CN109743063A - 一种基带处理单元、基于fpga的无线通信系统及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基带处理单元、基于FPGA的无线通信系统及设备，其中，基带处理单元，发射模块，发射模块内具有调制单元，调制单元内包括多种调制模式，调制单元用于获取上行数据，并从多种调制模式中选择对应于上行数据的调制模式对上行数据进行调制处理；接收模块，接收模块内具有解调单元，解调单元内包括多种解调模式，解调单元用于接收下行数据，并从多种解调模式中选择对应于下行数据的解调模式对下行数据进行解调处理，其中，多种解调模式与多种调制模式一一对应。本发明能够根据实际需要选择不同的基带处理模式，从而实现不同的数据传输速率，这样就能够根据实际需要调整数据的传输距离，实现远距离传输，提高了资源利用率。

Description

一种基带处理单元、基于FPGA的无线通信系统及设备

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基带处理单元、基于FPGA的无线通信系统及设备。

背景技术

无线网络(wireless network)是采用无线通信技术实现的网络。无线网络既包括允许用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络，也包括为近距离无线连接进行优化的红外线技术及射频技术，与有线网络的用途十分类似。

目前偏远地区广泛应用的无线通讯技术主要有GPRS/CDMA、数传电台、扩频微波、无线网桥及卫星通信、短波通信技术等。它主要使用在较为偏远或不宜铺设线路的地区，如：煤矿、海上、有污染或环境较为恶劣地区等。但是现有的远距离无线通信，比如移动通信多采用多节点通信方案，在每个节点建立基站，通过基站进行多节点的数据信号转发，从而实现远距离的通信。缺点是需要建立多个固定的信号塔，在有人聚集区此方案可靠可行，但是对于无人聚集区是不可行的，并且现有技术中使用同一无线通信系统的数据信号的传输距离是确定的，而无人区的通信并不是一直存在，这样就会造成资源浪费；同时，建设信号塔的成本太昂贵，对信号塔的维护检查操作的成本也很高，特别是在例如沙漠这种极端条件下，信号塔的维护特别困难。因此需要一种能够降低人工成本，且能够实现远距离通信管控的通信设备。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种基带处理单元、基于FPGA的无线通信系统及设备。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供一种基带处理单元，包括：

发射模块，所述发射模块内具有调制单元，所述调制单元内包括多种调制模式，所述调制单元用于获取上行数据，并从多种所述调制模式中选择对应于所述上行数据的调制模式对所述上行数据进行调制处理；

接收模块，所述接收模块内具有解调单元，所述解调单元内包括多种解调模式，所述解调单元用于接收下行数据，并从多种所述解调模式中选择对应于所述下行数据的解调模式对所述下行数据进行解调处理，其中，所述多种解调模式与所述多种调制模式一一对应。

在一个具体的实施例中，还包括发送状态机和第一时钟模块；

所述第一时钟模块用于向所述发送状态机发送第一时钟信号；

所述发送状态机用于根据所述第一时钟信号向所述调制单元发送调制指令；

所述调制单元用于获取所述上行数据，并根据所述调制指令从多种调制模式中选择对应于所述上行数据的调制模式对所述上行数据进行调制处理。

在一个具体的实施例中，还包括接收状态机和第二时钟模块；

所述第二时钟模块用于向所述接收状态机发送第二时钟信号；

所述接收状态机用于根据所述第二时钟信号向所述解调单元发送解调指令；

所述解调单元用于接收所述下行数据，并根据所述解调指令，从多种解调模式中选择对应于所述下行数据的解调模式对所述下行数据进行解调处理。

本发明实施例还提供一种基于FPGA的无线通信系统，包括：

如上述任一实施例所述的基带处理单元；

射频单元，用于通过天线接收所述下行数据，并将所述下行数据发送给所述接收模块，或者，从所述发射模块获取所述上行数据，并将所述上行数据通过天线发出。

在一个具体的实施例中，所述射频单元包括功放发射机；

功放发射机包括多级功放器，相邻的两级功放器之间设置有隔离器或者温补衰减器。

在一个具体的实施例中，所述功放发射机包括依次连接的环形器、第一功放器、温补衰减器、第二功放器、第一隔离器、第三功放器、第二隔离器、第四功放器和第三隔离器。

在一个具体的实施例中，所述功放发射机还设有包括增益补偿模块，用于给任意一个或多个功放器进行增益补偿。

在一个具体的实施例中，所述射频单元包括功放接收机，所述功放接收机包括依次连接的限幅器、低噪声放大器、第一射频开关和第二射频开关。

本发明另一实施例还提供一种基于FPGA的无线通信设备，包括存储器、处理器和寄存器，所述寄存器内存储有计算机程序；

所述处理器执行所述计算机程序实现如下步骤：从所述存储器中获取上行数据，并从多种所述调制模式中选择对应于所述上行数据的调制模式对所述上行数据进行调制处理；并将所述上行数据通过天线发出；

