一种基于FPGA的无线通信信号处理系统及方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于fpga的无线通信信号处理系统及方法。

背景技术：

无线网络(wirelessnetwork)是采用无线通信技术实现的网络。无线网络既包括允许用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络，也包括为近距离无线连接进行优化的红外线技术及射频技术，与有线网络的用途十分类似。目前偏远地区广泛应用的远距离无线通讯技术主要有gprs/cdma、数传电台、扩频微波、无线网桥及卫星通信、短波通信技术等。它主要使用在较为偏远或不宜铺设线路的地区，如：煤矿、海上、有污染或环境较为恶劣地区等。

但是现有的远距离无线通信，比如移动通信多采用多节点通信方案，在每个节点建立基站，通过基站进行多节点的数据信号转发，从而实现远距离的通信。其缺点是需要建立多个固定的信号塔，在有人聚集区此方案可靠可行，但是对于无人聚集区是不可行的，并且现有技术中使用同一无线通信系统的数据信号的传输距离是确定的，而无人区的通信并不是一直存在，这样就会造成资源浪费；同时，建设信号塔的成本太昂贵，对信号塔的维护检查操作的成本也很高，特别是在例如沙漠这种极端条件下，信号塔的维护特别困难。

软件无线电系统作为现代无线电通信的关键技术，其具有功能灵活，升级方便，通用型强等特点，在军用和个人通信市场飞速发展。特别是在军事通信领域，对于无线电通信平台的功耗、速率、抗干扰性都有着更高的要求，设计和实现新型高效的基于软件无线电技术的硬件平台有着重要的商用价值和研究意义。

现有的无线电通信平台逐渐形成了一些通用的模块，其a/d、d/a变换移到了中频，并且要求尽可能地靠近射频端，进而对整个系统频带进行采样。但不足之处在于通信制式单一、处理能力不足、带宽较低、且无法实现远距离通信。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于fpga的无线通信信号处理系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供了一种基于fpga的无线通信信号处理系统，包括：

射频前端模块，用于接收或发送射频信号；

射频收发器模块，连接所述射频前端模块，用于进行射频信号与数字信号之间的转换；

数字基带处理模块，连接所述射频前端模块和所述射频收发器模块，用于接收和处理所述数字信号，并发送处理后的所述数字信号。

在本发明的一个实施例中，还包括：

电源模块，连接所述射频前端模块、所述射频收发器模块和所述数字基带处理模块，用于提供外部电源电压。

在本发明的一个实施例中，还包括：

emi保护模块，连接所述电源模块，用于阻隔电压输入浪涌。

在本发明的一个实施例中，还包括：

浪涌保护模块，连接所述emi保护模块，用于抑止电压浪涌干扰。

在本发明的一个实施例中，所述射频前端模块包括：

射频信号接口，用于根据反馈接收或发送射频信号；

gps天线接口，用于扩展附加功能。

在本发明的一个实施例中，所述反馈为接收反馈或发送反馈。

在本发明的一个实施例中，所述射频收发器模块包括：

第一接口，用于将第一射频信号转换为第一数字信号，并发送所述第一数字信号；

第二接口，用于将第二数字信号转换为第二射频信号，并发送所述第二射频信号。

在本发明的一个实施例中，所述第一射频信号由射频前端模块发送；所述第二数字信号由数字基带处理模块发送。

在本发明的一个实施例中，所述数字基带处理模块包括：

以太网接口，用于进行网口通信；

时钟输出接口，用于提供工作时钟；

功放通信接口，用于进行串口通信；

功放收发切换接口，用于控制功放；

i/o接口，用于进行外部控制与设置；

切换控制接口，用于扩展附加功能。

本发明另一个实施例提供了一种基于fpga的无线通信信号处理方法，包括：

接收或发送射频信号；

进行射频信号与数字信号之间的转换；

接收和处理所述数字信号，并发送处理后的所述数字信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明提出的系统以大规模fpga器件构建数字基带处理模块，使得系统的硬件结构和功能相对独立，在单一设备内完成了一个完整的网络化无线收发处理流程。

