CN201422167Y - 一种无线数字通信系统的通用开发和实验平台 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种无线数字通信系统的通用开发和实验平台，属于无线通信领域。包括：用于上变频和下变频的射频发射/接收模块，用于进行数模、模数转换的基带数模/模数转换模块，用于运行通用开发和实验平台使用者设计的现场可编程门阵列，用于控制和数据处理的中央处理器，用于对数据进行高速处理的数字信号处理器。本验证装置的优点是：资源丰富，使得开发和实验更加灵活，能通过以太网连接到计算机，方便用户快速完成设计。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种无线数字通信系统的通用开发和实验平台，属于无线通信技术领域。
背景技术
传统的无线数字通信系统的研发通常的做法是针对某种特定的通信系统设计硬件以及配套的软件，通过充分验证、测试、修改，直到各种性能满足设计要求。在这个过程中如果某种设计指标或需求发生变化，由于软硬件耦合度高的原因，相应的软件甚至硬件往往需要重新设计；并且软件重新设计后需要通过配置电路重新手动下载到器件。传统的无线数字通信系统往往应用到数字信号处理芯片、现场可编程门阵列器件等器件。由于这些器件的调试接口不同，因此需要在开发平台上为各个模块留出调试接口，这增加了电路板的尺寸与成本。
传统无线数字通信系统的通用开发和实验平台通常用到数字信号处理芯片、现场可编程门阵列器件、射频模块、配置电路、简单电源控制电路，外部接口等，这些均集成在一块电路板上，并且数字信号处理芯片与现场可编程门阵列器件的配置电路独立。其中DSP与可编程逻辑器件作为处理模块在以往的结构中往往独立或协同完成基带信号的处理。图1现场可编程门阵列，数字信号处理器件独立或协同工作的结构。
以往的结构软件与硬件耦合度高，不容易改动，对于不同设计要求往往需要设计不同的开发平台。
同时，在设计时用户可能会有以下需求：
1、用户在进行简单的算法验证时，希望开发平台能独立的完成测试，并能直观的显示测试结果；
2、能够根据需求动态的加载配置程序。
3、在针对复杂度不同的需求时，希望平台具有很高的可复用度，改动尽量少，平台模块化比较高。
4、在射频的设计中，用户往往希望既能观测到射频信号又能观测到基带信号。
5、开发实验平台本身作为嵌入式系统的能力总是有限的，资源也不够丰富，要想获得更多的资源，必须能连接计算机，从而能够利用计算机的丰富资源，这样对测试和验证都是十分有利的。同时，连接速度应该足够快，以满足实时性要求。
本实用新型的目的是提出一种通用开发和实验平台，为用户在开发、实验过程中提供更有力的帮助，加速设计的实现、评估和测试。
本实用新型提出的一种无线数字通信系统的通用开发和实验平台，包括：
(1)射频发射/接收模块，用于将基带数模/模数转换模块产生的模拟基带信号经过放大后上变频为射频信号发送到外部空间，将外部发送的无线射频信号放大后下变频得到模拟基带信号；
(2)基带数模/模数转换模块，用于将现场可编程门阵列或者数字信号处理器产生的数字化基带信号通过数模转换产生模拟基带信号，将上述射频模块得到的模拟基带信号或者外部发送的模拟基带信号通过模数转换产生数字化基带信号；
(3)现场可编程门阵列，用于运行通用开发和实验平台使用者设计的代码，接收中央处理器发送的控制命令及发送信息，根据控制命令对发送信息进行调制操作，得到数字化基带信号，将上述基带数模/模数转换模块通过模数转换得到的数字化基带信号进行解调操作，得到解调基带信号，发送至中央处理器；
(4)中央处理器，用于配置上述现场可编程门阵列和数字信号处理器，根据通用开发和实验平台上的按键输入，产生控制命令与发送信息，控制现场可编程门阵列和数字信号处理器对发送信息和数字化基带信号的处理，显示现场可编程门阵列和数字信号处理器处理的结果，控制串口与计算机通讯；