或者，通过天线接收下行数据，并从多种所述解调模式中选择对应于所述下行数据的解调模式对所述下行数据进行解调处理，并将所述下行数据发送到所述存储器。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明实施例提供的基带处理单元，通过在调制单元上集成多种调制模式，使得基带处理单元能够根据实际需要选择不同的基带处理模式，从而实现不同的数据传输速率，这样就能够根据实际需要调整数据的传输距离，实现远距离传输，对应的在解调单元上集成多种解调模式，这样就可以针对接收到的不同传输速率的数据进行解调，提高了设备工作效率。

2、本发明实施例提供的基于FPGA的无线通信系统，包括基带处理单元和射频单元，基带处理单元通过对数据进行调制，使得数据传输效率提高，进一步的，射频单元通过功率放大器，实现对数据的线性传输，以及使发送数据达到预设功率，保证数据的线性度。

附图说明

图1为本发明提供的基带处理单元的模块图；

图2为本发明提供的无线通信系统的示意图；

图3为本发明提供的基带处理单元的工作原理图；

图4为本发明提供的调制解调原理示意图；

图5为本发明提供的射频单元的原理示意图；

图6为本发明提供的功放发射机结构及增益补偿示意图。

具体实施方式

在本发明实施例仅是为了便于对本发明的技术方案进行解释说明，本技术方案并不限于本发明实施例所提供的内容，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例一

本发明提供一种基带处理单元，用户端用PC机连接设备网口，并通过网口下发上行数据和接收设备处理完成的下行数据。如图1所示，本发明提供的基带处理单元的主要功能包括：1、配置射频ad9361；2、在发射端完成对上行数据的调制处理，调制处理包括接收、加扰、交织、编码、调制映射、插值滤波等等，然后通过数据接口输出给射频单元；3、在接收端完成从射频单元接口接收下行数据，并对下行数据进行解调处理，解调处理包括匹配滤波、分组检测、信号的粗同步、细同步、信道估计、频域均衡、解映射、解码、解扰等等，然后通过数据接口输出给用户端。

具体的，基带处理单元使用高性能FPGA和高速AD-DA芯片，通过使用FPGA数字化基带，可以方便地通过软件配置实现多种工作模式，可通过外接不同射频模块来实现不同功能。

本发明实施例中，基带处理单元总体设计原理框图如图3所示，基带上电，软件使能en，主机的第一时钟模块向发送状态机发送第一时钟信号，驱动发送状态机FSM_TX产生tx_nf信号(调制指令)，同时产生tx_2829信号驱动射频单元打开，tx_nf信号(调制指令)驱动发射模块pro_tx对从DMA读取的上行数据进行调制处理，直至将上行数据送至射频单元的射频接口，发送结束；第一时钟模块产生上行帧结束信号，然后第二时钟模块产生第二时钟信号；接收状态机FSM_RX接收到第二时钟信号，产生rx_nf信号(解调指令)和rx_2829信号，接收模块收到rx_nf信号(解调指令)启动接收准备，rx_2829信号驱动射频单元打开接收端，接收模块接收下行数据，并对下行数据进行解调处理后，将下行数据存储至DMA，接收模块处理结束会产生rx_over信号。

需要说明的是，本发明中，基带处理单元设置两组，其中一组为主机，另一组为从机，主机与从机的设置模式、单元结构以及工作原理均如上述内容所述；在实际工作时，从机信号的处理和主机相反，主机是先发送，再接收，从机在系统中是先接收再发送，并且，当主机处于发送状态时，从机处于接收状态；当主机处于接收状态时，从机处于发送状态。

进一步的，本实施例中，DMA模块的数据时钟为100MHZ，基带处理单元采用9361的分频时钟122.88MHZ的二分之一61.44MHZ。因此在DMA模块和发射模块pro_tx之间采用大缓冲区同步。发射模块主要完成加扰、编码、交织、映射分集、装帧、插值滤波等操作。其中，加扰就是用一个伪随机码序列对扩频码进行相乘，对信号进行加密；S编码，又称里所码，即Reed-solomon codes，是一种前向纠错的信道编码，对由校正过采样数据所产生的多项式有效，当接收器正确的收到足够的点后，它就可以恢复原来的多项式，即使接收到的多项式上有很多点被噪声干扰失真；交织其实是通信系统中进行数据处理而采用的一种技术，交织器从其本质上来说就是一种实现最大限度的改变信息结构而不改变信息内容的编码方式。映射分集是为了提供不同速率采用的不同的调制模式。