2、本发明提出的系统利用宽带rf网络收发器同时支持基于并行多载波体制的ofdm与基于串行单载波体制的soqpsk/8psk/16qam，以分别提供较高的频谱效率或较高的功率效率，在具体应用时，根据需求通过参数配置的方式在两种调制体制间转换。

3、本发明提出的系统支持基于snmp网管协议的远程网络化配置、监控和管理能力。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于fpga的无线通信信号处理系统的架构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于fpga的无线通信信号处理系统中射频前端模块的接口示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于fpga的无线通信信号处理系统中射频收发器模块的接口示意图；

图4为本发明实施例提供的一种基于fpga的无线通信信号处理系统中数字基带处理模块的接口示意图；

图5为本发明实施例提供的一种基于fpga的无线通信信号处理方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于fpga的无线通信信号处理系统的架构示意图。

本发明实施例提供的一种基于fpga的无线通信信号处理系统，包括：

射频前端模块，用于接收或发送射频信号；

射频收发器模块，连接射频前端模块，用于进行射频信号与数字信号之间的转换；

数字基带处理模块，连接射频前端模块和射频收发器模块，用于接收和处理数字信号，并发送处理后的数字信号。

特别地，本发明具体实施例中，还包括：

电源模块，连接射频前端模块、射频收发器模块和数字基带处理模块，用于提供外部电源电压。

特别地，本发明具体实施例中，还包括：

emi保护模块，连接电源模块，用于阻隔输入浪涌。

特别地，本发明具体实施例中，还包括：

浪涌保护模块，连接emi保护模块，用于抑止电压浪涌干扰。

具体地，在接收信号时，用户端通过pc机连接设备网口，并通过设备网口控制本系统接收信号，如图1所示，本发明提供的数字基带处理模块，主要用于发送反馈至射频前端模块，射频前端模块收到反馈后开始接收射频信号，并将该射频信号传送至射频收发器模块进行ad转换，将射频信号转换成数字信号，再将数字信号发送至基带处理模块，数字基带处理模块接收并处理该数字信号。

同样，如图1所示，在发送信号时，用户端通过pc机连接设备网口，并通过设备网口控制本系统发送信号，数字基带处理模块发送反馈传送至射频前端模块，射频前端模块收到反馈后开始发送处理后的射频信号。特别需要说明的是，这里的射频信号为接收信号过程中接收到的射频信号经过数字基带处理模块处理后，再经过射频收发器模块进行da转换后的射频信号。即数字基带处理模块处理接收信号过程中的数字信号，将处理完成后的数字信号传送至射频收发器模块，射频收发器模块该处理完成的数字信号，并将该处理完成的数字信号转换为处理后的射频信号传送至射频前端，射频前端模块根据反馈发送该处理后的射频信号。

特别地，本发明提供的数字基带处理模块的主要功能包括：发送信号时，完成对数字信号的调制处理，调制处理包括接收、加扰、交织、编码、调制映射、插值滤波等，然后通过数据接口输出给射频收发器模块进行da转换，形成处理后的射频信号，射频收发器模块再将该处理后的射频信号发送至射频前端模块进行信号的发送；在接收信号时，射频前端模块接收射频信号，将射频传送至射频收发器模块进行ad转换，再对ad转换形成的数字信号进行解调处理，解调处理包括匹配滤波、分组检测、信号的粗同步、细同步、信道估计、频域均衡、解映射、解码、解扰等等，然后通过数据接口输出给用户端。

具体的，基带处理模块采用用高性能fpga和高速ad-da芯片，通过使用fpga数字化基带，可以方便地通过软件配置实现多种工作模式，可通过外接不同射频模块来实现不同功能。