(5)数字信号处理器，用于对来自上述现场可编程门阵列、中央处理器的数据以及上述基带数模/模数转换模块得到的数字化基带信号进行高速处理；
上述通用开发和实验平台的射频发射/接收模块，包括：
(1)天线，用于接收和发送射频信号，天线与预处理电路相连；
(2)预处理电路，用于将天线接收的射频信号进行放大，得到放大的接收射频信号，将调制电路产生的射频信号放大后发送至天线，预处理电路与调制电路、解调电路相连，；
(3)解调电路，用于将上述预处理电路得到的放大的接收射频信号下变频为模拟基带信号；
(4)调制电路，用于将上述基带数模/模数转换模块产生的模拟基带信号上变频为射频信号。
上述通用开发和实验平台的基带数模/模数转换模块，包括：
(1)BNC接口，用于接收外部发送的模拟基带信号发送给模数转换电路，向外部发送数模转换电路得到的模拟基带信号，BNC接口与模数转换电路、数模转换电路相连；
(2)模数转换电路，用于将上述BNC接口接收的模拟基带信号或者上述射频发射/接收模块得到的模拟基带信号转换为数字化基带信号，模数转换电路与射频发射/接收模块、现场可编程门阵列、数字信号处理器相连；
(3)数模转换电路，用于将现场可编程门阵列和数字信号处理器产生的数字化基带信号转换为模拟基带信号，数模转换电路与射频发射/接收模块、现场可编程门阵列、数字信号处理器相连。
上述通用开发和实验平台的现场可编程门阵列，包括：
(1)现场可编程门阵列芯片，用于运行通用开发和实验平台使用者设计的代码，接收中央处理器发送的控制命令及发送信息，根据控制命令对发送信息进行调制操作，得到数字化基带信号，将上述基带数模/模数转换模块通过模数转换得到的数字化基带信号进行解调操作，得到解调基带信号，发送至中央处理器，现场可编程门阵列芯片通过通信接口与中央处理器、数字信号处理器相连；
(2)配置存储器，用于存储通用开发和实验平台使用者设计的目标代码，配置存储器与现场可编程门阵列芯片相连；
(3)时钟，用于产生目标代码运行所需的时钟信号，时钟与现场可编程门阵列芯片相连；
上述通用开发和实验平台的中央处理器，包括：
(1)中央处理器芯片，用于运行通用开发和实验平台使用者设计的控制处理程序，配置上述现场可编程门阵列和数字信号处理器，通过通信接口配置上述现场可编程门阵列和数字信号处理器，根据通用开发和实验平台上的按键输入，产生控制命令与发送信息，控制现场可编程门阵列和数字信号处理器对发送信息和数字化基带信号的处理，显示现场可编程门阵列和数字信号处理器处理的结果，控制串口、以太网与计算机通讯，中央处理器分别与配置存储器、同步动态随机访问存储器、液晶屏、按键、以太网控制器，串口相连，通过通信接口与数字信号处理器、现场可编程门阵列相连；
(2)配置存储器，用于存储通通用开发和实验平台使用者的控制处理程序，配置存储器与中央处理器芯片相连；
(3)同步动态随机访问存储器，用于临时存放上述控制处理程序和上述控制处理程序运行中产生的数据，同步动态随机访问存储器与中央处理器芯片相连；
(4)液晶屏，用于显示上述控制处理程序的结果和通用开发和实验平台使用者的控制图形界面，液晶屏与中央处理器芯片相连；
(5)按键，用于使用者输入各种程序运行所需信息，按键与中央处理器芯片相连；
(6)串口，用于实现中央处理器与计算机的通讯连接，串口与中央处理器芯片、计算机相连；
(7)以太网控制器，用于建立中央处理器与计算机之间的高速数据连接，以太网控制器与中央处理器芯片、计算机相连。
上述通用开发和实验平台的数字信号处理器，包括：
(1)数字信号处理器芯片，用于运行通用开发和实验平台使用者编写的高速数据处理程序，对来自上述现场可编程门阵列、中央处理器的数据以及上述基带数模/模数转换模块得到的数字化基带信号进行高速处理，数字信号处理器芯片与配置存储器、同步动态随机访问存储器、并行-串行数据转换控制器相连，通过通信接口与中央处理器、现场可编程门阵列相连；
