一种软件无线电通用硬件平台设计与实现

汪彦彦 陈 婷 郑 昱

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

随着无线通信的发展和多种业务传输的需求，根据需求相继出现了不同的通信体制的通信系统或设备，为了更好地使各种通信系统能够相互兼容，在1992年Joseph Mitola博士提出了软件无线电的概念，是指多频段无线电，它具有宽带的天线、前端、模数和数模变换，能通过软件来定义多个空中接口和协议，理想状态物理接口都可以通过软件来定义，实现多种通信功能于一体的一种技术[1-2]。

软件无线电的中心思想是在一个开放的、通用的、标准的硬件平台上尽可能多地通过软件编程，实现一种具有多模式、多速率、多频段的通信功能的开放式硬件体系架构，尽可能多地利用软件实现通信功能，从而使不同的通信系统可以在统一的硬件平台或架构下相互兼容，因此理论上只要硬件系统可以支持，就可以利用软件增加相应的通信功能，可以实现任意频段的通信功能，具有很强的灵活性和开放性。其最终目标是基于软件无线电技术，采用标准的、高性能的开放式总线结构，以利于硬件模块的不断升级和扩展，最终使一个移动终端可以在不同系统和平台间畅通无阻地进行通信，理想的软件无线电如图1所示。

软件无线电是集通信、计算机、微电子和信号处理等技术于一体，受数字信号处理和采样能力以及集成套片能力限制，软件无线电目前还没有发展到理想的标准，我们只能利用现有的技术条件来实现基于软件无线电思想的通用硬件平台，随着电子元器件等技术的不断发展，软件无线电技术也将会在多种领域落地开花[3]。

1 通用硬件平台设计思想

1.1 设计思路

目前通用硬件平台实现主要有两种组合方法，一是射频集成套片+可编程逻辑器件，二是离散器件+可编程逻辑器件，其中离散器件主要包括混频器、高速AD/DA、滤波器等分立元器件[5]。

第一种方案的好处是平台的小型化、软件化程度较高，更贴近软件无线电的思想，功耗低，大部分功能可通过软件实现，后续维护和升级成本较低。缺点是平台性能和可支持频段主要是取决于射频集成套片的发展水平。

第二种方案的好处是由于离散器件功能单一，器件性能、频段可选范围较宽，平台支持的频段和整体性能可能会较好。缺点是功耗较大，平台尺寸较大，调试工作量大，并对设计人员的工程经验要求较高，针对不同的频段、不同的模式需要不同的滤波器，软件可控程度较低，后续维护升级成本较高。

综上比较，为了充分体现软件无线电硬件平台的通用性、开放性、软件可配置的特点，本文选择射频集成套片+可编程逻辑器件方法实现，收发采用TDD模式。

1.2 主要器件选择

软件无线电通用硬件平台选用AD9361+FPGA架构为平台方案，平台功能主要是射频收发集成和信号处理控制两部分，是一款功能高度集成的解决方案。其中AD9361是ADI公司的一款高性能、高集成度的射频收发芯片，工作频段为70MHz～6GHz，支持通道带宽为200kHz～56MHz，满足目前大部分通信系统的带宽传输需求。芯片内部集成了模拟滤波、混频器、数据转换器、发射和接收通道的频率合成器以及包括可编程增益、直流偏置校准等数字域的其他功能，在FDD和TDD模式下均可以工作[4]。AD9361功能如图2所示。

AD9361和FPGA器件的连续互连架构能够提供快速﹑一致的信号延时，硬件集成度高，同时可以进行仿真来检验设计，减小设计失误，避免浪费，降低风险，设计完成后，使用下载电缆将设计编程到器件中，目前FPGA主要厂家有XILINX和ALTERA公司，其中ALTERA的中端器件相对价格低，尤其它的设计软件QuartusⅡ简单易操作，考虑到逻辑器件的容量适用性和硬件平台的通用性，本方案采用ALTERA公司的EP2C50F484C8系列表贴复杂可编程逻辑器件做处理器。

1.3 通用硬件平台组成及性能指标

在软件无线电设计理念下通用硬件平台首先应该具备很好的通用性和开放性，综合考虑平台的输出功率、输入信号格式以及供电需求等因素，软无平台的组成如图 3所示 ，主要由FPGA、AD9361、功放、可调滤波器、电源模块、接口转换模块、本振等组成。

通用硬件平台中主要功能芯片为FPGA和AD9361。FPGA主要实现发射数字波形产生、接收信号处理、时序控制以及接口适配。AD9361主要完成基带数字波形和射频信号之间的变频滤波以及增益控制。外围功放电路是对AD9361产生的射频信号进行放大到1W，可提高平台与其他射频通道的适配性。考虑AD9361内部的滤波器性能受限，为确保信号的质量，提高通信可靠性和有效性，在波形产生时增加了成型滤波，并在板上设计了两个可调滤波器对功放输出的发射信号和接收的射频信号进行滤波。