特别地，如图2所示，本发明具体实施例中，射频前端模块包括：

射频信号接口，用于接收反馈，并根据反馈接收或发送射频信号；

gps天线接口，用于扩展附加功能。

特别地，本发明具体实施例中，反馈为接收反馈或发送反馈。

特别地，如图3所示，本发明具体实施例中，射频收发器模块包括：

第一接口，用于接收第一射频信号，并将第一射频信号转换为第一数字信号，并发送第一数字信号至数字基带处理模块；

第二接口，用于接收第二数字信号，并将第二数字信号转换为第二射频信号，并发送第二射频信号至射频前端模块。

特别地，本发明具体实施例中，第一射频信号由射频前端模块发送；所述第二数字信号由数字基带处理模块发送。

特别地，如图4所示，本发明具体实施例中，数字基带处理模块包括：

以太网接口，用于进行网口通信；

时钟输出接口，用于提供工作时钟；

功放通信接口，用于进行串口通信；

功放收发切换接口，用于控制功放；

i/o接口，用于进行外部控制与设置；

切换控制接口，用于扩展附加功能。

具体地，射频前端模块的射频信号接口会接收来自数字基带处理模块发送的反馈接收或发送射频信号，再经过射频收发器模块进行调制和解调。当接收信号时，通过射频收发器模块的第一接口调制第一射频信号，包括qpsk、8psk、16qam等多种调制模式，射频收发器模块可以根据具体接收到的调制指令，选择具体的某一种调制模式对射频信号进行调制控制，不同的调制模式对应不同的信号速率等级，从而控制数据的发送距离。这样在无人区需要远距离通信时，输入对应的调制指令，达到远距离传输的目的，而不需要通信时，则输入对应的调制指令，完成近距离通信，通信控制更加灵活，而且不需要另外设置基站，降低了成本。

对应地，当发送信号时，通过射频收发器模块的第二接口解调第二数字信号，包括对应的多种解调模式，射频收发器模块可以根据具体接收到的解调指令，选择具体的某一种解调模式对第二数字信号进行解调控制。由于射频收发器模块和数字基带处理模块的时钟不同，因此需要在二者之间进行缓冲同步处理，同步以后，数字基带处理模块对射频收发器模块发送的数字信号进行匹配滤波，分组检测、粗频偏检测和矫正、粗同步、细频偏检测和矫正、细同步、信道估计、频域均衡等等，这些操作是为了准确的从信号中找到需要的信息，并消除因为无线传输产生的频偏。

需要说明的是，调制指令和解调指令是基于fpga控制信号生成的二进制调制参数和解调参数。

对调制解调的原理进行举例说明，soqps调制是一种带宽效率很高且严格恒包络的调制模式soqpsk调制解调方案复用qpsk调制解调模块，只需专门针对soqpsk调制模式分别在qpsk调制前和qpsk解调后添加相应的操作模块。

本发明中射频收发器模块的主要功能包括：1、将数字信号转为模拟信号及将模拟信号转为数字信号；2、实现频谱搬移功能；3、将模拟信号放大并保证模拟信号不失真。

具体的工作过程是：用户端用pc机连接设备的以太网接口，并通过以太网接口向数字基带处理模块下发上行数据，数字基带处理模块根据上行数据的特征选择合适的调制处理模式进行调制，并将调制好的上行数据发送给射频收发器模块，射频收发器模块对上行数据进行模数数模转换、频谱搬移以及信号放大之后，通过天线发射出去。另一方面，射频收发器模块通过天线接收下行数据，并对下行数据进行频谱搬移、模数数模转换后，发送给数字基带处理模块，数字基带处理模块根据下行数据的特征选择合适的解调处理模式进行解调处理，然后将处理后的下行数据上传给pc机用户端。

在本发明具体实施例中，数字基带处理模块通过对数据进行调制，使得数据传输效率提高，进一步的，射频收发器模块通过功率放大器，实现对数据的线性传输，以及使发送数据达到预设功率，保证数据的线性度。

具体地，射频收发器模块包括ad9361射频芯片、功率放大器以及一级射频滤波器和收发切换开关。其中，ad9361射频芯片具有极高的集成性和灵活性，其完成了从数字基带信号到射频已调信号间的全部转换与模拟信号处理功能，包括滤波、放大、agc、iq校准、频率综合等，ad9361射频芯片还具有零中频载频搬移功能。

