一种用于软件无线电的基带和射频一体化板卡的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于软件无线电的基带和射频一体化板卡，可直接对射频信号接收后转换为数字信号进行高速、大容量的信号处理，同时可将要发送的数字信息直接变频到射频频率进行发射，并满足软件无线电的开放性、标准化、模块化、波形参数及通信模式(扩频方式，调制方式，信道编码等)可智能选取等功能，可做到硬件小型化，降低设备体积和功耗。
【专利说明】
一种用于软件无线电的基带和射频一体化板卡
技术领域
[0001]本发明属于软件无线电技术领域，具体涉及一种用于软件无线电的基带和射频一体化板卡。
【背景技术】
[0002]软件定义无线电(SDR)最早是美国军方为了解决海湾战争中海、陆、空各军种进行联合作战时的互通互联互操作问题而提出来的，其基本思想是将宽带A/D变换尽可能地靠近射频天线，即尽可能早地将收到的模拟信号数字化，构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将各种功能如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成，加载不同的通信软件以实现不同的通信模式和功能。
[0003]根据软件无线电的功能需求，现有的软件无线电平台逐渐形成了一些通用的模块，例如基带信号处理模块、中频变换模块，射频收发模块等。但现有的软件无线电功能模块存在着处理能力不足、体积偏大等问题，因此需要在满足软件无线电系统功能要求的前提下，提高处理能力，并兼顾小型化的需求。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于软件无线电的基带和射频一体化板卡，实现硬件小型化，降低设备体积和功耗。
[0005]—种用于软件无线电的基带和射频一体化板卡，包括基带信号处理部分、底板总线通信部分以及射频单元部分；
[0006]所述基带信号处理部分包括FPGA芯片、DSP芯片以及接口控制芯片;所述DSP芯片和FPGA芯片通过4 X SR1互连；
[0007]所述底板总线通信部分通过CPCI总线将上位机与基带信号处理部分连接起来，具体为:采用一个PCIE/PCI桥芯片将PCI并行总线转换为PCIE串行总线，然后通过PCIE交换片，与FPGA芯片通过PCIE 4X接口实现互连，与DSP芯片通过PCIE 2X实现互连，与接口控制芯片通过PCIE IX实现互连；
[0008]所述射频单元部分采用FMC接口的子板形式，包括SMA形式的射频收发接口以及AD9364芯片;所述射频收发接口的发射端口通过两级放大器连接AD9364芯片，射频收发接口的接收端口通过低噪放大器连接AD9364芯片;AD9364芯片通过FMC子板的HPC接口与FPGA芯片连接；
[0009]在信号发射过程中，上位机将调制解调程序通过底板总线通信部分加载到FPGA芯片，完成发射接收的相关参数的配置;FPGA芯片通过底板总线通信部分从上位机接收需要发送的数据，对其进行发射所需的处理后，将处理完的数据码流发送给射频单元部分，在AD9364芯片里完成数字一模拟转换和上变频操作，然后再经发射端口连接的天线以射频信号的方式发送数据；
[0010]在信号接收过程中，射频单元部分通过射频收发接口中的接收端口接收信号，对信号进行两级放大后，经AD9364芯片完成下变频和模拟一数字转换，得到数字信号，然后将该数字信号经HPC接插件传送给FPGA芯片；
[0011]所述基带信号处理部分从射频单元部分接收到所述数字信号后，并需要进行某种算法处理时，所述接口控制芯片通过底板总线通信部分从上位机接收该算法处理对应的软件程序，并判断:
[0012]当FPGA芯片满足信号处理需求时，接口控制芯片控制DSP芯片进入休眠状态，同时将软件程序加载在FPGA芯片中，并驱动其运行该软件程序，实现对数字信号的处理，然后将数据通过底板总线通信部分传回给上位机；
