基于fpga的软件无线电接收平台设计

科技与创新┃Science and Technology&Innovation ·138·2020年第05期
文章编号：2095－6835（2020）05－0138－02
基于FPGA的软件无线电接收平台设计
吴伙土
（厦门市合佳兴电子有限公司，福建厦门361015）
摘要：软件无线电的核心内容是构成一个具有相对开放、标准以及模块化的硬件平台，通过加载相应软件来实现不同系统和不同平台之间的兼容性和互联性，帮助通信系统突破硬件系统结构的限制，利用FPGA可以使系统更具有灵活性、可拓展性和可重置性。

通过阐述系统架构与系统建模，对硬件平台构建进行分析，为软件无线电接收平台设计提供借鉴和参考。

关键词：FPGA；软件无线电；接收平台；平台设计
中图分类号：TN925文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2020.05.058
1引言
基于FPGA对软件无线电接收平台进行设计即研发一种新型的可重构低功耗集成无线电信号处理平台，使其能够充分满足当前通信系统对宽带、低功耗、多通道、多模式、多速率无线信号的处理要求。

根据现阶段软件无线电结构普遍存在缺乏通用设计方法的缺陷，对软件无线电结构进行研究，从而提出具有一定开放性、可拓展性以及兼容性集成软件无线电信号处理平台设计方法，通过较为先进的FPGA技术可以实现高效数字下变频、信号的时序控制和同步追踪，并且能够优化各种信号处理算法，有利于设计高效软件无线电接收平台。

2系统架构与系统建模
2.1系统整体架构设计
FPGA是Field Programmable Gate Array的缩写，是在PAL以及GAL等可编程器件基础上进一步发展的产物，可以显著地弥补定制电路存在的不足，又能够改善原有可编程器件门电路数有效的问题。

因此基于FPGA对软件无线电接收平台进行设计，可以构建性能良好的通信平台。

在对其系统整体架构设计与研究时，可以利用FPGA完善结构框架设计。

同时在设计系统整体架构时，要明确软件无线电的核心思想。

所以在软件的基础上定义无线电技术的思想，从而设计系统框架[1]。

要实现多模式软件定义无线电射频前端，在软件无线电技术中，无线信号并非在天线端后级实现数字化，必须经过一个宽带滤波，通过低噪放大以及混频等处理后，才能充分实现数字化，有效降低软件无线电对后级FPGA 处理能力的相关要求。

射频端在整个软件无线电的前级，所以其处理能力的高低将会直接影响整个系统的性能，确保其处理能力满足以下具体要求：①保障宽带频率的覆盖范围，从而实现不同系统频段的兼容性；②保证较低的噪声，以此提高软件无线电接收机的灵敏度；③降低系统的功耗和成本，以便实现量产。

对中频数字化部分进行架构设计时，经过前端接收机输出较低频段的无线信号，在后级可以直接使用中频数字化方案，所以要对无线信号进行采样，进而转换为相应的数字信号，同时进行解调。

