CN105162487A

CN105162487A - 一种基于fpga和usb的上位机软件无线电平台

Info

Publication number: CN105162487A
Application number: CN201510470145.2A
Authority: CN
Inventors: 徐云鹏
Original assignee: JIANGXI CRYSTAL BIOSENSOR TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: JIANGXI CRYSTAL BIOSENSOR TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2015-08-04
Filing date: 2015-08-04
Publication date: 2015-12-16

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA和USB的上位机软件无线电平台，该系统的构成分为：母板、子板、收发天线、PC机以及SPI控制总线；其中，母板包括：A/D转换模块、FPGA模块、USB控制模块，母板用于完成中频信号采样和数字下变频；子板与SPI控制总线双向连接，用于完成射频信号的接收和将射频信号转换为中频信号；FPGA模块与USB控制模块通过GPIF接口双向相连，用于将下变频后的数据传入USB控制模块，继而将数据传输至PC机进行信号处理；A/D转换模块和FPGA模块之间采用并行数据线双向连接，用于信号的A/D转换；PC机与子板和母板之间通过SPI接口双向连接，用于运行系统软件并完成相关的波形处理。

Description

一种基于FPGA和USB的上位机软件无线电平台

技术领域

本发明属于无线电通信领域的具体应用，尤其涉及一种基于FPGA和USB的上位机软件无线电平台。

背景技术

随着时代的进步，各类通信网的系统结构和实现技术总在不断发展更新，但人们总希望可以有一个能够兼容多种频段、调制方式、信道多址方式的硬件平台，来确保不同通信系统间的无缝连接。软件无线电，通过软件编程的手段来完成系统通信的技术手段，是解决通信系统间连接问题最佳的方案。近年来，软件无线电的技术在卫星移动通信、陆地移动卫星和全球通信上面得到了广泛的应用，成为数字移动通信中解决多种多平台、多标准的系统间通信最佳实现方案。因此，对软件无线电系统的研究具有了更加深远的理论意义和更为迫切的价值需求。

为了完成不同种类信号间的数据处理工作，软件无线电一般采用DSP处理器来对接收频段、调制解调、滤波功能进行软件编程实现，通过软件设计的灵活性来保证整体通信的灵活性，但同时DSP处理器的本身的技术瓶颈（如硬件可升级性、运行速度、吞吐量、系统的可重构配置性、总线结构的可变性）也极大的影响着软件无线电技术的发展。随着FPGA工艺和集成度上的高速发展，FPGA芯片可以很容易的在片内实现高度并行的运算，速度大大高于目前常用的DSP器件，新技术下涌现了多IP核的技术来用于支撑FPGA的多元化使用，例如数据存储、信号滤波。FPGA芯片不仅可以满足数字信号处理系统对功能和效率的要求，而且覆盖极大的中频采样范围，所以FPGA极为适合应用于软件无线电领域，从而解决了软件无线电技术中DPS处理器性能不佳的瓶颈。

为了使软件无线电系统能够得到最大程度的系统处理能力，并更多的利用软件来实现通信功能，节约设计成本，本发明采用FPGA作为系统的主芯片，配合AD9862模数转换芯片完成硬件平台的搭建。该系统包括实现RF前端的子板和母板，母板上包括A/D转换模块、FPGA模块和可编程的USB控制模块。在硬件平台基础上，对FPGA编程实现数字下变频、抽样的高速通用操作，控制USB2.0接口，将信号传送至上位机，在上位机上完成波形相关的处理。该系统能够满足多标准通信的要求，从根本上提高了硬件系统的通用性与可扩展性，从而极大的降低了成本。

发明内容

针对当前软件无线电技术中存在的问题，结合软件无线电系统的具体应用，设计了一种基于FPGA和USB的上位机软件无线电平台。本发明的目的在于，提供一种简单廉价且性能稳定的上位机软件无线电平台。

为了实现上述系统，本发明采取的技术方案是：

一种基于FPGA和USB的上位机软件无线电平台，其特征在于该系统由母板、子板、收发天线、PC机以及SPI控制总线组成，其中母板包括：A/D转换模块、FPGA模块、USB控制模块；首先，由两套天线捕捉空中的射频信号，分别在对应的2块子板上实现射频信号的模拟下变频，得到模拟中频信号，然后通过A/D转换模块将模拟中频转换为数字中频，进入数字域，在FPGA模块上进行数字中频处理，实现数字下变频功能，即将数字信号从中频搬移到基带，同时完成信号的抽取滤波，使数据速率降低到通用处理器可以处理的范围，适合USB传输，进一步将低数据率的基带信号在USB控制模块的作用下传送至PC机进行信号的编译码和FFT变换。

