总线控制型射频收发板卡，板卡的中心频率、接收带宽、发射功率等参数可通过CPCI总线进行配置。本发明的实施例提供射频发射板卡和射频接收板卡。

图1是本发明的实施例的射频发射板卡的整体构建框图。如图1所示，该射频发射板卡主要是用于把70MHz或220MHz的中频基带信号通过滤波、放大、功率控制、混频等电路变频到2MHz～3000MHz的射频输出信号。整个射频发射板卡包括发射信道1、第一频综系统2、控制系统3和CPCI接口4。

根据本发明的实施例，该射频发射板卡包括：发射信道1，将来自基带板卡的70MHz或220MHz的中频信号通过滤波、放大、功率控制、混频等电路变频到2～3000MHz的射频输出信号；第一频综系统2，用于完成快速跳频，并产生发射信道1所需要的点频本振；控制系统3，其是整个发射板卡的控制，其功能包括：与CPCI接口协议命令的处理，对第一频综系统2的压控震荡器(VCO，Voltage Controlled Oscillator)和环状滤波器(Loop Filter)的配置和整个系统各个数字开关的切换等；CPCI接口4，负责与基带系统协议命令的交互，并对整机系统提供电源。

图3是示出了根据本发明的实施例的射频发射板卡发射信道和频率综合器的电路图。请结合参阅图3，在发射信道中1，首先70MHz或者220MHz输入中频通过第一级数控衰减器21进入第一混频器81，混频得到第二中频信号1270MHz，经过数控衰减器22及放大滤波后进入第二混频器82，混频后得到第三中频信号4270MHz，通过滤波放大后，进入第三混频器83进行第三级混频，混频后得到2MHz～3000MHz所需的发射信号，滤波后经过最后一级功率放大和谐波滤波器组61，最后通过数控衰减器23数控衰减后调节输出电平发射出去。由于发射输出功率在-60dBm～10dBm可调，步进1dB，本发明的实施例在三级链路中每一级链路加一数控衰减器来实现70dB的可调输出功率。

第一频综系统2包括：第一频率综合器210、第二频率综合器220和第三频率综合器230。第一频率综合器210(即第一本振源)产生固定频率1200MHz(或1050MHz)与第一中频信号70MHz(或220MHz)混频产生第二中频信号1270MHz。第二频率综合器220(即第二本振源)产生固定频率3000MHz与第二中频信号1270MHz混频产生第三中频信号4270MHz。第三频率综合器230(即第三本振源)产生可调频率4272～7270MHz与第三中频信号4270MHz混频产生2～3000MHz的射频信号。上述频率综合器包括：鉴频鉴相器(PFD，Phase/FrequencyDetector)、分频器I/N.F、压控振荡器VCO和环状滤波器。

请继续参阅图3，以下对本发明的较佳实施例进行更为详细地说明。如图3所示，发射信道包括：SMA接头11、12，数控衰减器21、22、23，低通滤波器31、32，带通滤波器41、42，第一谐波滤波器组61，放大器71、72、73、74，以及混频器81、82、83。来自基带板卡的70MHz或220MHz的中频信号经过SMA接头11进入发射信道，为防止信号幅度过大，信号首先进入数控衰减器21，之后使用带宽250MHz的低通滤波器31对信号进行滤波，并经过放大器71放大到合适的幅度后进入到混频器81与第一频率综合器210(频综第一部分)产生的1200MHz或者1050MHz本振信号混频得到1270MHz的第二中频信号；第二中频信号经过中频1270MHz带宽140MHz的带通滤波器41滤除混频产生的倍频信息后进入数控衰减器22进行幅度控制，再经过放大器72放大后进入混频器82与第二频率综合器220(频综第二部分)产生的3000MHz本振信号混频得到4270MHz的第三中频信号；第三中频信号经过中频4270MHz带宽140MHz的带通滤波器42滤除混频产生的倍频信息后再经过放大器73放大后进入混频器83与第三频率综合器230(频综第三部分)产生的本振信号混频，第三频率综合器受控制系统3控制产生4272～7270MHz的本振信号与第三中频信号混频并经过带宽2～3000MHz的低通滤波器32滤除倍频信号后得到所需的2MHz～3000MHz的发射信号，再通过放大器74进行幅度调整；最终发射信号最后通过一个受控制系统3控制的第一谐波滤波器组61，第一谐波滤波器组61含2MHz～628MHz、628～1000MHz、1000MHz～1500MHz、1500MHz～2000MHz、2000MHz～3000MHz五组谐波滤波器，可根据最终的信号的频率进行切换对最终信号进行进一步滤波，再经过数控衰减器23后发射信号可通过SMA接头12连接天线发射出去。在发射信道中三级数控衰减器21、22、23均受到控制系统3的控制，实现发射功率-60dBm～10dBm可调，步进1dB。

