CN109639292A - 一种基于高速数据处理fpga架构的无线自组网通信电台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高速数据处理FPGA架构的无线自组网电台,包括基带数据处理模块、接收/发射通道模块和功率放大模块。其中，基带数据处理模块是无线自组网通信设备的核心，主要包含数据处理与控制模块、中频解调模块、射频调制模块、电源模块、时钟模块和各功能接口模块。该模块在单片处理器上集成了ARM核与FPGA功能的IC芯片，实现专用芯片配置解调、控制和基带信号处理等功能，取代了传统方式中，采用单片处理器与单片FPGA相结合的分离式硬件架构。利用其高速数据处理能力、可移植性和可控性，有效地解决了模块间通信带宽不足，提高了无线网络通信能力。同时简化了设计，缩小了模块体积。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种基于高速数据处理FPGA架构的无线自组网通信电台。
背景技术
无线自组网通信系统，涵盖Ad Hoc网络、无线Mesh网络、无线传感器网络，是集前端采集系统、数据传输系统、实时监控系统与管理系统于一体的综合通信系统。
系统完全分布式控制，无需网络基础设施。系统各节点无中心、自动组网、自主配置、链路自动修复、动态拓扑自动调节，具备很强的抗毁性。系统具备很强的兼容性，可以与Internet互联网、卫星通信VSAT网络及其他基于IP层协议的网络交互通信，可以通过单一频率小范围自组网，多频融合网络完成频间大规模组网。系统具备统一网管和良好的人机交互界面，可实现系统之间信息传输和数据交换与监管。
无线自组网通信设备采用COFDM技术，多节点组成一个自组网IP无线通信网络，在网络内实现数据、视频和音频的点对点、点对多点、多点到多点的多方向传输。该通信设备为无中心、自组织、自愈型无线通信网，网络内的节点均具备自动多跳接力通信功能。
无线自组网通信设备可以支持野外联络，独立战斗群通信和舰队战斗群通信，应急通信以及无人侦查与情报传输，为战斗兵团和各兵种部队作战指挥提供保障，实现多种终端的“动中互通”；在民用领域可以为公安、消防、政府应急、电信运营商等提供快速部署、高效可靠的战术无线通信系统解决方案。
无线自组网技术是组网通信发展的较高阶段。在组网通信领域，无线自组网通信系统是一个典型的复杂系统。在这个复杂系统中，如何提高通信能力是当前的一个研究热点。传统的无线自组网硬件架构采用处理器与FPGA相结合的方式，在这种硬件架构中，处理器与FPGA间的通信带宽不足、硬件结构复杂、不易控制等缺点往往会成为无线自组网系统的发展瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于高速数据处理FPGA架构的无线自组网电台，以解决上述技术问题。
为实现上述目的本发明采用以下技术方案：
一种基于高速数据处理FPGA架构的无线自组网电台，包括基带处理模块、接收/发射通道模块和功率放大模块，其中接收/发射通道模块主要由射频放大器、滤波器、下变频器、频综芯片、中频VGA芯片和电源处理芯片组成，用于将天线接收到的射频信号进行下变频至中频信号，将该中频信号转发至调制解调控制模块，进行解调和处理，功率放大模块用于对设备的发射信号进行功率放大，基带处理模块包括数据处理与控制模块、中频解调模块、射频调制模块、电源模块、时钟模块和各功能接口模块，数据处理与控制模块基于具有高速数据处理能力的FPGA架构，即在单片处理器上集成了ARM核与FPGA功能的IC芯片，实现专用芯片配置解调、控制和基带信号处理。
作为本发明进一步的方案，所述数据处理与控制模块用于完成对输入数字化后的中频信号进行解调处理，随后将解调处理后的数据经COFDM调制送入D/A转换器；
