CN115632675A - 一种基于fpga的多模块无线信号处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线信号处理技术领域，公开了一种基于FPGA的多模块无线信号处理系统及方法，该处理系统，包括信号处理模块，还包括分别与所述信号处理模块通信连接的射频板、数据交互模块、数传发射机；所述射频板包括两两通信连接的天线口、主ADF4351芯片、备ADF4351芯片，所述主ADF4351芯片、所述备ADF4351芯片分别与所述信号处理模块通信连接。本发明解决了现有技术存在的开发周期长、开发调试的灵活性差等问题。

Description

一种基于FPGA的多模块无线信号处理系统及方法

技术领域

本发明涉及无线信号处理技术领域，具体是一种基于FPGA的多模块无线信号处理系统及方法。

背景技术

近些年来，伴随信息技术的飞速发展，生活、军事等领域无线信息的传输也得到广泛应用。高质量远程信息的传输对于通信平台的信号带宽及通道数量提出了更高的要求。随着无线通信新标准及协议的陆续发布，无线系统的设备为了满足日益增长的需求，传统方法就是硬件设备进行修改重新设计换代，其缺点是对于模块功能的修改或改进都应用添加或修改硬件实现，开发难度大，成本高。因为硬件的修改都需要重新对整个架构进行更换，开发周期长，开发调试的灵活性差。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于FPGA的多模块无线信号处理系统及方法，解决现有技术存在的开发周期长、开发调试的灵活性差等问题。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

一种基于FPGA的多模块无线信号处理系统，包括信号处理模块，还包括分别与所述信号处理模块通信连接的射频板、数据交互模块、数传发射机；所述射频板包括两两通信连接的天线口、主ADF4351芯片、备ADF4351芯片，所述主ADF4351芯片、所述备ADF4351芯片分别与所述信号处理模块通信连接。

作为一种优选的技术方案，所述信号处理模块包括通信处理FPGA模块，还包括与所述通信处理FPGA模块通信连接的接口处理FPGA模块、第一CX9261芯片、第二CX9261芯片，所述接口处理FPGA模块还分别与所述主ADF4351芯片、所述备ADF4351芯片、所述数据交互模块通信连接，所述第一CX9261芯片还分别与所述主ADF4351芯片、所述备ADF4351芯片通信连接，所述第二CX9261芯片还与所述数传发射机通信连接。

作为一种优选的技术方案，所述接口处理FPGA模块选用ZYNQ-7000芯片，所述通信处理FPGA模块选用XC7V690T芯片。

作为一种优选的技术方案，所述接口处理FPGA模块包括相互通信连接的PS、PL，所述PL与所述通信处理FPGA模块通信连接，PS与PL之间的通过AXI总线进行信息交互。

作为一种优选的技术方案，所述数据交互模块选ZYNQ-7000芯片。

作为一种优选的技术方案，所述通信处理FPGA模块与所述接口处理FPGA模块通过LVDS总线进行信息交互。

作为一种优选的技术方案，第一CX9261芯片、第二CX9261芯片的通道1和通道2的工作频率范围均为70MHz~2.7GHz，CX9261的通道3的工作频率范围为1.2GHz至1.8GHz，第一CX9261芯片、第二CX9261芯片的的工作可调谐通道带宽均为20kHz~60MHz。