硬件平台的时钟采用统一高稳晶振为FPGA和AD9361提供本振信号，实现发射信号的相参性，在接收时也避免了时钟相参带来的频率偏移，从而提高解调灵敏度。

硬件平台接口适配电路主要是针对常用的串口、网口、SPI口和FPGA进行适配，选用常规成熟套片完成，满足标准数据流的传输需求。

主要性能指标设计：

1)工作频段：600MHz～680MHz；

2)调制带宽：200kHz～32MHz；

3)峰值发射功率：不小于1W；

4)功耗：不大于15W；

5)接口：网口、串口、SPI口；

6)供电：5V。

1.4 通用硬件平台的PCB设计

软件无线电通用硬件平台主要包括射频、电源、AD9361、FPGA、接口适配几部分，考虑到板卡的功能和功耗、体积等因素，在硬件平台设计时主要有以下几个设计难点：

一是选择器件时采用高集成、低功耗器件，其中FPGA和AD9361以及网络处理等器件都属于高速处理芯片，管脚分布密集，控制信号相对集中，器件布局有很大困难。

二是板卡尺寸较小，射频模拟和数字信号在板上的距离相对较近，信号隔离和板卡散热等因素对平台的指标实现都非常关键。

还有板上的器件种类较多，模电数电混合，各器件的供电需求不尽相同，在电源选择上需要充分考虑电流分配和电源隔离。

通过分析上述设计难点，在硬件平台的PCB设计中采取了相关的解决方案。

首先针对多种电源并存现象，在布板时充分考虑到EMC和信号完整性的相关问题，除了采用常规的电源隔离、增加去耦电容、减小走线长度等措施外，在板层设置上，采用了专用的电源层和地层，对模电、数电、不同伏值的电源都进行了仔细分片处理，同时根据信号传输方向在信号层也做了相应的隔离处理，很大程度地消除电磁干扰[6]。

其次针对射频电路专门进行了设计，从板卡布局上进行模拟和数字的分离，对收发通道的隔离采用大面积布地，并对收发信号线隔离。同时为了更好解决自身散热问题，主要对功放电路采取板卡背面大面积覆铜，紧密接触散热块，最后板卡的热量通过承载的结构壳体进行散热。

在硬件平台设计中PCB布线工程量是最大的，在硬件平台整个走线中，一般都采用是45°或者135°的走线以及弧形走线方式，确保信号的完整性。

通过以上几种措施确保了信号的完整性，实现通用硬件平台综合性能指标的优化设计，软无通用硬件平台最终PCB设计版图如图5所示。

1.5 通用硬件平台的软件设计

软件无线电通用硬件平台软件流程图如图6所示。平台的控制软件和信号处理软件都通过FPGA实现，开发环境使用ALTERA的QuartusII9.0，仿真工具采用Signaltap，开发语言选择VHDL。软件模块主要包括信号处理、波形产生、参数命令生成、接口数据转换等。

硬件平台在上电后首先进行初始化，在没有外控命令状态下，平台默认在接收状态，按照默认接收工作模式搜索空间中的射频信号，同时在人机测试界面上可以显示当前状态，并进行参数设置，工作流程如下。

2 通用硬件平台的实物测试

通用硬件平台测试包括静态测试和动态测试。静态测试主要是对板卡供电、静态电流、信号走线、底板噪声等指标进行测试。动态测试是通过对FPGA和AD9361进行配置编程，使其工作在正常状态，按照配置参数对FPGA送入的基带波形变换生成所需的射频信号，如图8所示，用户在操作界面上首先连通串口，选中使能，然后设置各种控制参数，点击“加载寄存器”按钮，指令通过PC串口传给硬件平台，在FPGA中编程生成不同模式的基带数字波形，同时FPGA对AD9361的寄存器进行配置，产生多种模式的射频信号。平台信号输出可通过频谱仪观察平台输出信号的格式、参数是否满足设计指标，如图9、图10所示频谱仪上分别显示利用硬件平台分别产生了中心频率在610MHz、670MHz的不同带宽调制信号。

为了防止输出信号超过频谱仪最大功率，测试时在设备输出增加了30dB衰减器，单板功耗10W，测试结果满足设计指标。

3 结束语

软件无线电通用硬件平台的设计对于将多种通信系统进行硬件小型化、功能软件化都起到了促进作用。经过测试，该通用硬件平台的指标和功能满足设计需求。后期应用通过调整滤波器的型号、下载不同的软件模块，使得平台可以适用多种应用场景，在工程上具有很强的实用性，未来在软件无线电技术研究上也有重要的参考价值。