为专用功能电路提供所需的配置：包括模数转换器、数模转换器、锁相环、时钟；完成对静态存储器NOR Flash和动态存储器DDR3的控制；
同时与外部专用接口电路进行数据交互，完成对接收/发射通道单元和功率放大单元的控制。
作为本发明进一步的方案，所述中频解调模块用于接收通道单元放大、滤波、下变频处理后的中频模拟信号，经模/数转换器后为基带数据处理模块提供需处理的数字信号。
作为本发明进一步的方案，射频调制模块用于将D/A转换后的COFDM调制信号，经正交调制后直接转换为L波段的射频信号，经滤波、放大后送入功放单元。
作为本发明进一步的方案，电源模块用于将外部提供的12V直流电源转化为基带数据处理模块所需的各电源轨道，并为接收/发射通道单元提供系统电源。
作为本发明进一步的方案，时钟模块提供基带数据处理模块、接收/发射通道单元所需的各时钟信号。
作为本发明进一步的方案，所述功能接口模块包括以太网接口模块、音频接口模块、串行数据接口模块、SD卡接口模块、指示灯接口模块、功放单元与接收/发射通道单元控制接口模块。
作为本发明进一步的方案，以太网接口模块设计有两个相互独立的10/100M速率自适应以太网接口，用于提供基于Web的人机交互界面，即将各节点和网络状态信息以图形和文字的方式直观展示在网页界面中，并对组网电台的工作参数进行配置与读取，还可通过该以太网接口进行在线程序更新；可外接IP摄像头进行图像信息采集工作，即将当前节点所采集的图像信息转发至同一Mesh网络内的其它任意节点，
两组以太网接口均由标准的JST连接器与整机外部的RJ45连接器相连，基于FPGA架构的高速数据处理器包含了两个千兆以太网MAC层硬件，因此其外部还需外接以太网物理层传输接口芯片，该芯片可支持RGMII与SGMII接口形式，并采用4位数据接口，工作时钟为25MHz，其在时钟的上升沿和下降沿同时传输数据，使其传输速率可达100Mbps，同时，支持RGMII接口芯片相对于只支持GMII接口芯片在数据的收、发上减少了8根数据线，使芯片的封装体积得到有效减少，从而减少了PCB的布板面积。
作为本发明进一步的方案，无线自组网电台基带数据处理模块的音频接口，同样采用标准的JST连接器，与整机外部的标准3.5mm音频接口连接，通过麦克风输入的音频信号经音频编解码芯片以及数据处理与控制单元处理后，发送至同一Mesh网络中的其他电台节点，从而实现两台或多台设备的实时双向语音通信。
作为本发明进一步的方案，设计有两个RS232和一个RS485串行数据接口，都可作为外接GPS接收机的串行数据输入接口，为每台设备提供定位数据信息，还可通过上位机发送的指令控制信息控制、修改设备的工作参数，并在上位机界面上实时显示；
无线自组网电台还具有扩展存储器空间功能，即设备通过SD存储卡存储图像、音频信息，当存储容量达到上限时可自动进行循环覆盖，无线自组网电台的外部双色LED指示灯，通过点亮不同颜色来指示整机的工作状态，
基带数据处理模块通过标准的JST接口与功放单元控制接口模块连接，来控制功放单元控制接口模块的上电与使能。
本发明公开的基于高速数据处理FPGA架构无线自组网通信设备，在单片处理器上集成了ARM核与FPGA功能的IC芯片，实现专用芯片配置解调、控制和基带信号处理等功能，取代了传统方式中，采用单片处理器与单片FPGA相结合的分离式硬件架构。利用其高速数据处理能力、可移植性和可控性，有效地解决了模块间通信带宽不足，提高了无线网络通信能力。同时简化了设计，缩小了模块体积。本发明具体可实现以下功能：
a.远距离非视距无线通信
无线自组网装置节点支持1.0GHz-1.5GHz频段，专门为远距离无线Mesh组网或非视距无线Mesh组网而开发的专网无线通信产品。
b.高性能单频无线自组网
无线自组网设备采用单频组网，力争最大程度的简化现场配置和实施，满足应急通信和临时组网中对于快速建网和零配置的要求。
