CN209184604U - 一种基于ad9371的多通道数据采集平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于AD9371的多通道数据采集平台，属于无线电领域，包含多个模拟放大电路，以及与其数量相当且一一对应连接的AD9371，还包含FPGA模块、FMC扩展接口、微控制器模块、DDR3和以太网；无线电监测作为管理无线电频谱资源的唯一技术手段，其作用的发挥严重依赖于前端采集硬件设备的性能。本实用新型发明了无线电数据采集硬件系统，主要应用于无线电监测系统的前端数据采集，可实时采集多路300MHz～6GHz的无线频段的信号，最大采集带宽可达100MHz。

Description

一种基于AD9371的多通道数据采集平台

技术领域

本实用新型属于无线电领域，尤其涉及一种基于AD9371的多通道数据采集平台。

背景技术

当今无线电技术的迅猛发展，使得对无线电频谱资源的需求急速增长。无线电资源是一种有限的不可再生资源，维护好空中电波的秩序，不断促进无线电频谱资源的合理利用、科学开发及有效管理是全世界所面临的共同问题。无线电资源监测是合理使用无线电资源的重要手段，是实现国家信息安全的重要保障。近年来，国家大力发展无线电技术，把无线电监测系统作为重要的战略方向，使我国无线电监测设施建设得到迅速发展，特别加强了对数字通信、宽带通信、卫星通信等新业务的监测技术研究。

无线电监测系统是由一套覆盖全部监测频段的天线、天线选择装置以及处理设备构成的系统，包括转换器、接收机、测向仪等。系统控制器中运行的监测软件可以控制所有的硬件。监测接收机通过天线接口残疾天线接收到的无线电信号，经过相应的转换后通过监测机自带的接口，传输到控制器。最后由控制计算机实现对采集到的信号样本显示，并完成分析和保存等功能。

无线电监测系统对前端无线电信号采集设备有严重的依赖性，设备性能直接影响监测效果。亚德诺半导体公司推出的AD9371射频收发芯片，支持超宽频段、超大带宽，具有灵活的可编程特性，可以适应无线电监测对宽频段、多种带宽的要求。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供一种基于AD9371的多通道数据采集平台，基于AD9371的数据采集系统，可实时采集70MHz～6GHz的无线频段的信号，最大采集带宽可达100MHz，符合当前无线电监测的对前端无线电信号采集设备需要。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案

一种基于AD9371的多通道数据采集平台，包含多个模拟放大电路，以及与其数量相当且一一对应连接的AD9371，还包含FPGA模块、FMC扩展接口、微控制器模块、DDR3和以太网；所述AD9371通过FPGA模块与FMC扩展接口连接，所述AD9371和FPGA模块分别与微控制器模块连接，所述微控制器模块通过DDR3连接以太网。

作为本实用新型一种基于AD9371的多通道数据采集平台的进一步优选方案，所述模拟放大电路包含依次连接的一级固定增益放大器和一级增益可调放大器。

作为本实用新型一种基于AD9371的多通道数据采集平台的进一步优选方案，所述FPGA模块选用的是Xilinx公司开发的Kintex-7系列的XC7K325T。

作为本实用新型一种基于AD9371的多通道数据采集平台的进一步优选方案，所述微控制器模块采用Zynq-7000系列的XC7Z020。

作为本实用新型一种基于AD9371的多通道数据采集平台的进一步优选方案，所述一级固定增益放大器的芯片型号为ADL5611ARKZ。

作为本实用新型一种基于AD9371的多通道数据采集平台的进一步优选方案，所述一级增益可调放大器额芯片型号为HMC625ALP5E

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本实用新型采用AD9371及资源丰富的Kintex-7系列高性能FPGA完成基带信号及接口处理功能，Zynq-7000系列All Programmable SoC基于双核ARM+FPGA架构处理芯片，完成系统控制；

2、本实用新型对信号进行放大、混频至零中频，通过抗混叠滤波器（LPF）被高速ADC采样后送入信号处理模块。信号处理模块主要对ADC采集到的数字信号进行降采样，可以在ADC抗混叠滤波器矩形系数要求不高的情况下实现接近奈奎斯特采样率的数据速率，大大减轻了后级以太网数据传输的压力；