此外在软件无线电中其解调结构通常情况下都会采用数字相干解调，与模拟相干解调的方法原理上存在一致性。

由于本地载波和无线信号不能满足同频同相的要求，解调会出现比较严重的失真现象，所以在设计过程中，要注意使用数字正交解调的方法。

2.2系统建模
对软件无线电接收平台的设计要利用到当前相对先进的仿真工具，即利用MATLAB对各种信号解调方式作出算法级仿真，然后再改用HDL语言实现该算法。

MATLAB是一种科学计算软件，适用于矩阵运算和控制以及信息处理领域内的分析设计，具有使用简便、输入简洁、高效运算、内容丰富的优势和特点，并且用户可以自行扩展。

对于中频数字化核心部分可以通过NCO、乘法器、FIR滤波器等实现。

这一过程中，频信号经过处理后可以成为同相支路以及正交支路，再按照确定的解调算法，对AM波经过两次乘法和一次开方运算进行解调。

在比较中，可以选择坐标旋转数字计算机算法对AM和PM进行解调。

由于坐标旋转数字计算机算法的设计解调模块有一定的延迟性，所以可以直接输出同相支路一级正交支路确定的向量模值和幅角。

坐标旋转数字式计算机的基本思想可以理解为使用一系列与运算基数相关的角度不断旋转，从而保障其能够逼近所需旋转的角度。

在一定意义上坐标旋转数字式计算机是一个数值逼近的方式。

因为这些固定的角度与设计计算的基础有较大的关联，所以运算的过程中只有位移和加减算法。

因此坐标旋转数字计算机算法经常用于一些常用的基本函数运算以及算术操作的循环迭代算法。

最开始时，其主要包括旋转和向量两种
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基本的运算模式，可以利用向量旋转等计算三角函数、反三角函数以及求向量的模等。

经过研究发展后，坐标旋转数字计算机算法可以在不同的六种模式下进行相应计算工作，并且可以实现加减外的乘法、除法，甚至是超越函数等运算，为基于FPGA 的软件无线电接收机平台的设计建模提供了极大便利，能够更有效设计出高效、性能更好的软件无线电平台。

3硬件平台构建3.1前端接收机
移动通信的前端接收机工作时，主要将接收到的射频信号进行解调处理，把所需的信号选出并放大，在解调后将信号传输到基带中进行处理，最后恢复为原来的数据信息或语音信号。

而在软件无线电接收硬件平台的构建主要是对前端接收机进行构建，一般采用的是多模式SDR 以及RF 前端接收机，其设计的主要目的是对当前使用的无线通信信号进行有效接收。

通常情况下，无线通信的信号频率覆盖在1.6～2.4GHz 间，而且频率切换的速率较快。

因此为了保障认知无线电平台的研究，在前端接收机硬件构建时主要采用了分立元件，采用了LXK6037低噪声放大器、ADL5801混频器、ADL5562中频放大器以及HMC1197等作为软件无线电接收平台的频率合成器，从而能够进一步保障前端接收机接收信号的高效性和准确性，提高软件无线电硬件平台的综合性能。

3.2中频数字化
中频数字化单元是接收平台设计的重要部件，完成几种信号的解调工作，与此同时还能够承担对模拟前端提供AGC 控制用电平强度值以及AFC 控制用载波频率误差值的工作。

所以对软件无线电接收平台中频数字化的设计要充分考虑带宽、采样率、分辨率等要素，一般可采用AD6643作为平台的中频数字化前端部件。

并且其采样率为250MHz 、分辨率为11位，可以最大限度满足SDR 的速度以及精度需求。

此外中频数字化的核心部分需要进行相对大量的乘法运
算以及滤波运算，如果此时直接采用DSP 来进行运算就会出现时间浪费的现象。

所以基于FPGA 具有并行运算的优势和特点，且数控振荡器、乘法器以及滤波器等相关部分的设计方法较为成熟，可以更好满足软件无线电接收平台的设计要求。

4结论
综上所述，基于FPGA 的软件无线电接收平台的设计具有注重简单、灵活、通用以及参数修改便利等特点。

要保障前端接收机部分具有宽频覆盖、低噪声、低功耗等优势，能够高效接收到音频调频广播信号以及地面无线广播电视信号、无线网络信号等，要保障数字信号处理过程中采用相对优越的算法，进而优化FPGA 的资源分配方式，实现提高数字信号处理能力以及速度的目标。

随着当前科学技术的发展，集成电路以及数字信号处理技术迈向了新时期，软件无线电已经成为了移动通讯领域内的主流技术，对设计和搭建软件无线电接收平台具有非常重要的积极意义和实践研究价值。

参考文献：
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作者简介：吴伙土（1985—），男，福建惠安人，工程硕士，中级电子工程师，主要研究方向为无线通信。

〔编辑：严丽琴〕
析污染物来源，提出改善空气质量的防护措施。

实践表明，洞库通过控制污染物、加强通风换气和空气净化等措施，完全可以保证内部空气质量达到要求。

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〔编辑：严丽琴〕。