基于AD9364的软件无线电在遥测系统上的应用研究∗

韦宏利 满振国

（西安工业大学电子信息工程学院 西安 710021）

基于AD9364的软件无线电在遥测系统上的应用研究∗

韦宏利 满振国

（西安工业大学电子信息工程学院 西安 710021）

由于中小型弹药类飞行器内部的有效使用空间通常比较狭小，而遥测系统作为飞行器研制阶段重要的信号测量系统，也就必须本着体积尽可能小，重量尽可能轻、功耗尽可能低、各平台遥测系统尽可能通用的设计理念。正是基于这种设计理念，论文采用捷变频收发器AD9364来进行遥测信号的无线传输。通过把采集的遥测信号组帧并进行PCM-FM调制，将调制后的信号传给AD9364直接上变频，通过飞行器上携带的天线向地面设备发射。通过实际的应用发现，该设计相对于传统的遥测系统，具有集成度高、体积较小、功耗较低、兼容性强等优势。

软件无线电；AD9364；PCM-FM调制；遥测系统

1 引言

近年来，随着科技信息的快速发展，遥测技术［1］水平也得到相应的提高，为了实现不同的功能，各种遥测系统不断的涌现，基本上是“一个产品型号对应一套设备”，通用性、兼容性不强，增加了研发成本和操作维护的难度，整个遥测系统的可靠性也得不到保障。传统的遥测系统［2］虽然在体积、功耗、重量方面已经在一定程度上得到改善，但是对于一些中小型弹药类飞行器而言，还是不能够满足其要求。软件无线电的基本思想［3］是开放性的硬件通用平台，采用可升级、可重新配置的应用软件来实现各种无线电传输功能，该思想很适用于遥测系统。ADI公司的AD936X捷变收发器［4］是新一代软件无线电单芯片解决方案的杰出代表，其具有前端可编程的能力，内部集成混频器、滤波器、AD和DA，同时为基带信号处理器提供了可配置数字数据接口，该芯片能够实现从基带信号直接上变频到射频信号，不需要外部混频器，滤波器的支持，从而简化设计，大幅度减小遥测系统的体积、功耗、重量。本文是基于FPGA和AD9364的软件无线电遥测系统［5］，不仅可以进一步降低遥测系统的体积、设备和功耗，其也具有很强的可重构能力，能够提高遥测系统在多平台使用时的通用性。

2 AD9364的芯片架构及一般特性

2.1 AD9364的芯片架构

本文所采用的信号发射模块主要是由ADI公司单收单发型零中频捷变频收发器AD9364组成，支持全双工工作模式。该芯片的架构［6］由接收器、发射器、滤波器、混频器、AD转换、DA转换、数字数据接口、SPI控制接口组成，具体的架构框图如下图1。接收器部分用于接收射频信号并将其转换成可供基带信号处理器使用的数字数据，其也是一个直接变频系统，含有三个差分输入级、一个低噪声放大器（LNA），其后是匹配相内（I）和正交（Q）放大器、混频器和两种型号的低通滤波器，这两个低通滤波器实现频带整形并且可以滤掉混频后的高频信号，保留基带信号，以便进行数字化。发射器部分含有两个差分输出级，可以多路复用至发射通道。在输出到达DAC之前，提供额外的滤波和数据速率插值处理。频率合成器包含射频锁相环和基带锁相环，前者用于生成本振信号，后者用于生成所有基带相关时钟信号。数字数据接口采用12位并行数据端口P0、P1，实现AD9364和基带处理芯片之间数据传输。SPI接口用于实现AD9364与基带信号处理器之间的控制参数传输，完成配置器件寄存器的工作。

图1 AD9364捷变频收器的芯片架构

2.2 AD9364的一般特性

AD9364是一款高集成度的射频（RF）收发器，能够用于广泛的领域，在单个器件中集成了提供所有收发器功能的所有必要射频模块、混频模块、滤波器模块和数字模块。优异的可编程能力使这款宽带捷变频收发器可以适用于多种通信标准，包括频分双工（FDD）和时分双工（TDD）系统。此外，这种可编程能力还允许通过单通道12位并行数据端口、双通道12位并行数据端口或12位低电压差分接口，与各种基带处理器相连接。AD9364工作频率范围为70 MHz～6.0 GHz，涵盖大部分特许执照和免执照频段，支持的编程通道带宽范围为200 kHz以下至56 MHz。AD9364还提供了自我校准和自动增益控制（AGC）系统，可以在多种温度和输入信号条件下维持高性能水平。