在该软件无线电系统中，母板用于完成中频信号采样和数字下变频；子板与SPI控制总线双向连接，用于完成射频信号的接收和将射频信号转换为中频信号；FPGA模块与USB控制模块通过GPIF接口双向相连，用于将下变频后的数据传入USB控制模块，继而将数据传输至PC机进行信号处理；A/D转换模块和FPGA模块之间采用并行数据线双向连接，用于信号的A/D转换；USB控制模块通过SPI接口与A/D转换模块连接，并对A/D转换模块进行配置和运行控制；PC机与子板和母板之间通过SPI接口双向连接，用于运行系统软件并完成相关的波形处理。

在该软件无线电系统中，所述母板包括：A/D转换模块、FPGA模块、USB控制模块，该母板用于完成中频信号采样和数字下变频；其中，所述A/D转换模块选用ADI公司的AD9862芯片，AD9862芯片和FPGA之间采用并行的数据线进行连接，接收时子板上对射频信号进行下变频得到中频信号，并进行单端转差分操作，最后将子板输出的差分信号通过到VIN+A和VIN-A管脚送至芯片内部，A/D采样后12位数据通过并行数据线送给FPGA进行数据处理，此外，AD9862芯片与USB控制模块通过SPI接口相连，USB控制模块通过SPI接口对AD9862进行配置和运行控制；所述FPGA模块选用Xilinx公司的Spartan6系列的XC6SLX75T芯片，FPGA模块与USB控制模块通过GPIF接口相连，用于将下变频后的数据传入USB控制模块，继而将数据传输至PC机做进行信号处理。此外，FPGA与USB控制模块还通过SPI总线相连，USB控制模块通过SPI接口对FPGA进行配置；所述USB控制模块选用赛普拉斯公司生产的EZ-USBFX2芯片，FX2芯片内部有多个通用I/O接口与外部进行连接，在该系统中，FX2芯片选择GPIF模式与外部接口相连，该模块用于同系统的其他模块之间进行连接和数据交换。

在该软件无线电系统中，所述子板选用RFX2400，收发带宽为30MHz，自动增益控制的范围为70dB，具有50mW的发送功率，覆盖从2.3GHz到2.9GHz范围，所述子板通过16位数字输入输出线可对天线和开关及外设进行控制。

在该软件无线电系统中，所述收发天线用于实现信号的接收和发送；所述PC机用于运行系统软件并完成相关的波形处理；所述SPI控制总线用于系统各模块之间的通讯和数据交换。

在该软件无线电系统中，系统在实现中频信号的数字下变频过程中采用多级滤波器级联的结构，在实现过程中，通过CIC滤波器、补偿滤波器和两级HB滤波器构成四级级的联抽取滤波器，其中CIC滤波器为16倍降采样，其他滤波器均为2倍降采样，整个级联结构共实现128倍抽取，分散了过渡带的负担，进而降低了各级的计算复杂度。

本发明的有益效果是：

一种基于FPGA和USB的上位机软件无线电平台，其特征在于，该系统由母板、子板、收发天线、PC机以及SPI控制总线组成，其中母板包括：A/D转换模块、FPGA模块、USB控制模块；所述的一种基于FPGA和USB的上位机软件无线电平台，为了使软件无线电系统能够得到最大程度的系统处理能力，并更多的利用软件来实现通信功能，本发明采用FPGA作为系统的主芯片，配合AD9862模数转换芯片完成硬件平台的搭建。该系统包括实现RF前端的子板和母板，母板上包括A/D转换模块、FPGA模块和可编程的USB控制模块。在硬件平台基础上，对FPGA编程实现数字下变频、抽样的高速通用操作，控制USB2.0接口，将信号传送至上位机，在上位机上完成波形相关的处理。该系统能够满足多标准通信的要求，从根本上提高了硬件系统的通用性与可扩展性，从而极大的降低了成本。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的解释说明。