本发明的基带处理单元中，发射模块中设有调制单元，调制单元中设置有QPSK、8PSK、16QAM等多种调制模式，如表1所示，发射模块可以根据具体接收到的调制指令，选择具体的某一种调制模式对上行数据进行调制控制，不同的调制模式对应不同的信号速率等级，从而控制数据的发送距离。这样在无人区需要远距离通信时，输入对应的调制指令，达到远距离传输的目的，而不需要通信时，则输入对应的调制指令，完成近距离通信，通信管控更加灵活，而且不需要另外设置基站，降低了成本。

表1

控制指令(mode)	调制模式	速率等级
			010	QPSK	200mbps
101	8PSK	35mbps
			111	16QAM	50mbps

对应的，基带处理单元的接收模块中设有解调单元，解调单元内对应于调制单元的多种调制模式设置有多种解调模式，解调单元用于对接收到的下行数据进行解调处理。由于射频单元和基带处理单元的时钟不同，因此需要在二者之间进行缓冲同步处理，同步以后，基带处理单元对接收模块接收的下行数据进行匹配滤波，分组检测、粗频偏检测和矫正、粗同步、细频偏检测和矫正、细同步、信道估计、频域均衡等等，这些操作是为了准确的从信号中找到需要的信息，并消除因为无线传输产生的频偏。

需要说明的是，调制指令为发射状态机基于FPGA控制信号生成的二进制调制参数，解调指令为接收状态机基于FPGA控制信号生成的二进制解调参数。

如图4所示，对调制解调原理进行举例说明，SOQPSK调制是一种带宽效率很高且严格恒包络的调制模式。SOQPSK调制解调方案复用QPSK调制解调模块，只需专门针对SOQPSK调制模式分别在QPSK调制前和QPSK解调后添加相应的操作模块。

实施例二

本发明实施例提供一种基于FPGA的无线通信系统，如图2所示，包括实施例一种的基带处理单元和射频单元，其中，射频单元的主要功能包括：1、将数字信号转为模拟信号及将模拟信号转为数字信号；2、实现频谱搬移功能；3、将模拟信号放大并保证模拟信号不失真。

具体的工作过程为：用户端用PC机连接设备网口，并通过网口向基带处理单元下发上行数据，基带处理单元根据上行数据的特征选择合适的调制处理模式进行调制，并将调制好的上行数据发送给射频单元，射频单元对上行数据进行模数数模转换、频谱搬移以及信号放大之后，通过天线发射出去。另一方面，射频单元通过天线接收下行数据，并对下行数据进行频谱搬移、模数数模转换后，发送给基带处理单元，基带处理单元根据下行数据的特征选择合适的解调处理模式进行解调处理，然后将处理后的下行数据上传给PC机用户端或者DMA模块。

本发明实施例中，基带处理单元通过对数据进行调制，使得数据传输效率提高，进一步的，射频单元通过功率放大器，实现对数据的线性传输，以及使发送数据达到预设功率，保证数据的线性度。

具体的，射频单元包括AD9361射频芯片、射频前端以及功率放大器以及一级射频滤波器和收发切换开关。

其中，AD9361射频芯片具有极高的集成性和灵活性，其完成了从数字基带信号到射频已调信号间的全部转换与模拟信号处理功能，包括滤波、放大、AGC、IQ校准、频率综合等，AD9361射频芯片还具有零中频载频搬移功能。

射频前端包括ADc/DAc/RSSI/数字控制接口，如图5所示，其中，高速DAC接口用于将从基带处理单元接收到的数字信号转换为模拟信号，并把模拟信号给到射频芯片；而高速ADC接口用于将从射频芯片接收到的模拟信号转换为数字信号，并把数字信号给到基带处理单元；低速ADC接口用于将模拟RSSI(接收信号强度)转换为数字RSSI。这样射频前端可一次性完成I、Q双路模拟信号处理，同步给出实时RSSI(接收信号强度)指示，提供完全集成的接收与发送通道、VCO、滤波、频率合成器以及基带/控制接口。

功率放大器主要用于空地链路远距离通信系统，是本发明的无线通信系统非常关键的设备。实现高功率输出的同时保证足够的线性度是保证远距离通信成功的关键。功率放大器包括功放发射机和功放接收机，其中功放发射机是把输入功率线性放大至25W从而实现信号无失真的远距离传输和覆盖。功放接收机则是把接收到的小信号进行放大后再传至后级电路进行处理，同时把接收机的噪声系数压至最低。