一种基于FPGA的多模块无线信号处理方法，基于所述的一种基于FPGA的多模块无线信号处理系统，接收处理包括以下步骤：

J1，射频板从天线口接收无线信号进行第一次下变频处理；

J2，第一CX9261芯片将经过下变频处理后的信号进行第二次下变频、中频滤波及A/D转换处理，将射频信号转换为数字信号；

J3，通信处理FPGA模块将数字信号进行数字信号处理；

J4，接口处理FPGA模块对数字信号处理后的数字信号进行解调；

J5，将接口处理FPGA模块将经过解调的数据传输至数据交互模块。

一种基于FPGA的多模块无线信号处理方法，基于所述的一种基于FPGA的多模块无线信号处理系统，发送处理包括以下步骤：

F1，数据交互模块将需要发送的数据传输到接口处理FPGA模块；

F2，接口处理FPGA模块将需要发送数据进行解析传输到通信处理FPGA模块；

F3，在通信处理FPGA模块对数据进行数字信号处理；

F4，第二CX9261芯片将经过数字信号的数字信号转换为射频信号；

F5，将射频信号经过数传发射机发出。

本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：

（1）本发明根据无线信号处理趋势，将处理环节分解成各个模块，保证每个功能的独立性，使得整体架构流程和功能都更加清晰，架构更加简洁、干扰少；对于移植以及功能的拓展只需在相应模块中进行更新，适用性广泛；

（2）本发明各个模块之间功能划分明确。一级需要调整可以对相应模块调整，当本模块无法调整，前后级模块也可以进行调整保证整个架构功能实现；

（3）本发明在通信处理FPGA模块进行复杂而稳定的无线通信算法的实现、接口处理FPGA模块实现控制和协议处理部分；而且两个模块的整体架构对于日益增长无线需求，硬件资源充足，只需要对软件进行修改；更适应无线软件处理趋势，架构延用性更高；

（4）本发明减少了干扰，用同一芯片又保证了控制程序的编写简化和稳定在满足需求的情况下，适应国产化发展道路。

附图说明

图1为本发明所述的一种基于FPGA的多模块无线信号处理系统的结构示意图；

图2为本发明进行接收处理时的信号流向图；

图3为本发明进行发送处理时的信号流向图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1至图3所示，本发明在硬件框架中选用基本必要的硬件（比如天线、放大器、AD/DA等），而其余功能通过FPGA软件实现，在成本上选用少的硬件降低了成本。而其余功能选用FPGA上用软件实现，软件开发使得功能的实现以及调试更加方便，只需要开发人员进行代码的修改，高效而快速。本发明不仅克服了传统方法的缺点，而且缩短了开发周期，更适应了现代业务的需求。

本发明射频板负责：从天线口将天线接收的信号进行放大，并完成接收信号进行下变频；主要功能的下变频实现选用ADF4351芯片，ADF4351结合外部环路滤波器和外部参考频率使用时，可实现小数N分频或整数N分频锁相环(PLL)频率合成器；集成电压控制振荡器(VCO)，其基波输出频率范围为2200MHz至4400MHz；此外，利用分频电路，用户可以产生低至35MHz的RF输出频率。用户根据需求设置输入信号的下变频频率。本发明在设计射频板上设置两片ADF4351芯片，可以作为主备两个通路，其芯片的控制在接口处理FPGA芯片实现，根据需求的变化，也可以作为不同信号的通路，让整体的架构更能适应多变的需求。

对于经过信号调制解调等信号处理的收发数据，将其进行A/D、D/A等处理选用国产化芯片CX9261。

CX9261是一款宽带、高性能、多通道射频收发芯片，基于软件无线电设计理念，该芯片集成低噪放、上/下混频器、多模滤波器、自动增益控制、ADC/DAC、驱动放大器等功能，具有通用化设计、宽频带覆盖、宽窄带信号兼容、低功耗等特点。CX9261通道1和通道2的工作频率范围为70MHz至2.7GHz，通道3工作频率范围为1.2GHz至1.8GHz，工作可调谐通道带宽为20kHz至60MHz。（CX9261芯片有三个通道，通道1、通道2用于接收，通道3用于发射。实现接收可以用芯片里面的通道1、通道2，发射用芯片里的通道3，这是芯片自己已经分配好的，在此不再详述。）接收通道采用直接变频架构，由低噪声放大器、混频器、可编程增益放大器、带宽可变滤波器和高速高精度ADC组成。接收通道具有校准功能，噪声系数小，镜像抑制性能高，有利于提高接收通道的射频性能。发射通道同样采用直接变频架构，由混频器、可编程增益放大器、带宽可变滤波器和高速高精度DAC组成。发射通道同时具有本振泄露校准、IQ正交校准，能够很好的抑制本振泄露和镜像干扰，杂波抑制度高，射频性能优越。