图2是本发明的实施例的射频射频接收板卡的整体构建框图。如图2所示，该射频接收板卡主要用于把天线接收到的2MHz～3000MHz的射频输入信号通过滤波、放大、变频等操作转变为数字基带系统要求的70MHz或者220MHz中频信号。射频接收板卡包括接收信道5、第二频综系统6、控制系统3和CPCI接口4。

根据本发明的实施例，该射频接收板卡包括：接收信道5，用于对天线收到的2MHz～3000MHz射频信号进行滤波、放大、变频和自动增益控制等处理，完成射频信号到70MHz或者220MHz中频的变频转换；第二频综系统6，用于完成快速跳频，并产生接收信道所需要的点频本振；控制系统3，其是整个接收板卡的控制，包括与CPCI接口协议命令的处理，对频综系统的压控震荡器VCO和环状滤波器的配置和整个系统各个数字开关的切换等；CPCI接口4，负责与基带系统协议命令的交互，并对整机系统提供电源。

图4是示出了根据本发明的实施例的射频接收板卡接收信道和频率综合器的电路图。请结合参阅图4，在接收信道中5，2MHz～3000MHz射频信号通过天线进入接收机，限幅器(其包括射频检波器101和单刀双掷开关组111等)是为了防止大信号过载使接收机饱和，经过低噪声放大器51(LNA，LowNoiseAmplifier)后，通过低通滤波器组进行信号滤波，然后经过一级数控衰减器进行一次混频(变频)；变频后的第一中频信号4270MHz经过滤波和放大，然后进行第二次混频(变频)，变频的第二中频信号1270MHz经过滤波和放大，最后进行第三次混频(变频)到70MHz或者220MHz中频信号。经过第一级DGA(Digital Gain Amplifier，数字增益放大器)调节增益后再经过谐波滤波器组，进行带宽选择后通过第二级DGA实现增益控制进入A/D进行信号处理。

第二频综系统6同样包括三部分：第四频率综合器610、第五频率综合器620和第六频率综合器630。第四频率综合器610(即第四本振源)产生可调频率4272～7270MHz与2～3000MHz的射频信号频信号混频产生第一中频信号4270MHz。第五频率综合器620(即第五本振源)产生固定频率3000MHz与第一中频信号4270MHz混频产生第二中频信号1270MHz。第六频率综合器630(即第六本振源)产生固定频率1200MHz或者1050MHz与第二中频信号1270MHz混频产生第三中频信号70MHz或者220MHz。

控制系统3和CPCI接口4的作用和前述射频发射板卡中的相同。

请继续参阅图4，以下对本发明的较佳实施例进行更为详细的说明。如图4所示，接收信道包括：SMA接头13、14，压控放大器92、93，低通滤波器33、34，带通滤波器43、44，第二谐波滤波器组121，放大器75，76、77，混频器84、85、86，射频检波器101，以及单刀双掷开关组111(包含SP2T1，SP2T2)。来自天线的2MHz～3000MHz的微弱信号经过SMA接头13进入接收信道，为防止大信号过载使接收机饱和，信号首先进入由射频检波器101，单刀双掷开关组111，低噪声放大器51和耦合器131组成的限幅器，限幅的过程为微弱信号通过SP2T1进入低噪声放大器51进行初步的放大再通过SP2T2送给耦合器131，耦合器131将一部分信号送入射频检波器101，一部分送入放大器75继续处理，当射频检波器101检测到信号过大，控制单刀双掷开关组111重点SP2T1和SP2T2同时断开使信号不再通过低噪声放大器51放大，合适大小的信号经过放大器75进行放大，之后通过带宽为2MHz～3000MHz的低通滤波器33，之后进入混频器84与频综第一部分610产生的本振信号进行混频，频综第一部分610受控制系统3控制产生4272MHz～7270MHz的本振信号与接收信号混频并经过中心频率4270MHz带宽140MHz的带通滤波器43滤除倍频信号后得到中心频率4270MHz的第一中频信号；第一中频信号经过放大器76放大后进入到混频器85与频综第二部分620产生的3000MHz本振信号混频并经过中心频率1270MHz带宽140MHz的带通滤波器44滤除带外信息后得到中心频率1270MHz的第二中频信号；第二中频信号经过放大器77放大后进入到混频器86与频综第三部分630产生的1200MHz或者1050MHz振信号混频并经过带宽250MHz的低通滤波器34滤除高频信息后得到中心频率70MHz或者220MHz的最终中频信号；最终中频信号经过压控放大器92放大后由控制系统3控制的第二谐波滤波器组121进行滤波，第二谐波滤波器组121受控制系统3控制，内含中心频率70MHz带宽分别为50kHz、5MHz、20MHz的三组滤波器和中心频率220MHz带宽40MHz、100MHz的两组滤波器，之后再经过压控放大器93调整幅度后进入到SMA接头14完成输出。

