（通信与信息系统专业论文）基于pc与fpga的软件无线电若干关键技术研究.pdf

摘要 人们对无线通信服务需求的快速增长，极大促进了无线通信技术的迅速发 展。软件无线电是一种用软件来实现信号处理的无线通信系统设计方法，基于通 用处理器的软件无线电以其可重配置性、扩展性、低成本和灵活性等各种优势成 为未来无线通信系统的主流设计方法之一。 在基于通用处理器的软件无线电系统中，通常采用可编程逻辑门阵列( f p g a ) 与个人电脑( p c ) 相结合的架构。由于目前通信系统中往往需要处理宽带、多频带、 多模式信号，这就要求模数转换器( a d c ) 具有较高的采样率，为了克服数字信号 较高采样率给后续基带处理带来的压力，具有灵活、可配置功能以实现灵活的采 样率变换及滤波操作的数字前端就成了本论文研究的关键技术之一；而为了把基 带信号从f p g a 传输到p c 机进行相应处理或实现p c 对f p g a 的灵活在线控制， 则需要在两者之间建立起高速传输通道，所以千兆以太网接口的设计是本论文研 究的关键技术之二。本论文针对这两部分关键技术进行深入的研究与设计。 本文首先介绍软件无线电的设计思想及课题研究项目的硬件平台，提出基于 p c 与f p g a 软件无线电平台的两项关键技术；其次分别介绍数字前端及干兆以 太网( g e ) 接口的原理及实现，并提出灵活可重配置的数字前端实现方案，它通过 p c 机的软件配置及g e 接口的传送来实现自身的实时在线配置，从而满足不同 通信系统的不同需求：最后，通过综合考虑软件无线电架构中软硬件的资源、处 理能力及接口约束，给出软硬件资源平衡设计的基本准则，并针对具体课题需求 给出合理的功能模块划分实例。 本文设计的宽带数字前端及千兆以太网接口均通过f p g a 仿真工具 ( m o d e l s i m ) 仿真验证、并已完成上板测试，且能满足项目的实际需求。本设计主 要应用于两个静止轨道卫星数字收发信机项目中，并通过对数字前端重新配置及 模块选择成功应用于国家8 6 3 重点项目“高频段( 6 1 5 g ) 无线通信示范系统 的 集成和开发中。 关键词：软件无线电；数字前端；千兆以太网；个人电脑：f p g a a b s t r a c t p e o p l e sr a p i dg r o w t hd e m a n df o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e sh a sg r e a t l y c o n t r i b u t e dt ot h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ( s d r ) i sat y p eo fd e s i g nm e t h o dt oi m p l e m e n ts i g n a l p r o c e s s i n gb ys o f t w a r ef o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s d u et ot h ea d v a n t a g e so f i t sr e - c o n f i g u r a b i l i t y , s c a l a b i l i t y , l o wc o s ta n df l e x i b i l i t y , g e n e r a l - p u r p o s ep r o c e s s o r ( g p p ) - b a s e ds d rh a sb e c a m eo n eo ft h ed e s i g nm a i n s t r e a mo ff u t u r ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i ng p p - b a s e ds d rs y s t e m s ，t h em a j o rc o m p o n e n t sg e n e r a l l yi n c l u d ep e r s o n a l c o m p u t e r ( p c ) a n df i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) i no r d e rt op r o c e s s w i d e b a n d ，m u l t i - b a n da n dm u l t i - m o d es i g n a l s ，t h es a m p l i n gr a t eo fa n a l o g - d i g i g t a l c o n v e r t o r ( a d c ) n e e d st ob es e tt ov e r yh i g hf r e q u e n c y , f o rt h es a k eo fo v e r c o m i n g t h ed i f f i c u l t i e so ft h eb a s e b a n dp r o c e s s i n g ，t h ef p g a - b a s e dd i g i t a lf r o n t - e n d r e q u i r e sf l e x i b l e ，r e c o n f i g u r a b l ec a p a b i l i t i e st oa d a p ts a m p l i n gr a t e s a n df i l t e r s , w h i c hb u i l d su pt h ef i r s tk e yt e c h n i q u ei n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s i no r d e rt ot r a n s f e r b a s e b a n ds i g n a l sf r o mp ct of p g a ，o rf e e d b a c kc o n t r o ls i g n a l sf r o mp ct of g p af o r o n - l i n ec o n f i g u r a t i o n ，t h eh i g h - s p e e dt r a n s m i s s i o nc h a n n e lb e t w e e nf p g aa n dp c s