图1是上位机软件无线电平台总体框架图；

图2是FPGA模块的部分硬件电路图；

图3是A/D转换模块的部分硬件连接图；

图4是EZ-USBFX2芯片架构图；

图5是抽取滤波器的总体结构图。

具体实施方式

本发明的具体实施方式为：所述的一种基于FPGA和USB的上位机软件无线电平台，首先，由两套天线捕捉空中的射频信号，分别在对应的2块子板上实现射频信号的模拟下变频，得到模拟中频信号，然后通过A/D转换模块将模拟中频转换为数字中频，进入数字域，在FPGA模块上进行数字中频处理，实现数字下变频功能，即将数字信号从中频搬移到基带，同时完成信号的抽取滤波，使数据速率降低到通用处理器可以处理的范围，适合USB传输，进一步将低数据率的基带信号在USB控制模块的作用下传送至PC机进行信号的编译码和FFT变换。

图1是上位机软件无线电平台总体框架图，该系统由母板、子板、收发天线、PC机以及SPI控制总线构成；其中，母板包括：A/D转换模块、FPGA模块、USB控制模块，母板用于完成中频信号采样和数字下变频；子板与SPI控制总线双向连接，用于完成射频信号的接收和将射频信号转换为中频信号；FPGA模块与USB控制模块通过GPIF接口双向相连，用于将下变频后的数据传入USB控制模块，继而将数据传输至PC机进行信号处理；A/D转换模块和FPGA模块之间采用并行数据线双向连接，用于信号的A/D转换；USB控制模块通过SPI接口与A/D转换模块连接，并对A/D转换模块进行配置和运行控制；PC机与子板和母板之间通过SPI接口双向连接，用于运行系统软件并完成相关的波形处理。

图2是FPGA模块的部分硬件电路图，本发明选用Xilinx公司的Spartan6系列的XC6SLX75T芯片，芯片内部包含5831个CLB(可配置逻辑块)，每一个CLB由2个Slice构成，共11662个，此外，芯片内部还有64个工作频率高达390MHz的18bit×18bit硬件乘累加器、3096Kb的BlockRAM、692Kb的分布式RAM和12个DCM(数字时钟管理器)。FPGA模块与USB控制模块通过GPIF接口相连，用于将下变频后的数据传入USB控制模块，继而将数据传输至PC机做进行信号处理。此外，FPGA与USB控制模块还通过SPI总线相连，USB控制模块通过SPI接口对FPGA进行配置。当将固件载入EZ-USBFX2芯片中时，软件无线电的硬件平台当USB的固件下载好后，系统硬件平台会像USB器件一样进行重枚举操作，然后PC机将其识别为新的USB器件，在USB固件中除了对端点和运行方式进行定义之外，还包括一些用户自己的命令，其中有一个是加载FPGA，收到该命令后，USB设备就能将FPGA的配置比特流文件下载到FPGA芯片中开始工作。

图3是A/D转换模块的部分硬件连接图，本发明中A/D转换模块选用ADI公司的AD9862芯片，AD9862芯片和FPGA之间采用并行的数据线进行连接，接收时子板上对射频信号进行下变频得到中频信号，并进行单端转差分操作，最后将子板输出的差分信号通过到VIN+A和VIN-A管脚送至芯片内部，A/D采样后12位数据通过并行数据线送给FPGA进行数据处理，此外，AD9862芯片与USB控制模块通过SPI接口相连，USB控制模块通过SPI接口对AD9862进行配置和运行控制。该芯片内含SPI接口和相应的SPI寄存器，将芯片与控制器以SPI总线相连，外部控制器便可以读写芯片内部寄存器，从而对芯片进行功能配置。AD9862的SPI通信由四根线来实现，分别用于工作时钟、数据输出、数据输入和通信使能，其中工作频率由外部控制器产生，且AD9862可以接受的工作频率最大是16MHz。

图4是EZ-USBFX2芯片架构图，该芯片内部含有一个USB2.0收发控制器、一个智能USB1.0/2.0引擎、一个PLL、一个通用可编程接口、一个I2C控制器和一个增强的8051内核，芯片内部的存储空间包括4KB的FIFO和8.5KB的RAM，有多个通用I/O接口与外部进行连接，其中，增强的8051内核里含有256字节的寄存器RAM、1个扩展的中断系统、3个计数器/定时器和2个UART，在标准的8051上进行了很多的改善，最高工作频率48MHz，指令的执行速度为4时钟周期每条指令，是标准内核的3倍。在本发明中，FX2芯片选择GPIF模式与外部接口相连，该模块用于同系统的其他模块之间进行连接和数据交换。