3 基于AD9364的软件无线电的遥测系统设计

3.1 软件无线电的遥测系统设计及工作原理

本次设计主要用于将采集到的飞行器工况信息及串口收到的数字信息实时发射给地面设备。该系统的设计框图如图2所示。

图2 遥测系统框图设计

该系统的信号源来自于四片AD7193芯片采集到的飞行器工况信息以及由一组422串口收到的其他设备发过来的信息，这些信息按照一定的格式组帧，然后在FPGA内部完成信号调制，经过调制后的信号通过FPGA与AD9364之间的数据接口实现信息的交互，由于AD9364的发射功率大约只有几个dBm，这么小的功率显然不可能实现信号的远程传输，所以需要进行功率放大，最后再经过飞行器上携带的天线将信号发射到地面接收设备。

3.2 FPGA与AD9364之间的软件接口设计。

AD9364的接口设计分为两部分的设计，分别是SPI通讯接口设计和数字数据传输接口设计。

3.2.1 SPI通讯接口设计

SPI通讯接口设计是根据欲实现的功能，配置AD9364的内部寄存器，虽然这些内部寄存器的数量多达上千个，但是它的功能模块包含晶振时钟输入、基带锁相环频率设定及调理、接收与发送FIR滤波［7］参数设定、数字数据接口设置、接收与发送射频端频点设定、接收增益及发射功率设定、低通滤波器参数设定、正交校正与直流补偿，按照这些功能模块顺序依次配置即可。

3.2.2 数字数据传输接口

数字数据传输接口是AD9364采用并行数据接口与FPGA之间进行数据传输。数据端口可以配置为单端CMOS格式或差分LVDS格式。这两种格式都可以配置为多种方式，以满足数据时序和数据端口连接的系统需求，同时该总线传输是通过硬件握手信号来控制的。本次设计中只是用到了AD9364的发射功能，所以只实现FPGA到AD9364数据DDR模式单向传输即可，整个数据传输的软件实现框图如下图3所示，四片AD顺序采集到的信号进入FPGA内的FIFO实现缓存，同时也解决异步时钟域［8］的问题。因为AD采集的信号是多路信号，所以还要以一定的帧格式进行打包，打包后的数据进行PCM-FM调制，调制后的PCM码流需要进行时钟与数据以一定的相位角度关系对齐，然后通过P1_D数据接口、FB_CLK时钟线把数据传入AD9364，基带数信号在AD9364内进行频谱搬移至射频，最后通过天线辐射出去。

图3 数据传输的软件实现框图

4 系统调试结果分析

4.1 单音信号调试

本次设计采用的是FPGA控制SPI通讯协议完成AD9364的功能配置，而欲实现的功能所对应的AD9364寄存器的数量众多，所以需要通过许多次反复修改寄存器的参数，直到产生本文作者所需要的功能。本文作者多次修改寄存器的参数后，通过读取0x05E寄存器的值判断基带锁相环锁定，通过分别读取0x247，0x247寄存器［9］的值判断射频锁相环也已经锁定，另外通过给数据端口的I路最大值，Q路最小值，输出一单音频信号，工作频点2.4Ghz，并且控制AD9364内部对信号衰减了10dBm。利用频谱分析仪观测到该信号的波形如下图4，可以发现单音信号的波形比较干净，主峰两边基本无杂散。所以单音信号通信［10］调试完成，同时AD9364寄存器的配置工作基本结束。

图4 单音信号通信实验频谱图

4.2 PCM-FM调制通信的调试

AD采集到的模拟量及串口收到的数字量经过PCM-FM调制［11］后产生PCM码流，FPGA通过数据接口把PCM码流传输给AD9364。把AD9364的射频端连接到频谱仪上，通过频谱分析仪可以大致分析通信效果，从图5的频谱图上看，该波形与标准的的PCM-FM的频谱基本一致，可以断定PCM-FM通信成功。

图5 PCM-FM调制通信频谱图

5 结语

本文通过实际的项目调试，将采集到的飞行器工况信息及串口收到的数字量信息进行组帧编码，然后进行PCM-FM调制算法调制后，传送给AD9364，再通过AD9364进行滤波、插值、频谱搬移等处理后，利用飞行器上携带的平板天线，把信号发射给地面设备，实现遥测信号的可靠传输。而传统的微波通信多采用分立元器件设计，调试较麻烦，开发周期较长相比，AD9364集成式的设计降低了产品的尺寸，同时在很大程度上降低了功耗，提高了设备可靠性，也在很大程度上解决了设备的通用性的问题。

本文的研究是基于遥测系统的应用范围，而AD9364的工作频率最高达到6Ghz，基本涵盖了整个S波段，同时支持的通道带宽范围为200 kHz以下至56 MHz，相信该器件在［12］基于软件无线电的无线热点覆盖、城市基站补盲、直放站、手机终端、广电射频、中继、同频转发、无人机数传、低空飞行器无线传输、单兵电台、相控阵雷达等应用领域同样将取得非常好的应用效果。

［1］刘藴才，姚奇松，房鸿瑞，等.遥测遥控系统［M］.北京：国防工业出版社，2000：5-6.LIU Yuncai，YAO Qisong，FANG Hongrui，et al.Telemetry and remote control system［M］.Beijing：National Defence Industry Press，2000：5-6.