[0013]当FPGA芯片不能满足信号处理需求时，接口控制芯片对软件程序进行配置，将部分加载在FPGA芯片中，部分加载在DSP芯片中；驱动FPGA芯片运行软件程序后，得到中间数据，FPGA芯片将该中间数据传输给DSP芯片后，接口控制芯片驱动DSP芯片运行其内部加载的程序，实现对数字信号的最终处理，然后将数据通过底板总线通信部分传回给上位机。
[0014]较佳的，所述射频单元部分的工作频率范围为70MHz至6.0GHz。
[0015]较佳的，DSP芯片选用的型号为TMS320C6678。
[0016]较佳的，FPGA芯片选用Xilinx公司的Kintex-7系列芯片FGPAXC7K325T。
[0017]本发明具有如下有益效果:
[0018]本发明的一种用于软件无线电的基带和射频一体化板卡，可直接对射频信号接收后转换为数字信号进行高速、大容量的信号处理，同时可将要发送的数字信息直接变频到射频频率进行发射，并满足软件无线电的开放性、标准化、模块化、波形参数及通信模式(扩频方式，调制方式，信道编码等)可智能选取等功能，可做到硬件小型化，降低设备体积和功耗。
【附图说明】
[0019]图1为本发明的基带、射频一体化板卡整体框图；
[0020]图2为本发明的FMC射频子板原理框图；
[0021]图3基于本发明的小型化软件无线电系统示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0023]本发明的目的是提供一种用于软件无线电的基带、如图1和2所示，包括三部分:
[0024](I)基带信号处理部分:采用DSP+FPGA实现的方式，DSP和FPGA通过4 X SR1互连，可进行数据交互，在相应的算法需求下，FPGA和DSP可将预处理的数据经SR1发送到对方，协同完成信号处理算法。
[0025](2)底板总线通信部分:通用的底板总线种类较多，根据软件无线电需要，可选用CPCI总线。底板CPCI总线通过一个PCIE/PCI桥芯片将PCI并行总线转换为PCIE串行总线，然后通过PCIE交换片，与FPGA芯片通过PCIE 4X接口进行数据交换，与DSP芯片通过PCIE 2X进行数据交换，实现软件无线电主控板通过PCI总线与板上的FPGA和DSP进行数据通信。
[0026](3)射频单元部分:如图3所示，采用FMC接口的子板形式，对外接口为SMA的射频收发接口，射频收发接口连接到AD9364芯片AD9364芯片与射频发射端有两级放大器电路，保证发射的功率的线性度，使在最大功率输出时也有一个良好的线性度，射频接收端与AD9364芯片设计了一级外置低噪放大器，可以增加接收增益，减小噪声系数。AD9364芯片对内接口包括AD采样后的数据输出或接收基带模块所发送的DA数据，以及AD9364相关的控制接口，通过FMC子板的HPC接口与FPGA连接。射频收发部分的频率范围为70MHz至6.0GHz。
[0027]软件无线电系统要求能够做到硬件的小型化和低功耗。现有的用于软件无线电的基带模块和射频模块通常是分开的单独模块，采用离散器件(放大器、混频器、解调器、ADC/DAC、滤波器等)来搭建的射频模块产品体积、功耗都比较大。在满足系统功能要求的前提下，按本发明完成的一体化板卡，将软件无线电常用的模块由两个合并成一个，体积功耗都减小很多。
[0028]采用DSP+FPGA实现高速大容量信号处理。DSP芯片可选用TMS320C6678，集成了 8个C66X系列的内核，单核运行速度最高可达1.25GHz APGA芯片可选用XC7K325T，是XiIinx最新的Kintex-7系列FGPA，集成了326080个Logic cells，I个PCIE接口，16个高速数据收发GTX接口，840个数字信号处理模块。FPGA芯片与DSP芯片通过串行高速输入输出接口 SR1连接，可进行高速信号交换，FPGA芯片与DSP芯片均可与CPCI主控板进行通信，并可由主控板进行程序在线加载。