在接收端，CX9261将信号进行下变频、中频滤波及A/D转换等处理。在发射端，CX9261将数字信号进行数字滤波、D/A转换、滤波、上变频及放大后转换为RF射频信号，然后进行输出。

数传发射机将发射的信号经过根据需求再次滤波、放大等处理，保证了发射数据因为需求的变更能够及时优化处理，保证发明整体结构的合理性。

通信处理FPGA模块选用Xilinx的Virtex-7系列FPGA XC7V690T芯片，由于Virtex-7芯片在性能、带宽和功耗上可与ASIC相媲美，并且与未进行功率优化的器件相比，可降低28%的功耗。因此，在有线通信架构的构建中，Virtex-7系列芯片应用的也越来越多了。本发明对于数字信号的调制解调、编解码等以及数据收发CX9261的控制等处理置于该模块。充分发挥Virtex-7数字处理优势，对于数字信号算法的处理各个厂家都属于核心算法单独置于一个芯片，既保持了算法的安全性、也充分发挥了芯片优势。架构更合理。

接口处理FPGA模块选用Xilinx系列的ZYNQ-7000芯片，ZYNQ-7000包含处理器系统（Processing System，PS）和可编程逻辑器件（Programmable Logic，PL）组成如图1，PS部分集成了ARM Cortex-A9双核，PS和PL之间的交互通过AXI总线。PS部分开发环境应用便于调试的C、C++等易于修改调试的语言，对于射频板的控制以及数据协议的处理置于PS部分，因为此功能经常遇到需要根据需求进行更改。对于稳定的数字信号处理置于PL部分，充分发挥PL数据处理高速稳定的特征。

通信处理FPGA模块和接口处理FPGA模块之间交互选用LVDS总线，LVDS总线可以实现点对点或一点对多点的连接，具有低功耗、低误码率、低串扰和低辐射等特点，使用非常低的幅度信号可以使得传输速度达800Mbps。完全可以高效适用于两个模块之间的交互。

数据交互模块根据需求选用Xilinx系列的ZYNQ-7000芯片，根据交互需求，负责对原始收发数据的处理。

接收处理：射频板从天线口接收无线信号进行下变频处理，经过下变频处理数据经过CX9261将信号进行下变频、中频滤波及 A/D 转换等处理，从而将射频信号转换为数字信号，数字信号经过通信处理FPGA模块对数字信号进行解调、解码等数字信号处理，处理完的数字信号经过接口处理FPGA模块，根据产品需求将接口处理FPGA模块的数据传输到数据交互模块。

发送处理：数据交互模块将需要发送的数据传输到接口处理FPGA模块，接口处理FPGA模块将需要发送数据进行解析等处理传输到通信处理FPGA模块，在通信处理FPGA模块对发送数据进行调制、编码等数字信号处理，经过处理的数字信号传输到CX9261进行数字滤波、D/A转换、滤波、上变频及放大后转换为射频信号。射频信号经过数传发射机处理从天线发出。

本发明具有以下特点：

1、本发明根据无线信号处理趋势，将处理环节分解成各个模块，保证每个功能的独立性，使得整体架构流程和功能都更加清晰，架构更加简洁、干扰少。对于移植以及功能的拓展只需在相应模块中进行更新，适用性广泛。

2、对于接收处理分成射频板、CX9261、通信处理FPGA模块、接口处理FPGA模块、数据交互模块、将接收处理第一级下变频和分主备通道设置在射频板，下变频、A/D等处理设置在CX9261，解调、解码等信号处理算法设置在通信处理FPGA模块、对于接收数据的处理和数据交互模块的设置在接口处理FPGA模块。各个模块之间功能划分明确。一级需要调整可以对相应模块调整，当本模块无法调整，前后级模块也可以进行调整保证整个架构功能实现。