［2］于志坚.我国航天测控系统的现状与发展［J］.中国工程科学，2006，8（10）：43-46.YU Zhijian.Present situation and development of China's aerospace measurement and control system［J］.Engineering Science in China，2006，8（10）：43-46.

［3］杨小牛，楼才义，徐小良.软件无线电原理及其应用［M］.北京：北京理工大学出版社，2010：10-15.YANG Xiaoniu，LOU Caiyi，XU Xiaoliang.Principle and application of software radio［M］.Beijing：Beijing Institute of Technology press，2010：10-15.

［4］余莲.AD9361：基于突破性技术促进软件定义无线电应用［J］.电子技术应用，2013，39（11）：1-1.YU Lian.AD9361：Based on breakthrough technology to promote the application of Software Defined Radio［J］.Application of electronic technology，2013，39（11）：1-1.

［5］张军.无线电遥测系统及在兵器实验中的应用［M］.北京：国防工业出版社，2011：11-13.ZHANG Jun.Radio telemetry system and its application in weapon test［M］.Beijing：National Defence Industry Press，2011：11-13.

［6］亚德诺.AD9364参考设计手册UG-673［DB/OL］.http：//www.analog.com/media/cn/technical-documentation/user-guides/AD9364_Reference_Manual_UG-673.pdf ADI.AD9364_Reference_Manaul_UG-673 ［DB/OL］.http：//www.analog.com/media/cn/technical-documentation/user-guides/AD9364_Reference_Manual_UG-673.pdf

［7］徐科军，胡广书.信号分析与处理［M］.北京：清华大学出版社，2006：151-152.XU Kejun，HU Guangshu.Signal analysis and processing［M］.Beijing，tsinghua university press，2006：151-152.

［8］徐文波，田耘.Xilinx FPGA开发实用教程（附光盘第2版）/EDA工程技术丛书［M］.北京：清华大学出版社，2013：120-124.XU Wenbo，TIAN Yun.Xilinx FPGA Development and practical course（Attached CD-ROM Second Edition）/EDA series of Engineering Technology［M］.Beijing：tsinghua university press，2013：120-124.

［9］亚德诺.AD9364 AD9364寄存器参考手册_UG-672［DB/OL］.http：//www.analog.com/media/cn/technical-documentation/user-guides/AD9364_Register_Map_Reference_Manual_UG-672.pdf.ADI.AD9364Register_Map_Reference_Manual_UG-672［DB/OL］.http：//www.analog.com/media/cn/technical-documentation/user-guides/AD9364_Register_Map_Reference_Manual_UG-672.pdf.

［10］江力.数字通信原理［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2009：110-112.JIANG Li.Principle of digital communication［M］.Xi'an：Xidian University Press，2009：110-112.

［11］杜勇.数字调制解调技术的MATLAB与FPGA实现［M］.北京：电子工业出版社，2014：90-91.DU Yong.MATLAB and FPGA realization of digital modulation and demodulation technology［M］.Beijing：Electronic Industry Publishing House，2014：90-91.

［12］张健.ADI携手Xilinx共推系统级SDR解决方案［J］.业界访谈，2014（5）：47-48.ZHANG Jian.ADI and Xilinx jointly put forward the system level SDR solution［J］.Industry interview，2014（5）：47-48.

Research on the Application of Software Radio Based on AD9364 in Telemetry System

WEI HongliMAN Zhenguo
（Electronic Information Engineering College，Xi'an Technological University，Xi'an 710021）

Because of the effective using space of a small ammunition inside the vehicle is usually small，and telemetry system as aircraft development stage important signal measuring system，must also be the purpose of volume as small as possible，and weigh as much as light and power consumption as low as possible，the platform telemetry system as much as possible concept of universal design.It is based on this design conception，this paper uses frequency hopping transceiver AD9364 to carry out the wireless transmission of telemetry signal.Through the acquisition of the telemetry signal group frame and PCM-FM modulation，the modulated signal transmitted to the AD9364 directly on the frequency conversion，through the aircraft carried on the antenna to the ground equipment.Through practical application，it is found that this design has the advantages of high integration，small volume，low power consumption，strong compatibility and other advantages compared with the traditional telemetry system.

Software Radio，AD9364，PCM-FM modulation，telemetry system

TP391

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.10.010

Class Number TP391

2017年4月3日，

2017年5月11日

韦宏利，男，高级工程师，研究方向：自动控制。满振国，男，硕士研究生，研究方向：自动控制。