无线自组网设备节点采用专有的通信协议,以网状网拓扑传输双向IP通信流量，支持多种信道带宽。通过采用先进的调制编码和前向纠错技术，可提供高达15Mbps高带宽，支持数据、语音和视频业务的双向通信。
c.简单的大规模部署和网络管理
无线自组网设备支持自动组网功能、自动配置功能、自愈功能，自动的组成高冗余性的无线Mesh网状网，帮助降低部署成本和运营维护成本。
高度灵活的无线自组网拓扑不仅支持点对点、点对多点，更令多点对多点的无中心自组网成为可能，使其成为移动视频监控、指挥和控制或移动机器人等应用中理想的无线通信手段。
d.多点可靠传输功能
无线自组网设备支持智能的无线自组网Mesh算法，确保网络通信性能总是在最优水平。系统同时具备“调整”和“修复”功能，以便动态的、自动的优化无线网络通信，基本上消除了单点故障的影响。
每台无线自组网设备节点都具备分布式智能，可感知邻站，当任意一台临近基站出现故障或者过载等问题，受到影响的基站设备将自动的重定向无线网络链路，满足了用户对于冗余性和稳定性的要求。
e.高速移动功能
无线自组网设备产品和解决方案支持车辆高速移动和快速漫游切换，支持高达300公里的移动速度、高速漫游切换和会话持续性。
产品也可作为专用车载或机载移动设备，利用优化的私有算法交付快速切换和漫游能力。
附图说明
图1为本发明无线自组网电台示意框图。
图2为本发明基带处理模块原理框图。
图3为本发明无线自组网电台对外接口示意图。
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、完整的阐述。
如图1-3所示，一种基于高速数据处理FPGA架构的无线自组网电台，其特征在于，包括基带处理模块、接收/发射通道模块和功率放大模块，其中接收/发射通道模块主要由射频放大器、滤波器、下变频器、频综芯片、中频VGA芯片和电源处理芯片组成，用于将天线接收到的射频信号进行下变频至中频信号，将该中频信号转发至调制解调控制模块，进行解调和处理，功率放大模块用于对设备的发射信号进行功率放大，基带处理模块包括数据处理与控制模块、中频解调模块、射频调制模块、电源模块、时钟模块和各功能接口模块，数据处理与控制模块基于具有高速数据处理能力的FPGA架构，即在单片处理器上集成了ARM核与FPGA功能的IC芯片，实现专用芯片配置解调、控制和基带信号处理。
所述数据处理与控制模块用于完成对输入数字化后的中频信号进行解调处理，随后将解调处理后的数据经COFDM调制送入D/A转换器；
为专用功能电路提供所需的配置：包括模数转换器、数模转换器、锁相环、时钟；完成对静态存储器NOR Flash和动态存储器DDR3的控制；
同时与外部专用接口电路进行数据交互，完成对接收/发射通道单元和功率放大单元的控制。
所述中频解调模块用于接收通道单元放大、滤波、下变频处理后的中频模拟信号，经模/数转换器后为基带数据处理模块提供需处理的数字信号。
射频调制模块用于将D/A转换后的COFDM调制信号，经正交调制后直接转换为L波段的射频信号，经滤波、放大后送入功放单元。
电源模块用于将外部提供的12V直流电源转化为基带数据处理模块所需的各电源轨道，并为接收/发射通道单元提供系统电源。
时钟模块提供基带数据处理模块、接收/发射通道单元所需的各时钟信号。所述功能接口模块包括以太网接口模块、音频接口模块、串行数据接口模块、SD卡接口模块、指示灯接口模块、功放单元与接收/发射通道单元控制接口模块。