3、本实用新型FPGA选用的是Xilinx公司开发的Kintex-7系列的XC7K325T，该芯片拥有丰富的资源，高达478K逻辑单元；与VCXO元件、AXI IP、和AMS集成支持高达32路12.5G收发器、2,845 GMAC、34MbBRAM、和DDR3-1866与相似密度40nm器件相比，价格降低一半与前代40nm器件相比，功耗降低50%，可扩展优化架构。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

与普通便携式信号接收机不同，无线电采集监测系统需要随时对上G频段的无线信号进行采集与分析，因此它具有采集频段宽、动态范围大、采集数据量大等特点，利用普通的射频前端及DSP处理器难以满足其需求。

AD9371是亚德诺半导体公司新开发的一款高性能、高集成度的射频收发芯片，包含两路独立的接收端口和两路独立的发送端口，12位模数转换和12位数模转换，支持70MHz到6GHz的超宽频率范围，支持通道带宽最大可达100MHz。该器件结合了射频前端和混合信号基带部分，还集成了频率合成器，并给处理器提供可配置的数字接口。通过数字接口可以灵活配置各通道的参数，包括频点、带宽、增益等参数，基于这些特性，AD9371非常合适作为无线电监测的前端设备，可以监测超宽频段、不同带宽的无线电信号。

本实用新型采用AD9371及资源丰富的Kintex-7系列高性能FPGA完成基带信号及接口处理功能，Zynq-7000系列All Programmable SoC（基于双核ARM+FPGA架构）处理芯片，完成系统控制；搭建了无线电数据采集系统，其主要链路框图如图1所示。

空中无线电信号通过天线接收下来后输入本系统，系统对信号进行放大、混频至零中频，通过抗混叠滤波器（LPF）被高速ADC采样后送入信号处理模块。信号处理模块主要对ADC采集到的数字信号进行降采样，可以在ADC抗混叠滤波器矩形系数要求不高的情况下实现接近奈奎斯特采样率的数据速率，大大减轻了后级以太网数据传输的压力。信号处理模块输出的数据在缓存控制器控制下写入DDR3中。而后这些数据在处理器的调度下按照一定的格式打包后通过以千兆太网口发送给上位机。

放大设计了专门的模拟放大电路。由一级固定增益放大器（芯片型号：ADL5611ARKZ）；一级增益可调放大器组成（芯片型号：HMC625ALP5E）组成。

混频、抗混叠滤波及ADC采样由AD9371芯片完成。

ADC采样输出的数据最大可达800Mbps，如此高的数据速率信号处理由FPGA完成。数据调度打包调度发送由微控制器完成。FPGA选用的是Xilinx公司开发的Kintex-7系列的XC7K325T。该芯片拥有丰富的资源。高达 478K 逻辑单元; 与VCXO 元件、AXI IP、和 AMS集成支持高达 32路 12.5G 收发器、2,845 GMAC、34Mb BRAM、 和 DDR3-1866与相似密度40nm 器件相比，价格降低一半 与前代 40nm 器件相比，功耗降低50%。可扩展优化架构。

微控制器由Zynq-7000系列的XC7Z020，该芯片拥有包含了两个ARM Cortex A9CPU核，还拥有SDIO、UART、USB、以太网等丰富的外设。

以上的硬件方案除了能够满足无线电采集监测的需求、还具备体积小、功耗低等优点，特别适合于便携式使用。

3 便携式无线电采集监测系统FPGA逻辑设计

FPGA XC7K325T实现信号处理工作，同时要求其吞吐量高、控制灵活，在FPGA上构建一个SoPC系统来实现以上要求。

FPGA的SoPC系统可以通过Xilinx的Vivado软件进行构建，同时Xilinx还提供的AXI4-Stream FIFO、及自定义的信号处理模块。

自定义的信号处理模块主要完成信号的抽取工作。根据AD9371内部的低通滤波器阶数，信号处理模块的抽取倍数为4。利用MatLab的fdatool工具并结合Xilinx FIRCompiler设计一个4倍抽取滤波器。