具体的，功放发射机包括多级功放器和位于相邻的两级功放器之间的隔离器或者温补衰减器，其中，多级功放器用于实现信号的线性放大，隔离器的作用是：第一，保证每级放大器输出驻波非常小；第二，降低功放管的反串信号，以免功放管自激烧毁。同时，为了应对高低温下功放输出功率变化较大的问题，在发射通道加上一个3dB的负温度系数温补衰减器(高温时衰减小，低温时衰减大)，使高低温对功放输出功率的影响降到最低。

优选的，本发明实施例中，功放发射机包括依次连接的环形器、第一功放器PA1、-3dB温补衰减器、第二功放器PA2、第一隔离器1、第三功放器PA3、第二隔离器2、第四功放器PA4和第三隔离器3。其中，功放器即为放大器，4级功放器中前3级功放器驱动第4级功放器输出功率达到32W，且保证输出32W时IMD3有-20dBc。

功率放大器的核心是半导体器件，该器件从最初的磁控管，行波管半导体发展到技术相对较为成熟的砷化镓场效应管(GaAs FET)以及最近新兴的氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)半导体但目前受限于功放管可选性范围较窄及国外对我国采购进行限制等因素，最终确定使用GaN功率放大器来实现功率放大。经过筛选和性能对比，末级功放管和推动级功放管确定选用美国MACOM公司的GaN芯片。

由于功率放大器和网络收发器之间可能会相隔较长的距离，所以必须考虑到长线缆带来的损耗。为应对该问题，功放发射机上还设有增益补偿模块，用于给每一级功放进行增益补偿，本实施例中，功放发射机设置四级放大器，总增益大于等于40dB。每一级放大器增益和输出功率如图6所示。

举例而言，第四功放管为末级功放管，其1dB压缩点为50W，为保证输出线性度，采用线性回退方式实现25W功率输出。第三功放管为推动级功放管，其1dB压缩点为16W，为保证输出线性度，功放回退至6W来推动末级功放器。这两级大功率功放管的功率输出及效率优化是设计的最关键点。当输入的电平在要求范围内时，通过具体调整增益大小以保证输出功率为25W。其中，第一功放器和第二功放器选用Hittite公司的小功率GaN线性放大器，增益相对较高。第三功放器和第四功放器选用的是MACOM的大功率的GaN场效应管，是整个功放的核心部件。

本实施例中，射频单元还包括功放接收机，功放接收机主要包括低噪声放大器(LNA)主要功能是把接收进来的小信号进行放大，并压低整个接收机的噪声系数，提高接收机灵敏度。

进一步的，由于功率放大器是收发一体机，当功放发射机工作时，功放发射机信号通过环形器泄漏到接收链路，并通过接收链路返回到功放发射机的输入端，引起发射链路自激。为解决该问题，实现方法是在LNA之前加能承受大功率的限幅器，在LNA之后加2级隔离开关，以实现足够的隔离。

举例而言，当功放发射机输出最大功率+44dBm时，环形器的隔离度约有15dB，那么泄漏到功放接收机限幅器前约有+30dBm，经过限幅器限幅后，变成+6dBm。功放发射机工作时，接收机的LNA是不上电的，这样LNA约有20dB的隔离，那么功率减小为-14dBm。然后经过2及隔离开关(每一级开关的隔离度为27dB)，信号进一步减小到-68dBm。然后再经过输入端的环形器(隔离度为15dB)，信号变为-83dBm。由此可知，加上限幅器和2级隔离开关后，功放发射机输出端泄漏到功放发射机输入端的信号变得非常小(-83dBm)，基本可忽略其对发射链路的影响。

当功放接收机工作时，信号也会从功放接收机的输出端通过发射链路泄漏至功放接收机的输入端影响接收性能。同理，采取同样的方法在发射链路加第一隔离器、第二隔离器和第三隔离器，以实现足够的隔离，保证不会产生自激影响。

进一步的，噪声系数是功放接收机最重要的指标之一。噪声系数好坏直接影响功放接收机的解调能力。本实施例中，功放接收机中的低噪声放大器选用业界噪声系数最小的低噪声放大器作为功放接收机的第一级LNA，该LNA在4.4-4.94G频段的噪声系数为1dB。整个功放接收机的噪声系数可按下式计算：