以太网接口模块设计有两个相互独立的10/100M速率自适应以太网接口，用于提供基于Web的人机交互界面，即将各节点和网络状态信息以图形和文字的方式直观展示在网页界面中，并对组网电台的工作参数进行配置与读取，还可通过该以太网接口进行在线程序更新；可外接IP摄像头进行图像信息采集工作，即将当前节点所采集的图像信息转发至同一Mesh网络内的其它任意节点，两组以太网接口均由标准的JST连接器与整机外部的RJ45连接器相连，基于FPGA架构的高速数据处理器包含了两个千兆以太网MAC层硬件，因此其外部还需外接以太网物理层传输接口芯片，该芯片可支持RGMII与SGMII接口形式，并采用4位数据接口，工作时钟为25MHz，其在时钟的上升沿和下降沿同时传输数据，使其传输速率可达100Mbps，同时，支持RGMII接口芯片相对于只支持GMII接口芯片在数据的收、发上减少了8根数据线，使芯片的封装体积得到有效减少，从而减少了PCB的布板面积。
无线自组网电台基带数据处理模块的音频接口，同样采用标准的JST连接器，与整机外部的标准3.5mm音频接口连接，通过麦克风输入的音频信号经音频编解码芯片以及数据处理与控制单元处理后，发送至同一Mesh网络中的其他电台节点，从而实现两台或多台设备的实时双向语音通信。
设计有两个RS232和一个RS485串行数据接口，都可作为外接GPS接收机的串行数据输入接口，为每台设备提供定位数据信息，还可通过上位机发送的指令控制信息控制、修改设备的工作参数，并在上位机界面上实时显示；
无线自组网电台还具有扩展存储器空间功能，即设备通过SD存储卡存储图像、音频信息，当存储容量达到上限时可自动进行循环覆盖，无线自组网电台的外部双色LED指示灯，通过点亮不同颜色来指示整机的工作状态，
基带数据处理模块通过标准的JST接口与功放单元控制接口模块连接，来控制功放单元控制接口模块的上电与使能。
本发明实施例主要性能指标如下：
a.输出频率：L波段1.0～1.5GHz。
b.输出功率：≤2W，可调。
c.输出带宽：2.5MHz，3.0MHz，3.5MHz，5.0MHz，6.0MHz，可配置。
d.数据吞吐速率：最高8.9Mbps。
e.载波调制：BPSK，QPSK，16QAM自适应。
f.FEC：1/2，2/3编码自适应。
g.IP地址分配：DHCP动态分配IP地址/静态IP。
h.天线
1)小尺寸天线增益：≥3.5dBi；
2)大尺寸天线增益：≥8dBi；
3)电压驻波比：≤2。
i.电源
1)装置DC输入：12V；
2)适配器电源输入：
交流220V(+10％～-10％)，50Hz±2Hz；
直流48V；
3)适配器额定输出电压：DC12V；
4)功耗：最高发射功率2W时，设备功耗小于18W。
j.视频和音频流：兼容VLC组播，支持RTSP；
k.接收灵敏度：稳固调制方式下-98dBm；
l.节点从加电到组网用时不超过5秒；
m.支持32节点同频组网；
n.支持最少3个频点不同频组网；
o.网络具有自我组织、自动配置、性能自动调节、链路自动修复等特性，可随时调整网络拓扑、节点间连接关系和传输能力，快速自动生成新的网络拓扑，自适应重组时间小于1s；
p.单网支持多达15跳的中继接力传输能力；
q.具备高速移动通信能力，可在搭载平台上以100公里以上时速移动中进行实时双向视频语音通信；
l.节点之间的无线传输可实现视距40公里满速率传输，视距50公里500kbps传输速率；
m.非视距不低于3公里(以视距干涉障碍物具体情况而定)的单点传输距离，传输速率可达500kbps。
以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于高速数据处理FPGA架构的无线自组网电台，其特征在于，包括基带处理模块、接收/发射通道模块和功率放大模块，其中接收/发射通道模块主要由射频放大器、滤波器、下变频器、频综芯片、中频VGA芯片和电源处理芯片组成，用于将天线接收到的射频信号进行下变频至中频信号，将该中频信号转发至调制解调控制模块，进行解调和处理，功率放大模块用于对设备的发射信号进行功率放大，基带处理模块包括数据处理与控制模块、中频解调模块、射频调制模块、电源模块、时钟模块和各功能接口模块，数据处理与控制模块基于具有高速数据处理能力的FPGA架构，即在单片处理器上集成了ARM核与FPGA功能的IC芯片，实现专用芯片配置解调、控制和基带信号处理。