(2)配置存储器，用于存通用开发和实验平台使用者编写的高速数据处理程序，配置存储器与数字信号处理器芯片相连；
(3)同步动态存储器，用于临时存储上述高速数据处理程序和处理的数据，同步动态存储器与数字信号处理器芯片相连；
(4)并行-串行数据转换控制器，用于完成数字信号处理器和计算机之间的通信，并行-串行数据转换控制器与数字信号处理器芯片、计算机相连。
本实用新型提出的一种无线数字通信系统的通用开发和实验平台，具有以下优点：
1、通用性。ARM、单片机、数字信号处理器件、现场可编程阵列即可以独立工作又可以协同完成实时性比较强、复杂度比较高的设计，扩展了开发实验平台的适用范围。
2、灵活性。用户可以根据自己需要裁减模块；数字信号处理器和现场可编程门阵列可以采用中央处理器配置，用户可以根据需要利用中央处理器动态的加载不同的配置文件，在芯片资源有限的情况下这极大地提高了设计的灵活性。
3、DSP与现场可编程阵列器件的配置加载文件都可以存储在中央处理器模块的配置存储器中，这可以减少配置存储器的数量，缩减硬件设计成本。
4、软件硬件耦合度比较小。射频发射/接收模块完成了射频信号与模拟基带信号之间的转换，基带数模/模数转换模块完成模拟基带信号与数字化基带信号之间的转换，使得开发和实验的重点在于对数字化的基带信号的处理程序的设计，这降低了软件与硬件的耦合度。
附图说明
图1是已有的无线数字通信系统的通用开发和实验平台的结构框图。
图2是本实用新型设计的无线数字通信系统的通用开发和实验平台的结构框图。
图3是本通用开发和实验平台中所用的射频发射/接收模块电路框图。
图4是本通用开发和实验平台中所用的基带数模/模数转换模块电路框图。
图5是本通用开发和实验平台中所用的现场可编程门阵列电路框图。
图6是本通用开发和实验平台中所用的中央处理器电路框图。
图7是本通用开发和实验平台中所用的数字信号处理器电路框图。
具体实施方式
本实用新型提出的无线个域网实时多通道数据监听器，其结构框图如图2所示，包括：射频发射/接收模块，用于将基带数模/模数转换模块产生的模拟基带信号经过放大后上变频为射频信号发送到外部空间，将外部发送的无线射频信号放大后下变频得到模拟基带信号；基带数模/模数转换模块，用于将现场可编程门阵列或者数字信号处理器产生的数字化基带信号通过数模转换产生模拟基带信号，将上述射频模块得到的模拟基带信号或者外部发送的模拟基带信号通过模数转换产生数字化基带信号；现场可编程门阵列，用于运行通用开发和实验平台使用者设计的代码，接收中央处理器发送的控制命令及发送信息，根据控制命令对发送信息进行调制操作，得到数字化基带信号，将上述基带数模/模数转换模块通过模数转换得到的数字化基带信号进行解调操作，得到解调基带信号，发送至中央处理器；中央处理器，用于根据通用开发和实验平台上的按键输入，产生控制命令与发送信息，控制现场可编程门阵列和数字信号处理器对发送信息和数字化基带信号的处理，显示现场可编程门阵列和数字信号处理器处理的结果，控制串口与计算机通讯；数字信号处理器，用于对来自上述现场可编程门阵列、中央处理器的数据以及上述基带数模/模数转换模块得到的数字化基带信号进行高速处理。
上述射频发射/接收模块，其电路框图如图3所示，包括：天线，用于接收和发送射频信号；预处理电路，用于将天线接收的射频信号进行放大，得到放大的接收射频信号，将调制电路产生的射频信号放大后发送至天线；解调电路，用于将上述预处理电路得到的放大的接收射频信号下变频为模拟基带信号；调制电路，用于将上述基带数模/模数转换模块产生的模拟基带信号上变频为射频信号。本实用新型的一个实施例中，采用2.4G的天线接收射频信号，预处理电路中放大天线接收的射频信号采用了RF Micro Device公司的RF2361，放大调制电路产生的射频信号采用了RF Micro Device公司的RF2376。调制器采用的是ANALOGDEVICE公司的AD8349；解调器采用的是ANALOG DEVICE公司的AD8347；