NF(dB)＝天线至接收机输入端口线缆损耗+环形器损耗+限幅器损耗+LNA噪声系数+后级噪声系数；

天线至功放接收机输入端口线缆损耗暂按1dB算(该线缆损耗越小越好)，环形器损耗约为0.4dB，限幅器损耗约为0.4dB，后级噪声系数贡献约为0.5dB。那么整机的噪声系数为：

NF(dB)＝1+0.4+0.4+1+0.5＝3.3dB

进一步的，本发明实施例中，射频单元还设置有过温保护和过压保护。

本发明提供的无线通信系统，包括基带处理单元和射频单元，射频单元通过2级线性功放器和2级大功率放大器，能够实现对数据信号的线性放大，且数据信号不失真，保证了远距离通信的成功。因此，本发明无需设置信号塔即可实现300公里范围内的远距离传输。并且，当无需远距离传输时，通过信号调制，可以完成近距离通信，因此，提高了资源利用率。

实施例三

在上述实施例一和实施例二的基础上，本发明实施例提供一种基于FPGA的无线通信设备，包括存储器、处理器和寄存器，所述寄存器内存储有计算机程序；

所述处理器执行所述计算机程序实现如下步骤：从所述存储器中获取上行数据，对所述上行数据进行调制，并将所述上行数据通过天线发出；

或者，通过天线接收下行数据，对所述下行数据进行解调，并将所述下行数据上传到所述存储器。

本实施例中，处理器与基带处理单元和射频单元电性连接，用于对基带处理单元和射频单元进行控制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基带处理单元，其特征在于，包括：

发射模块，所述发射模块内具有调制单元，所述调制单元内包括多种调制模式，所述调制单元用于获取上行数据，并从多种所述调制模式中选择对应于所述上行数据的调制模式对所述上行数据进行调制处理；

接收模块，所述接收模块内具有解调单元，所述解调单元内包括多种解调模式，所述解调单元用于接收下行数据，并从多种所述解调模式中选择对应于所述下行数据的解调模式对所述下行数据进行解调处理，其中，所述多种解调模式与所述多种调制模式一一对应。

2.根据权利要求1所述的基带处理单元，其特征在于，还包括发送状态机和第一时钟模块；

所述第一时钟模块用于向所述发送状态机发送第一时钟信号；

所述发送状态机用于根据所述第一时钟信号向所述调制单元发送调制指令；

所述调制单元用于获取所述上行数据，并根据所述调制指令从多种调制模式中选择对应于所述上行数据的调制模式对所述上行数据进行调制处理。

3.根据权利要求1或2所述的基带处理单元，其特征在于，还包括接收状态机和第二时钟模块；

所述第二时钟模块用于向所述接收状态机发送第二时钟信号；

所述接收状态机用于根据所述第二时钟信号向所述解调单元发送解调指令；

所述解调单元用于接收所述下行数据，并根据所述解调指令，从多种解调模式中选择对应于所述下行数据的解调模式对所述下行数据进行解调处理。

4.一种基于FPGA的无线通信系统，其特征在于，包括：

如权利要求1-3任一项所述的基带处理单元；

射频单元，用于通过天线接收所述下行数据，并将所述下行数据发送给所述接收模块，或者，从所述发射模块获取所述上行数据，并将所述上行数据通过天线发出。

5.根据权利要求4所述的无线通信系统，其特征在于，所述射频单元包括功放发射机；

功放发射机包括多级功放器，相邻的两级功放器之间设置有隔离器或者温补衰减器。

6.根据权利要求5所述的无线通信系统，其特征在于，所述功放发射机包括依次连接的环形器、第一功放器、温补衰减器、第二功放器、第一隔离器、第三功放器、第二隔离器、第四功放器和第三隔离器。

7.根据权利要求5所述的无线通信系统，其特征在于，所述功放发射机还包括增益补偿模块，用于给任意一个或多个功放器进行增益补偿。

8.根据权利要求5所述的无线通信系统，其特征在于，所述射频单元包括功放接收机，所述功放接收机包括依次连接的限幅器、低噪声放大器、第一射频开关和第二射频开关。

9.一种基于FPGA的无线通信设备，其特征在于，包括存储器、处理器和寄存器，所述寄存器内存储有计算机程序；

所述处理器执行所述计算机程序实现如下步骤：从所述存储器中获取上行数据，并从多种所述调制模式中选择对应于所述上行数据的调制模式对所述上行数据进行调制处理；并将所述上行数据通过天线发出；

或者，通过天线接收下行数据，并从多种所述解调模式中选择对应于所述下行数据的解调模式对所述下行数据进行解调处理，并将所述下行数据发送到所述存储器。