2.如权利要求1所述的一种基于高速数据处理FPGA架构的无线自组网电台，其特征在于，所述数据处理与控制模块用于完成对输入数字化后的中频信号进行解调处理，随后将解调处理后的数据经COFDM调制送入D/A转换器；
为专用功能电路提供所需的配置：包括模数转换器、数模转换器、锁相环、时钟；完成对静态存储器NOR Flash和动态存储器DDR3的控制；
同时与外部专用接口电路进行数据交互，完成对接收/发射通道单元和功率放大单元的控制。
3.如权利要求1所述的一种基于高速数据处理FPGA架构的无线自组网电台，其特征在于，所述中频解调模块用于接收通道单元放大、滤波、下变频处理后的中频模拟信号，经模/数转换器后为基带数据处理模块提供需处理的数字信号。
4.如权利要求1所述的一种基于高速数据处理FPGA架构的无线自组网电台，其特征在于，射频调制模块用于将D/A转换后的COFDM调制信号，经正交调制后直接转换为L波段的射频信号，经滤波、放大后送入功放单元。
5.如权利要求1所述的一种基于高速数据处理FPGA架构的无线自组网电台，其特征在于，电源模块用于将外部提供的12V直流电源转化为基带数据处理模块所需的各电源轨道，并为接收/发射通道单元提供系统电源。
6.如权利要求1所述的一种基于高速数据处理FPGA架构的无线自组网电台，其特征在于，时钟模块提供基带数据处理模块、接收/发射通道单元所需的各时钟信号。
7.如权利要求1所述的一种基于高速数据处理FPGA架构的无线自组网电台，其特征在于，所述功能接口模块包括以太网接口模块、音频接口模块、串行数据接口模块、SD卡接口模块、指示灯接口模块、功放单元与接收/发射通道单元控制接口模块。
8.如权利要求7所述的一种基于高速数据处理FPGA架构的无线自组网电台，其特征在于，以太网接口模块设计有两个相互独立的10/100M速率自适应以太网接口，用于提供基于Web的人机交互界面，即将各节点和网络状态信息以图形和文字的方式直观展示在网页界面中，并对组网电台的工作参数进行配置与读取，还可通过该以太网接口进行在线程序更新；可外接IP摄像头进行图像信息采集工作，即将当前节点所采集的图像信息转发至同一Mesh网络内的其它任意节点，
两组以太网接口均由标准的JST连接器与整机外部的RJ45连接器相连，基于FPGA架构的高速数据处理器包含了两个千兆以太网MAC层硬件，因此其外部还需外接以太网物理层传输接口芯片，该芯片可支持RGMII与SGMII接口形式，并采用4位数据接口，工作时钟为25MHz，其在时钟的上升沿和下降沿同时传输数据，使其传输速率可达100Mbps。
9.如权利要求7所述的一种基于高速数据处理FPGA架构的无线自组网电台，其特征在于，无线自组网电台基带数据处理模块的音频接口，同样采用标准的JST连接器，与整机外部的标准3.5mm音频接口连接，通过麦克风输入的音频信号经音频编解码芯片以及数据处理与控制单元处理后，发送至同一Mesh网络中的其他电台节点，从而实现两台或多台设备的实时双向语音通信。
10.如权利要求7所述的一种基于高速数据处理FPGA架构的无线自组网电台，其特征在于，设计有两个RS232和一个RS485串行数据接口，都可作为外接GPS接收机的串行数据输入接口，为每台设备提供定位数据信息，还可通过上位机发送的指令控制信息控制、修改设备的工作参数，并在上位机界面上实时显示；
无线自组网电台还具有扩展存储器空间功能，即设备通过SD存储卡存储图像、音频信息，当存储容量达到上限时可自动进行循环覆盖，无线自组网电台的外部双色LED指示灯，通过点亮不同颜色来指示整机的工作状态，基带数据处理模块通过标准的JST接口与功放单元控制接口模块连接，来控制功放单元控制接口模块的上电与使能。
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