3、接口处理FPGA模块选用Xilinx系列的ZYNQ-7000芯片，通信处理FPGA模块选用Xilinx的Virtex-7系列FPGA XC7V690T芯片，在通信处理FPGA模块进行复杂而稳定的无线通信算法的实现、接口处理FPGA模块实现控制和协议处理部分，因为ZYNQ-7000包含PS、PL部分充分利用两种编译环境优势。而且两个模块的整体架构对于日益增长无线需求，硬件资源充足，只需要对软件进行修改。更适应无线软件处理趋势。架构延用性更高。

4、对于收发下变频、A/D、上变频、D/A等处理都选用同一芯片，并且隔开成两片芯片处理，减少了干扰，用同一芯片又保证了控制程序的编写简化和稳定在满足需求的情况下，又选用国产芯片。适应国产化发展道路。

如上所述，可较好地实现本发明。

本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于FPGA的多模块无线信号处理系统，其特征在于，包括信号处理模块，还包括分别与所述信号处理模块通信连接的射频板、数据交互模块、数传发射机；所述射频板包括两两通信连接的天线口、主ADF4351芯片、备ADF4351芯片，所述主ADF4351芯片、所述备ADF4351芯片分别与所述信号处理模块通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的多模块无线信号处理系统，其特征在于，所述信号处理模块包括通信处理FPGA模块，还包括与所述通信处理FPGA模块通信连接的接口处理FPGA模块、第一CX9261芯片、第二CX9261芯片，所述接口处理FPGA模块还分别与所述主ADF4351芯片、所述备ADF4351芯片、所述数据交互模块通信连接，所述第一CX9261芯片还分别与所述主ADF4351芯片、所述备ADF4351芯片通信连接，所述第二CX9261芯片还与所述数传发射机通信连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的多模块无线信号处理系统，其特征在于，所述接口处理FPGA模块选用ZYNQ-7000芯片，所述通信处理FPGA模块选用XC7V690T芯片。

4.根据权利要求3所述的一种基于FPGA的多模块无线信号处理系统，其特征在于，所述接口处理FPGA模块包括相互通信连接的PS、PL，所述PL与所述通信处理FPGA模块通信连接，PS与PL之间的通过AXI总线进行信息交互。

5.根据权利要求4所述的一种基于FPGA的多模块无线信号处理系统，其特征在于，所述数据交互模块选ZYNQ-7000芯片。

6.根据权利要求5所述的一种基于FPGA的多模块无线信号处理系统，其特征在于，所述通信处理FPGA模块与所述接口处理FPGA模块通过LVDS总线进行信息交互。

7.根据权利要求2至6任一项所述的一种基于FPGA的多模块无线信号处理系统，其特征在于，第一CX9261芯片、第二CX9261芯片的通道1和通道2的工作频率范围均为70MHz~2.7GHz，CX9261的通道3的工作频率范围为1.2GHz至1.8GHz，第一CX9261芯片、第二CX9261芯片的的工作可调谐通道带宽均为20kHz~60MHz。

8.一种基于FPGA的多模块无线信号处理方法，其特征在于，基于权利要求2至7任一项所述的一种基于FPGA的多模块无线信号处理系统，接收处理包括以下步骤：

J1，射频板从天线口接收无线信号进行第一次下变频处理；

J2，第一CX9261芯片将经过下变频处理后的信号进行第二次下变频、中频滤波及A/D转换处理，将射频信号转换为数字信号；

J3，通信处理FPGA模块将数字信号进行数字信号处理；

J4，接口处理FPGA模块对数字信号处理后的数字信号进行解调；

J5，将接口处理FPGA模块将经过解调的数据传输至数据交互模块。

9.一种基于FPGA的多模块无线信号处理方法，其特征在于，基于权利要求2至7任一项所述的一种基于FPGA的多模块无线信号处理系统，发送处理包括以下步骤：

F1，数据交互模块将需要发送的数据传输到接口处理FPGA模块；

F2，接口处理FPGA模块将需要发送数据进行解析传输到通信处理FPGA模块；

F3，在通信处理FPGA模块对数据进行数字信号处理；

F4，第二CX9261芯片将经过数字信号的数字信号转换为射频信号；

F5，将射频信号经过数传发射机发出。

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