[0029]同时，若信号处理量非常大，单板上的FPGA+DSP运算量不够，可直接在软件无线电系统中扩展多个基带、射频一体化板卡，板卡上的底部接插件已经预留了 FPGA和DSP的扩展接口，可以实现不同模块的FPGA和DSP协同工作。
[0030]通常，信号处理芯片FPGA和DSP的程序存储在其外挂的ROM或FLASH里面，上电后从ROM或FLASH读取程序执行。由于软件无线电对波形参数及通信模式(扩频方式，调制方式，信道编码等)提出了可智能选取的要求，因此需要实现软件算法的动态配置。在实现上，可将不同软件算法的程序存储在软件无线电的主控模块上，根据算法的需求，例如要实现DS-QPSK数传波形的收发，软件无线电的主控模块将DS-QPSK数传波形的调制解调算法程序部署到一体化板卡执行，若执行一段时间后需切换成FM语音波形的调制解调算法，则重新将FM语音波形的调制解调算法程序部署到一体化板卡执行，做到软件算法的切换。
[0031]软件算法程序的在线加载过程为:主控模块将算法程序经PCI总线发送到一体化模块，一体化模块通过一个PCIE/PCI Bridge将PCI并行总线数据转换为PCIE串行总线数据，然后通过PCIE交换片将数据传输给接口控制芯片(接口控制芯片一般可选用逻辑芯片实现)，通过接口控制芯片对FPGA和DSP程序加载接口的配置，将程序在线注入FPGA和DSP，实现算法的运行。
[0032]在信号处理需求较小的场合，可以只使用FPGA而不使用DSP，这样动态配置的算法程序只包括FPGA程序即可，DSP可处于休眠模式，因此可以灵活的控制信号处理芯片的选择，进而减小模块的功耗。若信号处理需求较大，FPGA芯片不能满足信号处理需求时，需要FPGA和DSP协同完成，接口控制芯片对软件程序进行配置，将部分加载在FPGA芯片中，部分加载在DSP芯片中；驱动FPGA芯片运行软件程序后，得到中间数据，FPGA芯片将该中间数据传输给DSP芯片后，接口控制芯片驱动DSP芯片运行其内部加载的程序，实现对数字信号的最终处理，然后将数据通过底板总线通信部分传回给上位机
[0033]本发明的基带、射频一体化板卡，作为一种标准板卡，并非是特用的，只要支持底板总线协议，就不仅仅适用于软件无线电领域，其他领域如信息安全领域、视频图形处理领域等，只要是按标准总线架构设计产品，都可以使用本发明的一体化板卡完成相关的信号处理。
[0034]FMC(FPGA Mezzanine Card)是一种通用的板卡模块，旨在为基础板提供标准的加层板、连接器和模块接口。由于其标准性和通用性，以FMC子卡的形式完成的设计已经越来越广泛，通过这种设计，可以根据不同的需要，相应更换FMC子卡，使设计更灵活，更方便。采用FMC子板设计的目的是射频部分可以灵活升级，若更改射频部分的设计方案，只更改FMC子卡的设计即可。
[0035]以软件无线电常用的DS-QPSK数传波形发送接收为例，上电后，软件无线电主控板(上位机)首先将DS-QPSK的调制解调程序通过PCI总线加载到FPGA芯片，然后完成发射接收频率等相关参数的配置，然后，将需要发送的数据经PCI总线传送给FPGA芯片，FPGA芯片对其进行编码、调制、扩频等处理后，将处理完的数据码流经HPC接插件传送给FMC子板的DA数据接收通道，在AD9364芯片里完成数字一模拟转换和上变频操作，然后经SMA发送接口连接的天线以射频信号的方式发送数据；
[0036]射频接收天线接收信号后，经SMA接收口将数据接收到AD9364芯片，在芯片内完成下变频和模拟一数字转换，然后将数据经HPC接插件传送给FPGA芯片，在FPGA芯片内完成解扩、解调、解码等处理后，将接收数据通过PCI总线传回给CPCI主控板；
[0037]由于FGPA的处理能力能够满足DS-QPSK调制解调的需要，此过程不需要DSP芯片的参与。