h o u l db ee s t a b l i s h e d t h eg i g a b i te t h e r n e t ( g e ) i n t e r f a c ei sc h o s e na st h i sc h a n n e l ， w h i c hi st h es e c o n dk e yt e c h n i q u ei nt h i st h e s i s f i r s t l y , t h eb a s i ci d e a so fs d ra n dt h eh a r d w a r ep l a t f o r mu s e di nt h ep r o j e c t sa r c i n t r o d u c e d ，a n dt h et w ok e yt e c h n o l o g i e so fp ca n df p g ab a s e ds d ra r ep r o p o s e d t h e nt h ep r i n c i p l e sa n di m p l e m e n t a t i o n so fd i g i t a lf r o n t - e n da n dg ei n t e r f a c e a r e p r e s e n t e d ，i nw h i c ha f l e x i b l ea n dr e c o n f i g u r a b l ed i g i t a lf r o n t e n ds c h e m ei sp r o p o s e d i na b o v ed i g i t a lf r o n t e n ds c h e m e ，t h e0 1 1 - l i n ec o n f i g u r a t i o ni si m p l e m e n t e db y p e r f o r m i n gp c ss o f t w a r ec o n f i g u r a t i o ni n s t r u c t i o n st h r o u g hg e i n t e r f a c et om e e tt h e r e q u i r e m e n t so fd i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s f i n a l l y , c o n s i d e r i n gt h ec o n s t r a i n t s o fh a r d w a r ea n ds o f t w a r er e s o u r c e s ，p r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e sa n di n t e r f a c e si ns d r s y s t e m s ，ap r i n c i p l eo f j o i n ts o f t w a r ea n dh a r d w a r eb a l a n c ed e s i g ni sp r o p o s e d ，w h i c h i i g u i d e st oaf u n c t i o n - p a r t i t i o ne x a m p l ei na c t u a lp r o j e c t s t h ew i d e b a n dd i g i t a lf r o n t - e n da n dg ei n t e r f a c em o d u l e sd e s i g n e di nt h i st h e s i s a r eb o t l lv e r i f i e db yt h es i m u l a t i o nt o o l s ( m o d e l s i m ) a n dh a r d w a r et r i a l s ，w h i c hm e e t t h e a c t u a lm q u i r e m e m so fs e v e r a lp r o j e c t s a l lt h ea b o v ea c l l i e v e m e n t sh a v eb e e n u s e di nt w og c o s y n c h r o n o u so r b i t ( g e o ) s a t e l l i t e sd i g i t a lt r a n s c e i v e rp r o j e c t s ，a n d a l s ob e e na p p l i e di nt h en a t i o n a l8 6 3k e yp r o j e c t - “f u n d a m e n t a l s r - e s e a r c k d e v e l o p m e n ta n dd e m o s t r a t i o nf o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n so v e rh i g e rs p e c t r u m b a n d ( 6 - 15 0 h z ) ，b yt h er e c o n f i g u r a t i o na n dm o d u l e ss e l e c t i o no fd i g i t a lf r o n t e n d k e yw o r d s ：s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ；d i g i t a lf r o n t - e n d ；g i g a b i te t h e m e t ；p e r s o n a l c o m p u t e r ；f p g a i i ! t a b l eo fc o n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n d 1 1 1 d e v e l o p m e n t so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s 1 1 1 2s o f td e f i n e dr a d i o 2 1 1 3 r e q u i r e m e n t so f p r o j e c t