图5是示出了根据本发明的实施例的射频发射接收板卡的控制系统构建框图。如图5所示，控制系统以FPGA为核心，FPGA内部嵌入了一个静态随机存储器SRAM用于CPCI总线与上位机板卡进行通信，FPGA通过SPI总线与闪存FLASH相连,根据CPCI总线发送过来的命令读取FLASH中的不同参数，根据读出的参数配置与FPGA相连的数控衰减器21、22、23，第一谐波滤波器组61，压控放大器92、93，第二谐波滤波器组121，频综等部分实现对发射信道和接收信道的控制。

图6是示出了根据本发明的实施例的射频发射接收板卡的控制流程图。如图6所示，系统上电后首先进行初始化操作，之后读取Flash内的信息进行默认值的频率设置及开关切换以及衰减器的设置，之后开始监控数据采集，并将信息写入cPCI_RAM后写入FLASH，进行到该步上位机可以读取到板卡的信息，若出现错误对板卡进行重启，若没有错误FPGA读取cPCI_RAM获取上位机传来的控制信息，当有数据更新时将新数据写入Flash了，并从Flash中读取新的配置信息，再次进行频率的设置，开关的切换以及衰减器的设置，达到射频收发板卡的发射接收信号参数的调整，之后再次对cPCI_RAM中的信息进行读取重复上述步骤。

图7是示出了根据本发明射频发射接收板卡的CPCI接口框图。如图7所示，PCI(Peripheral Component Interconnect，外围器件互连)总线，是一种高性能的32/64位地址数据多路复用标准工业总线，其支持5V/3.3V两种信号电平和33MHz/66MHz两种时钟频率，在本发明的实施例中被用来实现使用板卡的上位机与板卡控制系统之间的通信。

本发明的实施例的CPCI总线控制型射频收发板卡具有以下有益效果：

1、该CPCI总线控制型射频收发板卡，收发频率范围在2MHz～3000MHz上动态可配置，频率间隔10Hz，频率转换时间300us。

2、该CPCI总线控制型射频收发板卡中频输入输出频率70MHz或220MHz可配置，其中接收板卡具有35kHz(窄带)、5MHz(宽带)、20MHz(宽带)三种可配置的输出带宽。

3、该CPCI总线控制型射频收发板卡总功率不大于20W，其中发射板卡输出功率-60dBm～+10dBm，步进1dB(-20℃～+60℃)可配置。

本发明实施例中所描述的各种说明性的逻辑块，或单元都可以通过通用处理器，数字信号处理器，专用集成电路(ASIC)，现场可编程门阵列或其它可编程逻辑装置，离散门或晶体管逻辑，离散硬件部件，或上述任何组合的设计来实现或操作所描述的功能。通用处理器可以为微处理器，可选地，该通用处理器也可以为任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以通过计算装置的组合来实现，例如数字信号处理器和微处理器，多个微处理器，一个或多个微处理器联合一个数字信号处理器核，或任何其它类似的配置来实现。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种CPCI总线控制型射频发射板卡，其特征在于，包括：

控制系统，用于处理CPCI接口协议命令，以及对所述第一频综系统进行配置；

CPCI接口，用于实现所述控制系统和上位机之间的通信，并对所述射频发射板卡提供电源；

其中，所述发射信道包括：

第三混频器，用于将所述放大处理后的第三中频信号与所述第一频综系统产生的4272～7270MHz本振信号混频得到2MHz～3000MHz的发射信号；

第二低通滤波器，用于对所述发射信号进行低通滤波处理；

2.根据权利要求1所述的射频发射板卡，其特征在于，所述第一频综系统包括：

3.根据权利要求1所述的射频发射板卡，其特征在于，所述控制系统包括：FPGA和FLASH；

4.根据权利要求1所述的射频发射板卡，其特征在于，所述第一谐波滤波器组包括：

5.根据权利要求1所述的射频发射板卡，其特征在于，在发射信道中的所述第一数控衰减器、第二数控衰减器、第三数控衰减器均受到所述控制系统的控制，实现发射功率-60dBm～10dBm可调，步进1dB。

6.根据权利要求1所述的射频发射板卡，其特征在于，所述第一带通滤波器的中频为1270MHz，带宽为140MHz。

7.根据权利要求1所述的射频发射板卡，其特征在于，所述第二带通滤波器的中频为4270MHz，带宽为140MHz。

8.根据权利要求1所述的射频发射板卡，其特征在于，所述第一低通滤波器的带宽为250MHz，所述第二低通滤波器的带宽2MHz～3000MHz。

9.一种CPCI总线控制型射频收发板卡，其特征在于，包括：射频接收板卡和如权利要求1-8中任一项所述的CPCI总线控制型射频发射板卡。