上述基带数模/模数转换模块，其电路框图如图4所示，包括：BNC接口，用于接收外部发送的模拟基带信号发送给模数转换电路，向外部发送数模转换电路得到的模拟基带信号；模数转换电路，用于将上述BNC接口接收的模拟基带信号或者上述射频发射/接收模块得到的模拟基带信号转换为数字化基带信号；数模转换电路，用于将现场可编程门阵列和数字信号处理器产生的数字化基带信号转换为模拟基带信号。本实用新型的一个实施例中，模数转换电路采用了AnalogDevices公司的AD9201，数模转换电路采用了Analog Devices公司的AD9761。
上述现场可编程门阵列，其电路框图如图5所示，包括：现场可编程门阵列芯片，用于运行通用开发和实验平台使用者设计的代码，接收中央处理器发送的控制命令及发送信息，根据控制命令对发送信息进行调制操作，得到数字化基带信号，将上述基带数模/模数转换模块通过模数转换得到的数字化基带信号进行解调操作，得到解调基带信号，发送至中央处理器；配置存储器，用于存储通用开发和实验平台使用者设计的目标代码；时钟，用于产生目标代码运行所需的时钟信号。本实用新型的一个实施例中，现场可编程门阵列芯片采用XILINX公司的SpartenIII系列的现场可编程门阵列XC3S400，具有40万门的容量，能够满足设计需求。配置存储器采用XILINX公司的XCF02S。一个有源晶振为现场可编程门阵列芯片提供全局时钟，用于提供现场可编程门阵列工作所需时钟。现场可编程门阵列芯片通过串行外设接口(SPI)与中央处理器相连接进行数据通信。中央处理器可以通过串行外设接口(SPI)配置现场可编程门阵列芯片。
上述中央处理器，其电路框图如图6所示，包括：中央处理器芯片，用于运行通用开发和实验平台使用者设计的控制处理程序，根据通用开发和实验平台上的按键输入，产生控制命令与发送信息，控制现场可编程门阵列和数字信号处理器对发送信息和数字化基带信号的处理，显示现场可编程门阵列和数字信号处理器处理的结果，控制串口、以太网与计算机通讯；配置存储器，用于存储通通用开发和实验平台使用者的控制处理程序；同步动态随机访问存储器，用于临时存放上述控制处理程序和上述控制处理程序运行中产生的数据；液晶屏，用于显示上述控制处理程序的结果和通用开发和实验平台使用者的控制图形界面；按键，用于使用者输入各种程序运行所需信息；串口，用于实现中央处理器与计算机的通讯连接；以太网控制器，用于建立中央处理器与计算机之间的高速数据连接。本实用新型的一个实施例中，中央处理器采用三星公司的S3C2410X处理器，配置存储器采用了三星公司的K9F1208B0B，具有64M×8Bit的容量。同步动态随机访问存储器采用两片三星公司的K4S561632C，共有64MByte的容量。液晶屏采用Sharp公司的LQ043。串口芯片采用Texas Instruments公司的MAX3232。以太网控制器采用ETC公司的DM9000。中央处理器通过HPI接口与数字信号处理器相连接，中央处理器通过主机接口(HPI)配置数字信号处理器芯片以及与数字信号处理器进行数据通信。
上述数字信号处理器，其电路框图如图7所示，包括：数字信号处理器芯片，用于运行通用开发和实验平台使用者编写的高速数据处理程序，对来自上述现场可编程门阵列、中央处理器的数据以及上述基带数模/模数转换模块得到的数字化基带信号进行高速处理；配置存储器，用于存通用开发和实验平台使用者编写的高速数据处理程序；同步动态随机访问存储器，用于临时存储上述高速数据处理程序和处理的数据；并行-串行数据转换控制器，用于完成数字信号处理器和计算机之间的通信。本实用新型的一个实施例中，数字信号处理器芯片采用Texas Instruments公司的TMS320C6713 PYP。配置存储器采用SST39VF040(512KB)。同步动态存储器采用Micron Technology公司的MT48LC4M16A2。数字信号处理器通过多通道缓冲串口接口(MCBSP)与现场可编程门阵列相连进行数据通信。
