本設(shè)計是針對軟件無線電中頻信號處理的需求而實現(xiàn)的一個通用硬件平臺。

軟件無線電是90年代興起的一種充分結(jié)合軟件和硬件優(yōu)勢的新技術(shù)，該技術(shù)源于軍事領(lǐng)域?qū)?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/1301/" target="_blank">通信系統(tǒng)靈活性的特殊需要。自1992年Joe Mitola提出軟件無線電以來，軟件無線電在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛。軟件無線電是一種開放的模塊化結(jié)構(gòu)，物理實現(xiàn)上基于一個采用數(shù)字無線電（全數(shù)字通信收發(fā)機(jī)）技術(shù)的通用硬件平臺，通過實時的軟件控制，用戶能定義該平臺的工作模式，從而使一個硬件平臺能實時地轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)的通信系統(tǒng)。它是一種實現(xiàn)無線通信的新的體系結(jié)構(gòu)，其顯著特點是開放性、可編程性和快速的可配置性。這是繼模擬到數(shù)字、固定到移動之后，通信領(lǐng)域的又一次重大突破。

傳統(tǒng)意義上軟件無線電模擬前端之后的硬件主要由以下三個部分組成：高速模數(shù)與數(shù)模變換器、數(shù)字上下變頻器和高速數(shù)字信號處理器。其中上下變頻和信號處理常常有三種實現(xiàn)方式：ASIC、DSP和可編程邏輯器件。由于可編程邏輯器件在可重配置和靈活度上與生俱來的優(yōu)越性，近些年來，國外市場上出現(xiàn)了一些基于FPGA的軟件無線電信號處理通用平臺。例如SANDANCE公司的SMT370開發(fā)板，NALLATECH公司的XtremeDSP開發(fā)套件等。本文介紹了一種自行設(shè)計實現(xiàn)的信號處理平臺，它是以現(xiàn)場可編程邏輯器件FPGA為處理核心搭建起來的接收與測試的硬件環(huán)境。

1． 構(gòu)成框架

信號處理平臺由高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD6644、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9764、XILINX公司Virtex-4系列FPGA芯片XC4VLX25、時鐘電路和穩(wěn)壓電源電路組成，構(gòu)成框架如圖1所示。模擬中頻信號由IF信號源提供，在時鐘電路的控制下經(jīng)AD6644采樣以后輸入到FPGA芯片。FPGA把該數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字下變頻和解調(diào)處理后送AD9764進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，最后將模擬輸出信號送示波器進(jìn)行測試。電路布局上分三塊區(qū)域：輸入模擬部分，數(shù)字信號處理部分和輸出模擬部分，因此整個電路遵從模數(shù)混合的高速電路設(shè)計原則，采用八層電路板結(jié)構(gòu)，模擬供電和數(shù)字供電分開，同時各個不同電壓的數(shù)字供電也分開，內(nèi)地層相應(yīng)的分為模擬地、數(shù)字地和模擬地，三塊地層分別以ADC和DAC作為交界，并在芯片下面通過磁珠或0Ω電阻分別相連。

2． 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

2.1工作原理

AD6644是一款分辨率為14位，采樣速率可達(dá)65MSPS的A/D轉(zhuǎn)換器。它能夠精確變換寬帶模擬信號，具有100dB的無雜散動態(tài)失真范圍，典型的SNR為74dB，功耗1.3W。很適合該系統(tǒng)的前端模數(shù)轉(zhuǎn)換。

AD6644有互補(bǔ)的模擬輸入引腳 和 。模擬信號采用差分輸入。芯片內(nèi)部把輸入的模擬信號分級進(jìn)行編碼，在每一次編碼以后就從總的信號中減去編碼值對應(yīng)的模擬信號的大小，將剩余信號再送往下一級，最后依次得到5位、5位和6位的編碼一起送往數(shù)字誤差校正邏輯修正后即得到14位并行數(shù)據(jù)輸出。