信号处理模块采用AXI4-Stream接口与AXI4-Stream FIFO相连接。AXI4-StreamFIFO是Xilinx提供的LogiCORE IP，可允许AXI总线以内存读写的方式操纵AXI4-Stream设备。它通常与DMA控制器配合，实现外设与内存之间的高速数据传输。其在100MHz的总线时钟下，可以达到近1600Mbps的传输速率，满足多路数据采集系统的设计要求。

AXI4-Stream FIFO中包含有可配置深度的FIFO，缓存数据计数器，以及灵活的中断控制器。文章将AXI4-Stream FIFO工作模式设置为存储转发模式（Store-and-ForwardMode）。当无线电采集监测系统开始工作时，信号处理模块会源源不断将处理过后的信号以AXI4-Stream包的形式送给AXI4-Stream FIFO。AXI4-Stream FIFO每收到一个数据包，在更新缓存数据计数器的同时会提交一个包到达中断给微控制器XC7Z020的ARM处理器。ARM处理器收到中断，启动DMA控制器，将以数据包从AXI4-Stream FIFO搬移至DDR3内存中。最终这些数据在处理器的协助下，加上TCP/IP头，发送给指定计算机。

4 基于AD9371的多路数据采集系统嵌入式软件设计

基于AD9371的多路数据采集系统的嵌入式软件主要负责：

（1）控制FPGA的模块工作，主要是配合FPGA内的DMA控制器将数据从AXI4-StreamFIFO搬移至DDR3内存中。

（2）数据的网络打包，将内存中的数据进行封装，打包成TCP/IP数据包发送到指定计算机。

（3）人机接口，为用户提供方便的控制界面。

（4）为了加快软件的开发速度，采用Linux作为便携式无线电采集监测系统的操作系统。这样可以直接利用Linux系统内置的TCP/IP协议栈进行网络程序的开发，同时又可以在其上移植BOA等web服务器方便地构建B/S架构的人机界面，大大降低软件的开发难度。

系统分为控制通路和数据通路两部分，控制通路主要负责解析用户下发的控制命令，数据通路主要负责硬件至内存的数据传输和网络发送。设计时采用多线程的方式，以提高系统的处理能力。控制通路主要由指令解析和指令执行两个线程组成，指令解析线程负责解析用户下发的指令（如开始采集，停止采集等指令），解析完成后交由指令执行线程；指令执行线程执行完成指令后根据需要向用户反馈执行结果。数据打包发送根据指令执行线程下发的开始/停止，开始或停止数据的打包发送。

Claims (6)

1.一种基于AD9371的多通道数据采集平台，其特征在于：包含多个模拟放大电路，以及与其数量相当且一一对应连接的AD9371，还包含FPGA模块、FMC扩展接口、微控制器模块、DDR3和以太网；所述AD9371通过FPGA模块与FMC扩展接口连接，所述AD9371和FPGA模块分别与微控制器模块连接，所述微控制器模块通过DDR3连接以太网。

2.根据权利要求1所述的一种基于AD9371的多通道数据采集平台，其特征在于：所述模拟放大电路包含依次连接的一级固定增益放大器和一级增益可调放大器。

3.根据权利要求1所述的一种基于AD9371的多通道数据采集平台，其特征在于：所述FPGA模块选用的是Xilinx公司开发的Kintex-7系列的XC7K325T。

4.根据权利要求1所述的一种基于AD9371的多通道数据采集平台，其特征在于：所述微控制器模块采用Zynq-7000系列的XC7Z020。

5.根据权利要求2所述的一种基于AD9371的多通道数据采集平台，其特征在于：所述一级固定增益放大器的芯片型号为ADL5611ARKZ。

6.根据权利要求2所述的一种基于AD9371的多通道数据采集平台，其特征在于：所述一级增益可调放大器额芯片型号为HMC625ALP5E。