图5是抽取滤波器的总体结构图，在该软件无线电系统中，系统在实现中频信号的数字下变频过程中采用多级滤波器级联的结构，在实现过程中，通过CIC滤波器、补偿滤波器和两级HB滤波器构成四级级的联抽取滤波器，其中CIC滤波器为16倍降采样，其他滤波器均为2倍降采样，整个级联结构共实现128倍抽取，分散了过渡带的负担，进而降低了各级的计算复杂度。

除了上述以外本发明所属技术领域的普通技术人员也都能理解到，在此说明和图示的具体实施例都可以进一步变动结合。虽然本发明是就其较佳实施例予以示图说明的，但是熟悉本技术的人都可理解到，在所述权利要求书中所限定的本发明的精神和范围内，还可对本发明做出多种改动和变动。

Claims

1.一种基于FPGA和USB的上位机软件无线电平台，其特征在于该系统由母板、子板、收发天线、PC机以及SPI控制总线组成，其中母板包括：A/D转换模块、FPGA模块、USB控制模块；系统由两套天线捕捉空中的射频信号，分别在对应的2块子板上实现射频信号的模拟下变频，得到模拟中频信号，然后通过A/D转换模块将模拟中频转换为数字中频，进入数字域，在FPGA模块上进行数字中频处理，实现数字下变频功能，同时完成信号的抽取滤波，使数据速率降低到通用处理器可以处理的范围，适合USB传输，进一步将低数据率的基带信号在USB控制模块的作用下传送至PC机进行信号的编译码和FFT变换；所述2块子板分别与SPI控制总线双向连接；所述FPGA模块与USB控制模块通过GPIF接口双向相连；2个A/D转换模块同时和FPGA模块之间采用并行数据线双向连接；所述USB控制模块通过SPI接口与A/D转换模块连接；所述PC机与子板和母板之间通过SPI接口双向连接。

2.如权利要求1所述的上位机软件无线电平台，其特征在于，所述母板包括：A/D转换模块、FPGA模块、USB控制模块，该母板用于完成中频信号采样和数字下变频；所述子板选用RFX2400，收发带宽为30MHz，自动增益控制的范围为70dB，具有50mW的发送功率，覆盖从2.3GHz到2.9GHz范围，所述子板通过16位数字输入输出线可对天线和开关及外设进行控制；所述收发天线用于实现信号的接收和发送；所述PC机用于运行系统软件并完成相关的波形处理；所述SPI控制总线用于系统各模块之间的通讯和数据交换。

3.如权利要求1所述的上位机软件无线电平台，其特征在于，该系统在实现中频信号的数字下变频过程中采用多级滤波器级联的结构，在实现过程中，通过CIC滤波器、补偿滤波器和两级HB滤波器构成四级级的联抽取滤波器，其中CIC滤波器为16倍降采样，其他滤波器均为2倍降采样，整个级联结构共实现128倍抽取，分散了过渡带的负担，进而降低了各级的计算复杂度。

4.如权利要求1所述的上位机软件无线电平台，其特征在于，所述A/D转换模块选用ADI公司的AD9862芯片，AD9862芯片和FPGA之间采用并行的数据线进行连接，接收时子板上对射频信号进行下变频得到中频信号，并进行单端转差分操作，最后将子板输出的差分信号通过到VIN+A和VIN-A管脚送至芯片内部，A/D采样后12位数据通过并行数据线送给FPGA进行数据处理，此外，AD9862芯片与USB控制模块通过SPI接口相连，USB控制模块通过SPI接口对AD9862进行配置和运行控制；所述FPGA模块选用Xilinx公司的Spartan6系列的XC6SLX75T芯片，FPGA模块与USB控制模块通过GPIF接口相连，用于将下变频后的数据传入USB控制模块，继而将数据传输至PC机做进行信号处理；此外，FPGA与USB控制模块还通过SPI总线相连，USB控制模块通过SPI接口对FPGA进行配置；所述USB控制模块选用赛普拉斯公司生产的EZ-USBFX2芯片，FX2芯片内部有多个通用I/O接口与外部进行连接，所述FX2芯片选择GPIF模式与外部接口相连，该模块用于同系统的其他模块之间进行连接和数据交换。