射频前端模块包括adc/dac/rssi/数字控制接口，其中，高速dac接口用于将从数字基带处理模块接收到的数字信号转换为模拟信号，并把模拟信号给到射频芯片；而高速adc接口用于将从射频芯片接收到的模拟信号转换为数字信号，并把数字信号给到数字基带处理模块；低速adc接口用于将模拟rssi(接收信号强度)转换为数字rssi。这样射频前端可一次性完成i、q双路模拟信号处理，同步给出实时rssi(接收信号强度)指示，提供完全集成的接收与发送通道、vco、滤波、频率合成器以及基带/控制接口。

功率放大器主要用于空地链路远距离通信系统，是本发明的无线通信系统非常关键的设备。实现高功率输出的同时保证足够的线性度是保证远距离通信成功的关键。功率放大器包括功放发射器和功放接收器，其中功放发射器是把输入功率线性放大至25w从而实现信号无失真的远距离传输和覆盖。功放接收器则是把接收到的小信号进行放大后再传至后级电路进行处理，同时把接收器的噪声系数压至最低。

具体地，功放发射器包括多级功放器和位于相邻的两级功放器之间的隔离器或者温补衰减器，其中，多级功放器用于实现信号的线性放大，隔离器的作用是：第一，保证每级放大器输出驻波非常小；第二，降低功放管的反串信号，以免功放管自激烧毁。同时，为了应对高低温下功放输出功率变化较大的问题，在发射通道加上一个3db的负温度系数温补衰减器(高温时衰减小，低温时衰减大)，使高低温对功放输出功率的影响降到最低。

优选地，本发明实施例中，功放发射器包括依次连接的环形器、第一功放器pa1、-3db温补衰减器、第二功放器pa2、第一隔离器1、第三功放器pa3、第二隔离器2、第四功放器pa4和第三隔离器3。其中，功放器即为放大器，4级功放器中前3级功放器驱动第4级功放器输出功率达到32w，且保证输出32w时imd3有-20dbc。

功率放大器的核心是半导体器件，该器件从最初的磁控管，行波管半导体发展到技术相对较为成熟的砷化镓场效应管(gaasfet)以及最近新兴的氮化镓(gan)和碳化硅(sic)半导体但目前受限于功放管可选性范围较窄及国外对我国采购进行限制等因素，最终确定使用gan功率放大器来实现功率放大。经过筛选和性能对比，末级功放管和推动级功放管确定选用美国macom公司的gan芯片。

由于功率放大器和网络收发器之间可能会相隔较长的距离，所以必须考虑到长线缆带来的损耗。为应对该问题，功放发射器上还设有增益补偿模块，用于给每一级功放进行增益补偿，本实施例中，功放发射器设置四级放大器，总增益大于等于40db。每一级放大器增益和输出功率。

举例而言，第四功放管为末级功放管，其1db压缩点为50w，为保证输出线性度，采用线性回退方式实现25w功率输出。第三功放管为推动级功放管，其1db压缩点为16w，为保证输出线性度，功放回退至6w来推动末级功放器。这两级大功率功放管的功率输出及效率优化是设计的最关键点。当输入的电平在要求范围内时，通过具体调整增益大小以保证输出功率为25w。其中，第一功放器和第二功放器选用hittite公司的小功率gan线性放大器，增益相对较高。第三功放器和第四功放器选用的是macom的大功率的gan场效应管，是整个功放的核心部件。

本实施例中，射频收发器模块还包括功放接收器，功放接收器主要包括低噪声放大器(lna)主要功能是把接收进来的小信号进行放大，并压低整个接收器的噪声系数，提高接收器灵敏度。

进一步地，由于功率放大器是收发一体机，当功放发射器工作时，功放发射机信号通过环形器泄漏到接收链路，并通过接收链路返回到功放发射机的输入端，引起发射链路自激。为解决该问题，实现方法是在lna之前加入能承受大功率的限幅器，在lna之后加入2级隔离开关，以实现足够的隔离。