s 3 1 2t h e s i so r g a n i z a t i o n 4 c h a p t e r 2p ca n df p g ab a s e dg p p - s d r p l a t f o r m 6 2 1 c h a p t e r i n t r o d u c t i o n 2 2t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo fs o f td e f i n e dr a d i o 6 7 2 2 1f p g a 8 2 2 2c i r c u i t so f i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yi n t e r f a c e 9 2 2 2 1i n p u ti n t e r f a c eo f i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y 1 0 2 2 2 2o u t p u ti n t e r f a c eo fi n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y 11 2 2 3 p e r i p h e r a lc i r c u i t s 1 2 2 2 3 1s d r a m 1 2 2 2 3 2f l a s h 1 2 2 2 3 3e e p r o m 1 2 2 2 3 4n e t w o r ki n t e r f a c e ( 1 0 1 0 0 1 0 0 0 ma d a p t i o n ) 1 2 2 3 k e yt e c h n i q u e so fs o f td e f i n e d r a d i o 。 c h a p t e r 3d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fd i g i t a lf r o n t - e n d 1 4 3 1i n t r o d u c t i o no fd i g i t a lf r o n t - e n d 3 2p r i n c i p l ea n dd e s i g no fd i g i t a lf r o n t - e n d 3 2 1d e s i g no f a d d ai n t e r f a c e 1 5 3 2 1 1d e s i g no f a di n t e r f a c e 15 3 2 1 2d e s i g no f d ai n t e r f a c e 1 6 3 2 2d i g i t a ld o w nc o n v e n e r 17 v 3 2 2 1n u m e r i c a lc o n t r o l l e do s c i l l a t o r 1 8 3 2 2 2p r i n c i p l ea n di m p l e m e n t a t i o no fc o r d i cm o d u l e s 18 3 2 3e x t r a c t i o na n di n t e r p o l a t i o no f n o n - i n t e g e rf a c t o r 2 1 3 2 3 1t h ed e s i g no ff u n c t i o n a lm o d u l e s 21 3 2 3 2t h ec h a r a c t e ro ff r e q u e n c ya n da n a l y s i so fs i m u l a t i o n 2 3 3 2 4e x t r a c t i o na n di n t e r p o l a t i o no f i n t e g e rf a c t o r 2 5 3 2 4 1c i cf i l t e r 2 6 3 2 4 2h a l fb a n df i l t e r ：1 9 3 2 5b a s e b a n df i l t e r i n ga n dp u l s es h a p i n g 31 3 2 5 1p r i n c i p l eo f s q u a r e - r o o tr a i s e dc o s i n ef i l t e r 3 1 3 2 5 2d e s i g no fs q u a r e - r o o tr a i s e dc o s i n ef i l t e r 3 2 3 3f l e x i b l er e e o n f i g u r a b l ed i g i t a lf r o n t e n d 。3 4 3 4t h er e s u l to fd e s i g na n da n a l y s i s 一3 5 c h a p t e r4t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fg i g a b i te t h e r n e tb a s e d o nf p g a 3 6 4 1c h a p t e ri n t r o d u c t i o n 4 2p a c k a g eh e a d e ra n dt r a n f e rp r o t o c o l s 3 7 4 2 1h e a d e rf o r m a ta n dd e s c r i p t i o n 3 7 4 2 2d e s i g no fh e a d e rp r o t o c o l s 3 7 4 3d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fg i g a b i te t h e r n e ti n t e r f a c e 4 3 1c o n f i g u r a t i o no f t r i p l e - s p e e de t h e m e t 4 0 4 3 1 1m i i g m i ii n t e r f a c e 4 0 4 3 2 2g e n e r a lf r a m e w o r ko f t r i p l e s p e e de t h e m e t 4 1 4 3 2t r a n s c e i v e ro nf