[0038]进一步地，若需要更改通信波形为FM语音波形，则通过软件无线电主控板在线更换FPGA内的程序为FM语音波形的调制解调程序，并配置所需的射频频率等相关参数，其语音数据的发送接收数据流与DS-QPSK类似，不再赘述。
[0039]本发明的基带、射频一体化板卡，作为一种标准板卡，不仅仅适用于软件无线电领域，其他领域如信息安全领域、视频图形处理领域等，只要是按标准总线架构设计产品，都可以使用本发明的一体化板卡完成相关的信号处理。
[0040]综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种用于软件无线电的基带和射频一体化板卡，其特征在于，包括基带信号处理部分、底板总线通信部分以及射频单元部分； 所述基带信号处理部分包括FPGA芯片、DSP芯片以及接口控制芯片；所述DSP芯片和FPGA芯片通过4 X SR1互连； 所述底板总线通信部分通过CPCI总线将上位机与基带信号处理部分连接起来，具体为:采用一个PCIE/PCI桥芯片将PCI并行总线转换为PCIE串行总线，然后通过PCIE交换片，与FPGA芯片通过PCIE 4X接口实现互连，与DSP芯片通过PCIE 2X实现互连，与接口控制芯片通过PCIE IX实现互连； 所述射频单元部分采用FMC接口的子板形式，包括SMA形式的射频收发接口以及AD9364芯片;所述射频收发接口的发射端口通过两级放大器连接AD9364芯片，射频收发接口的接收端口通过低噪放大器连接AD9364芯片;AD9364芯片通过FMC子板的HPC接口与FPGA芯片连接； 在信号发射过程中，上位机将调制解调程序通过底板总线通信部分加载到FPGA芯片，完成发射接收的相关参数的配置;FPGA芯片通过底板总线通信部分从上位机接收需要发送的数据，对其进行发射所需的处理后，将处理完的数据码流发送给射频单元部分，在AD9364芯片里完成数字一模拟转换和上变频操作，然后再经发射端口连接的天线以射频信号的方式发送数据； 在信号接收过程中，射频单元部分通过射频收发接口中的接收端口接收信号，对信号进行两级放大后，经AD9364芯片完成下变频和模拟一数字转换，得到数字信号，然后将该数字信号经HPC接插件传送给FPGA芯片； 所述基带信号处理部分从射频单元部分接收到所述数字信号后，并需要进行某种算法处理时，所述接口控制芯片通过底板总线通信部分从上位机接收该算法处理对应的软件程序，并判断: 当FPGA芯片满足信号处理需求时，接口控制芯片控制DSP芯片进入休眠状态，同时将软件程序加载在FPGA芯片中，并驱动其运行该软件程序，实现对数字信号的处理，然后将数据通过底板总线通信部分传回给上位机； 当FPGA芯片不能满足信号处理需求时，接口控制芯片对软件程序进行配置，将部分加载在FPGA芯片中，部分加载在DSP芯片中；驱动FPGA芯片运行软件程序后，得到中间数据，FPGA芯片将该中间数据传输给DSP芯片后，接口控制芯片驱动DSP芯片运行其内部加载的程序，实现对数字信号的最终处理，然后将数据通过底板总线通信部分传回给上位机。2.如权利要求1所述的一种用于软件无线电的基带和射频一体化板卡，其特征在于，所述射频单元部分的工作频率范围为70MHz至6.0GHz。3.如权利要求1所述的一种用于软件无线电的基带和射频一体化板卡，其特征在于，DSP芯片选用的型号为TMS320C6678。4.如权利要求1所述的一种用于软件无线电的基带和射频一体化板卡，其特征在于，FPGA芯片选用Xilinx公司的Kintex-7系列芯片FGPAXC7K325T。
【文档编号】H04B1/00GK105915237SQ201610451128
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】蔡林均, 宗岩, 蔡卓燃, 赵庆
【申请人】山东航天电子技术研究所