由于通用开发和实验平台的目标设计是多种多样的，开发、实验的方法和使用的资源也不同，可能使用本开发验证装置的一个或几个部分，所以这里无法完成所有的工作工程举例，在此只列举一种使用案例。
中央处理器配置完现场可编程门阵列和数字信号处理其，运行通用开发和实验平台使用者设计的控制处理程序。
数据接收过程：
1、射频发射/接收模块接收外部空间的无线射频信号下变频为模拟基带信号；
2、基带数模/模数转换模块将模拟基带信号转换为数字化基带信号；
3、现场可编程门阵列和数字信号处理器对数字化基带信号进行处理，得到外部空间发送的信息；
4、中央处理器显示外部空间发送的信息。
数据发送过程：
1、通过键盘下中央处理器输入发送信息，中央处理器控制现场可编程门阵列和数字信号处理器对发送信息进行处理；
2、可编程门阵列和数字信号处理器对发送信息进行处理后得到数字化基带信号；
3、基带数模/模数转换模块将数字化基带信号转换为模拟基带信号；
4、射频发射/接收模块将模拟基带信号上变频后发送到外部空间。
本通用开发和实验平台对开发阶段的支持：
用户的设计的现场可编程门阵列代码可能相对比较简单，也可以很复杂。对于复杂的设计，用户可以将设计任务分解成几个部分。一部分处理工作先放在中央处理器、数字信号处理器和计算机部分用软件的方式完成，只在现场可编程门阵列中实现相对简单部分，当这部分相对简单的设计稳定后，再逐渐将原先由软件完成的工作转移到现场可编程门阵列内完成，这样就避免了系统内各个部分相互干扰，难以调试的缺点，可以加快设计进度。
Claims (6)
1、一种无线数字通信系统的通用开发和实验平台，其特征在于该平台包括：
(1)射频发射/接收模块，用于将基带数模/模数转换模块产生的模拟基带信号经过放大后上变频为射频信号发送到外部空间，将外部发送的无线射频信号放大后下变频得到模拟基带信号；
(2)基带数模/模数转换模块，用于将现场可编程门阵列或者数字信号处理器产生的数字化基带信号通过数模转换产生模拟基带信号，将上述射频模块得到的模拟基带信号或者外部发送的模拟基带信号通过模数转换产生数字化基带信号；
(3)现场可编程门阵列，用于运行通用开发和实验平台使用者设计的代码，接收中央处理器发送的控制命令及发送信息，根据控制命令对发送信息进行调制操作，得到数字化基带信号，将上述基带数模/模数转换模块通过模数转换得到的数字化基带信号进行解调操作，得到解调基带信号，发送至中央处理器；
(4)中央处理器，用于配置上述现场可编程门阵列和数字信号处理器，根据通用开发和实验平台上的按键输入，产生控制命令与发送信息，控制现场可编程门阵列和数字信号处理器对发送信息和数字化基带信号的处理，显示现场可编程门阵列和数字信号处理器处理的结果，控制串口与计算机通讯；
(5)数字信号处理器，用于对来自上述现场可编程门阵列、中央处理器的数据以及上述基带数模/模数转换模块得到的数字化基带信号进行高速处理。
2、如权利要求1所述的通用开发和实验平台，其特征在于其中所述的射频发射/接收模块包括：
(1)天线，用于接收和发送射频信号，天线与预处理电路相连；
(2)预处理电路，用于将天线接收的射频信号进行放大，得到放大的接收射频信号，将调制电路产生的射频信号放大后发送至天线，预处理电路与调制电路、解调电路相连，；
(3)解调电路，用于将上述预处理电路得到的放大的接收射频信号下变频为模拟基带信号；
(4)调制电路，用于将上述基带数模/模数转换模块产生的模拟基带信号上变频为射频信号。
3、如权利要求1所述的通用开发和实验平台，其特征在于其中所述的基带数模/模数转换模块包括：