2.2輸入電路

AD6644的輸入分為時鐘輸入和模擬信號輸入兩部分。

時鐘從ENCODE和/ENCODE管腳輸入。AD6644的采樣時鐘要求質(zhì)量高且相位噪聲低，如果時鐘信號抖動較大，信噪比容易惡化，很難保證14位的精度。為了優(yōu)化性能，AD6644的采樣時鐘信號采用差分形式。時鐘信號可通過一個變壓器或電容交流耦合到ENCODE 和 引腳，這兩個引腳在片內(nèi)被偏置，因此無需外加偏置。本設(shè)計中將一個低抖動的時鐘信號用變壓器從單端變成了差分信號。在變壓器的輸出端接兩個反向的肖特基二級管，把輸入到AD6644的時鐘信號幅度限制在大約0.8V的峰峰值。

模擬信號從 和 輸入。常常采用直流耦合和交流耦合兩種差分的輸入方式，這樣有利于濾除偶次諧波分量、晶振的反饋信號和共模的干擾信號。AD6644的輸入電壓范圍被偏置到對地2.4V。在使用變壓器耦合的模式中，推薦的原副線圈匝數(shù)比為1：4。通常在副線圈和AD6644之間用電阻進(jìn)行隔離，這樣就可以限制從A/D器件流向副線圈的動態(tài)電流。在使用運(yùn)放耦合的電路中，通常使用單端——差分轉(zhuǎn)換的運(yùn)放器AD8138，這種方式可以降低系統(tǒng)成本和電路規(guī)模。

3． FPGA電路設(shè)計

本設(shè)計選擇的XC4VLX25是Virtex-4系列中的一款針對高性能邏輯設(shè)計應(yīng)用的芯片。它包含了24192個邏輯單元，10752個slices，168個分布式RAM和最大1296K的嵌入式塊RAM。

Virtex-4系列器件是通過把針對應(yīng)用生成的比特流數(shù)據(jù)下載到內(nèi)部存儲器來進(jìn)行配置的。由于XILINX FPGA的配置存儲器是不能掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的，因此必須在每次上電的時候都對它進(jìn)行一次配置。

芯片上有M0，M1和M2三個配置模式管腳，通過它們可以在以下的配置模式中進(jìn)行選擇：串行主模式、串行從模式、并行主模式和并行從模式，這幾種模式都是計算機(jī)先把數(shù)據(jù)加載到PROM芯片里面，PROM芯片再對FPGA進(jìn)行配置。此外比特流還可以通過JTAG口直接進(jìn)行下載，即JTAG/邊界掃描模式。

主模式和從模式是根據(jù)配置時鐘（CCLK）的方向來確定的。在主模式下，F(xiàn)PGA通過內(nèi)部振蕩器來生成配置時鐘，而在從模式下，配置時鐘管腳（CCLK）是輸入屬性。本設(shè)計的電路板上采用了串行主模式和JTAG模式。

圖2

串行主模式只需要少數(shù)幾個信號就可以把PROM和FPGA的接口進(jìn)行適配，配置過程中也不需要外部時鐘源，因此它也是使用了PROM的各種配置模式中最為常用的。在該模式下，F(xiàn)PGA內(nèi)部生成配置時鐘，當(dāng)/CF管腳為高電平時數(shù)據(jù)可以從PROM的D0腳獲得，同時 和OE處于使能允許狀態(tài)。新的數(shù)據(jù)在每一個時鐘上升沿后的很短的時間內(nèi)建立。電路連線如圖2所示。

另外一個常用的配置模式是JTAG模式。一塊Virtex-4 FPGA在上電的情況下就可以用計算機(jī)通過JTAG電纜直接進(jìn)行配置。此時只需將上圖中FPGA芯片的TCK、TMS、TDI、TDO和JTAG電纜對應(yīng)的管腳連接起來就可以了。如果使用此模式，M2、M1和M0最好也相應(yīng)的設(shè)置成邊界掃描模式，即M2=1，M1=0，M0=1。

在以FPGA為中心設(shè)計電路板時需要注意，F(xiàn)PGA的輸入輸出信號都是高速信號，為了獲得陡峭的上升沿和下降沿屬性，走線應(yīng)該盡量短。因此在對關(guān)鍵信號選擇對應(yīng)IO的時候，最好選擇芯片最外圍的管腳，這樣在布線的時候可以使高速信號僅僅分布在最上面的信號層，而不需要通過過孔到電路板的其他層。數(shù)字信號和模擬信號應(yīng)該分別在各自的地層之上的區(qū)域進(jìn)行布線，并行的數(shù)字信號線兩兩之間應(yīng)該加入地線以排除相互干擾。