举例而言，当功放发射器输出最大功率+44dbm时，环形器的隔离度约有15db，那么泄漏到功放接收器限幅器前约有+30dbm，经过限幅器限幅后，变成+6dbm。功放发射器工作时，接收器的lna是不上电的，这样lna约有20db的隔离，那么功率减小为-14dbm。然后经过2及隔离开关(每一级开关的隔离度为27db)，信号进一步减小到-68dbm。然后再经过输入端的环形器(隔离度为15db)，信号变为-83dbm。由此可知，加上限幅器和2级隔离开关后，功放发射器输出端泄漏到功放发射器输入端的信号变得非常小(-83dbm)，基本可忽略其对发射链路的影响。

当功放接收器工作时，信号也会从功放接收器的输出端通过发射链路泄漏至功放接收器的输入端影响接收性能。同理，采取同样的方法在发射链路加第一隔离器、第二隔离器和第三隔离器，以实现足够的隔离，保证不会产生自激影响。

进一步地，噪声系数是功放接收器最重要的指标之一。噪声系数好坏直接影响功放接收器的解调能力。本实施例中，功放接收器中的低噪声放大器选用业界噪声系数最小的低噪声放大器作为功放接收器的第一级lna，该lna在4.4-4.94g频段的噪声系数为1db。

天线至功放接收器输入端口线缆损耗暂按1db算(该线缆损耗越小越好)，环形器损耗约为0.4db，限幅器损耗约为0.4db，后级噪声系数贡献约为0.5db。

本发明提供的无线通信系统，包括数字基带处理模块和射频收发器模块，射频单元通过2级线性功放器和2级大功率放大器，能够实现对信号的线性放大，且信号不失真，保证了远距离通信的成功。因此，本发明无需设置信号塔，即可实现300公里范围内的远距离传输。并且，当无需远距离传输时，通过信号调制，可以完成近距离通信，因此，提高了资源利用率。

本发明提出的系统，以大规模fpga器件构建数字基带处理模块，使得系统的硬件结构和功能相对独立，在单一设备内完成了一个完整的网络化无线收发处理流程；另外，本发明提出的系统，利用宽带rf网络收发器同时支持基于并行多载波体制的ofdm与基于串行单载波体制的soqpsk/8psk/16qam，以分别提供较高的频谱效率或较高的功率效率，在具体应用时，根据需求通过参数配置的方式在两种调制体制间转换；同时，本发明提出的系统支持基于snmp网管协议的远程网络化配置、监控和管理能力。

本发明的数字基带处理模块中，发射模块中设有调制单元，调制单元中设置有qpsk、8psk、16qam等多种调制模式，如表1所示，发射模块可以根据具体接收到的调制指令，选择具体的某一种调制模式对上行数据进行调制控制，不同的调制模式对应不同的信号速率等级，从而控制数据的发送距离。这样在无人区需要远距离通信时，输入对应的调制指令，达到远距离传输的目的，而不需要通信时，则输入对应的调制指令，完成近距离通信，通信管控更加灵活，而且不需要另外设置基站，降低了成本。

对应的，数字基带处理模块的接收模块中设有解调单元，解调单元内对应于调制单元的多种调制模式设置有多种解调模式，解调单元用于对接收到的下行数据进行解调处理。由于射频收发器模块和数字基带处理模块的时钟不同，因此需要在二者之间进行缓冲同步处理，同步以后，数字基带处理模块对接收模块接收的下行数据进行匹配滤波，分组检测、粗频偏检测和矫正、粗同步、细频偏检测和矫正、细同步、信道估计、频域均衡等等，这些操作是为了准确的从信号中找到需要的信息，并消除因为无线传输产生的频偏。

需要说明的是，调制指令为发射状态机基于fpga控制信号生成的二进制调制参数，解调指令为接收状态机基于fpga控制信号生成的二进制解调参数。

对调制解调原理进行举例说明，soqpsk调制是一种带宽效率很高且严格恒包络的调制模式。soqpsk调制解调方案复用qpsk调制解调模块，只需专门针对soqpsk调制模式分别在qpsk调制前和qpsk解调后添加相应的操作模块。

特别地，如图5所示，本发明另一个实施例提供了一种基于fpga的无线通信信号处理方法，包括：

接收或发送射频信号；

进行所述射频信号与数字信号之间的转换；

接收和处理所述数字信号，并发送处理后的所述数字信号。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。