(1)BNC接口，用于接收外部发送的模拟基带信号发送给模数转换电路，向外部发送数模转换电路得到的模拟基带信号，BNC接口与模数转换电路、数模转换电路相连；
(2)模数转换电路，用于将上述BNC接口接收的模拟基带信号或者上述射频发射/接收模块得到的模拟基带信号转换为数字化基带信号，模数转换电路与射频发射/接收模块、现场可编程门阵列、数字信号处理器相连；
(3)数模转换电路，用于将现场可编程门阵列和数字信号处理器产生的数字化基带信号转换为模拟基带信号，数模转换电路与射频发射/接收模块、现场可编程门阵列、数字信号处理器相连。
4、如权利要求1所述的通用开发和实验平台，其特征在于其中所述的现场可编程门阵列包括：
(1)现场可编程门阵列芯片，用于运行通用开发和实验平台使用者设计的代码，接收中央处理器发送的控制命令及发送信息，根据控制命令对发送信息进行调制操作，得到数字化基带信号，将上述基带数模/模数转换模块通过模数转换得到的数字化基带信号进行解调操作，得到解调基带信号，发送至中央处理器，现场可编程门阵列芯片通过通信接口与中央处理器、数字信号处理器相连；
(2)配置存储器，用于存储通用开发和实验平台使用者设计的目标代码，配置存储器与现场可编程门阵列芯片相连；
(3)时钟，用于产生目标代码运行所需的时钟信号，时钟与现场可编程门阵列芯片相连。
5、如权利要求1所述的通用开发和实验平台，其特征在于其中所述的中央处理器包括：
(1)中央处理器芯片，用于运行通用开发和实验平台使用者设计的控制处理程序，配置上述现场可编程门阵列和数字信号处理器，根据通用开发和实验平台上的按键输入，产生控制命令与发送信息，控制现场可编程门阵列和数字信号处理器对发送信息和数字化基带信号的处理，显示现场可编程门阵列和数字信号处理器处理的结果，控制串口、以太网与计算机通讯，中央处理器分别与配置存储器、同步动态随机访问存储器、液晶屏、按键、以太网控制器，串口相连，通过通信接口与数字信号处理器、现场可编程门阵列相连；
(2)配置存储器，用于存储通通用开发和实验平台使用者的控制处理程序，配置存储器与中央处理器芯片相连；
(3)同步动态随机访问存储器，用于临时存放上述控制处理程序和上述控制处理程序运行中产生的数据，同步动态随机访问存储器与中央处理器芯片相连；
(4)液晶屏，用于显示上述控制处理程序的结果和通用开发和实验平台使用者的控制图形界面，液晶屏与中央处理器芯片相连；
(5)按键，用于使用者输入各种程序运行所需信息，按键与中央处理器芯片相连；
(6)串口，用于实现中央处理器与计算机的通讯连接，串口与中央处理器芯片、计算机相连；
(7)以太网控制器，用于建立中央处理器与计算机之间的高速数据连接，以太网控制器与中央处理器芯片、计算机相连。
6、如权利要求1所述的通用开发和实验平台，其特征在于其中所述的数字信号处理器包括：
(1)数字信号处理器芯片，用于运行通用开发和实验平台使用者编写的高速数据处理程序，对来自上述现场可编程门阵列、中央处理器的数据以及上述基带数模/模数转换模块得到的数字化基带信号进行高速处理，数字信号处理器芯片与配置存储器、同步动态随机访问存储器、并行一串行数据转换控制器相连，通过通信接口与中央处理器、现场可编程门阵列相连；
(2)配置存储器，用于存通用开发和实验平台使用者编写的高速数据处理程序，配置存储器与数字信号处理器芯片相连；
(3)同步动态存储器，用于临时存储上述高速数据处理程序和处理的数据，同步动态存储器与数字信号处理器芯片相连；
(4)并行一串行数据转换控制器，用于完成数字信号处理器和计算机之间的通信，并行一串行数据转换控制器与数字信号处理器芯片、计算机相连。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100310 Termination date: 20140527 |