4. 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

Analog Devices公司生產(chǎn)的AD9764是高速D/A器件中適用于FPGA輸出信號數(shù)模轉(zhuǎn)換的一款芯片。它具有14位分辨率，高達(dá)125MSPS的轉(zhuǎn)換速率，極佳的無雜散動態(tài)失真范圍。差分電流輸出為2-20mA， 5V電壓下功耗為190mW、3V電壓下功耗為45mW，邊沿觸發(fā)鎖存。

4.1 工作原理

AD9764由數(shù)字和模擬兩部分組成。數(shù)字部分能工作在125MHz時鐘頻率上，它包括邊沿觸發(fā)鎖存和分段譯碼邏輯電路。模擬部分包括PMOS電流源、差分開關(guān)、1.20V 電壓基準(zhǔn)和一個基準(zhǔn)控制放大器。滿量程輸出電流由基準(zhǔn)控制放大器通過一個外部電阻 所調(diào)整，它的變化范圍是 2-20mA，外部電阻與基準(zhǔn)控制放大器和電壓基準(zhǔn)?Vrefio相連，由它來設(shè)定基準(zhǔn)電流

4.2 輸出電路

AD9764的輸出方式分為單端輸出和差分輸出兩種，為了便于調(diào)試和比較，本設(shè)計中把這兩種方式都做到了電路板中。

單端輸出適用于那些需要單極電壓輸出的應(yīng)用。當(dāng)在Iouta或者Ioutb 和模擬地ACOM之間接入一個合適的負(fù)載電阻 Rload時，就可以得到一個正極性的輸出電壓。這種方式對那些需要獲得直流耦合對地參考電壓的應(yīng)用來說不失為一個很好的選擇。通常使用 Iouta管腳進(jìn)行單端輸出，因為該管腳的性能比 Ioutb 稍好一些。

除了單端輸出，AD9764更多的是使用差分輸出。差分輸出一般利用變壓器或者運(yùn)放來實現(xiàn)。使用變壓器可以為那些頻譜處于該變壓器通帶范圍內(nèi)的信號提供最適宜的抗失真性能。變壓器能夠濾除信號的偶次諧波分量和很寬頻帶內(nèi)的噪聲干擾，此外還能提供電路的隔離。不過變壓器方式只能提供交流耦合。在使用運(yùn)放實現(xiàn)差分輸出的時候，Iouta 和 Ioutb 兩個管腳被配置成負(fù)載兩個相等阻值的電阻，然后將兩個電壓信號差分輸入到放大器中轉(zhuǎn)化為輸出信號。差分操作將有助于消除與Iouta 和 Ioutb 相關(guān)的共模誤差源，比如噪聲、失真和直流偏置。另外，與差分碼相關(guān)的電流和其產(chǎn)生的電壓 Vdiff是單端電壓輸出的兩倍，為負(fù)載提供了兩倍信號功率。

本文作者創(chuàng)新點：

1． 區(qū)別于常見的以DSP作為處理核心的實驗平臺，本設(shè)計采用FPGA器件來對信號進(jìn)行處理。整個設(shè)計以通用性作為考慮重點，搭建了一個靈活的可配置的處理平臺。以FPGA器件發(fā)展水平為技術(shù)基礎(chǔ)，在普遍使用PDSP的應(yīng)用領(lǐng)域使用FPGA來實現(xiàn)數(shù)字信號處理，這是一種對已有技術(shù)的新應(yīng)用的探索（這種應(yīng)用平臺很適合于對軟件無線電技術(shù)的研究）。

2． 采用XILINX新推出的具有強(qiáng)大DSP處理內(nèi)核的Virtex-4系列FPGA，因而可以在該芯片上實現(xiàn)高性能DSP的應(yīng)用，這是對FPGA傳統(tǒng)功能的拓展。此外以高速、低功耗的系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)來完成芯片的外圍輸入以及測試電路開發(fā)，從而可以發(fā)揮該芯片的最佳性能。

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