p g aa n da n a l y s i so fe t h e m e tp a c k a g e 4 3 4 3 2 1u n i v e r s a lb u si n t e r f a c e 4 3 4 3 2 2a n a l y s i so fs e n d i n ga n dr e c e i v i n gp a c k e t s 4 5 4 4d e s i g na n da n a l y s i so ft e s tr e s u l t s 4 4 it e s tp l a t f o r m 4 6 4 4 2t e s tr e s u l t s 4 6 v ! i i 4 4 3a n a l y s i so f t e s tr e s u l t s 5 0 c h a p t e r5b a l a n c e dd e s i g nb e t w e e ns o f t w a r ea n dh a r d w a r ef o rp c a n df p g a 。5 l 5 1 c h a p t e ri n t r o d u c t i o n 5 2 c o m p l e x i t ya n a l y s i sa n d b a l a n c e dd e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e 5 1 5 2 1g e n e r a lp r i n c i p l e so f b a l a n c e dd e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e 5 1 5 2 2a n a l y s i so f s o f td e m o d u l a t i o na l g o r i t h m 5 3 5 2 3a n a l y s i so fl d p cd e c o d i n ga l g o r i t h m 5 6 5 3c o n c l u s i o n 5 7 c h a p t e r 6s u m m a r ya n do u t l o o k 5 8 6 1s u m m a r yo ft h i st h e s i s 6 2f u t u r ew o r k r e f e r e n c e ：6 0 p a p e r p u b l i s h e d 6 2 p r o j e c t sp a r t i c i p a t e d 6 3 a c k n o w l e d g e m e n t s 6 4 i x 第l 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 1 1 无线通信技术的发展 在过去的2 0 年中，中国的移动通信产业在历次的技术变革中，都准确把握 了技术方向，在适当的时机引入了适当的技术，保证了整个产业的良性发展。当 前，移动宽带化和宽带移动化的趋势已经愈加明显。同时无线通信领域的技术发 展速度加快，技术竞争加剧，未来的移动无线通信将呈现网络日趋融合、多种接 入技术综合应用、新业务不断推出的发展趋势。如今，移动、无线技术领域正 处在一个高速发展的时期，各种创新移动、无线技术不断涌现并快速步入商用， 移动、无线应用市场异常活跃，移动、无线技术自身也在快速演进中不断革新。 在网络融合的大趋势下，3 g 、w i m a x 、w l a n 等各种移动、无线技术在演进中 相互融合。 人类对通信需求的迅速增长，极大的促进了通信事业的发展，也同时促进了 卫星通信在我国电信事业中的应用【l 】。特别对于我国的西部地区，那里疆域广阔， 但多为荒漠和戈壁，人烟稀少，卫星移动通信将显示出其独具的优势。尤其是对 于发生重大毁灭性自然灾害的地区，比如最近几年连续的地震灾害，地面网络多 数会遭到破坏，而卫星个人移动通信可能是唯一幸存的通信手段。卫星通信具有 覆盖面广、通信容量大、通信距离远、不受地理环境限制、质量优、经济效益高 等优点，不论用户处于什么样的位置、运动状态和气候条件中，卫星通信都能为 其提供信息服务。事实上，重要工业国家的武装部队指挥机构都将卫星通信能力 视为任何战场上最重要和最优先的信息优势。因此，他们向国防卫星通信系统投 入了大量资金用于开发和升级。军事卫星系统的潜在能力，占据着某些尖端优势， 如宽带传输信道，高可靠性、高质量、远距离、不受地形影响、高度灵活等，这 些都使其能满足各个层次用户的需求。卫星通信于1 9 7 2 年在我国首次应用并迅 速发展，与光纤通信、数字微波通信一起成为我国当代远距离通信的支柱。随着 信息化社会的到来，卫星通信已经渗透到社会生活的各个方面。移动卫星全球个 第1 章绪论 人通信的产生和发展是全球通信的重要变革，意义深远且具有巨大的市场潜力。 据调查，到本世纪末，世界上可能有多于8 0 的陆地，大约4 0 的人口不在蜂 窝网的覆盖范围之内。而世界上蜂窝覆盖范围内的通信技术标准不统一，不能实 现全球个人通信，这给卫星移动通信的发展提供了巨大的市场，发展远景十分美 好。 卫星通信需求的快速增长，也极大的促进了卫星通信技术的发展，而支持多 标准，灵活的软件无线电为卫星通信系统的地面站设备或终端平台提供了一个快 速发展的平台。 1 1 2 软件无线电 现有无线通信用户端设备的各模块大多由专用芯片以及专用的硬件电路实 现，其不足之处在于： 1 ) 功能单一：专用芯片为了压低成本，仅具有相对单一的功能，无法兼容其它 系统。比如，g s m 的基带信号处理芯片无法完成w c d m a 的基带信号处理功能。 如果需要实现多个系统的功能，则需要用户端设备同时拥有多个系统的专用芯 片，导致成本上升。 2 ) 升级困难：硬件产品难以升级换代，随着通信系统以及通信协议的升级换代， 用户端设备的硬件需要进行相应的更换，旧的用户端设备在新系统中无法继续使 用。 3 ) 开发成本高、周期长：专用芯片和硬件电路的开发过程复杂，尤其是芯片的 开发需要流片、生产制造等过程，成本难以降低，开发周期难以缩短，测试困难。 近年来，软件无线电技术的出现为解决上述问题提供了思路。软件无线电1 2 】 是一种用软件来实现信号处理的无线通信系统设计方法，其主要优点是它的灵活 性。首先在软件无线电中，诸如信道带宽、调制以及编码等都可以动态调整以适 应不同的标准和环境。各通信标准对应各自的软件模块，多模通信设备的实现可 以简单地转化为对于多个软件模块的灵活调用。其次，软件的灵活性使得通信设 备随通信标准的开发、升级、测试、以及问题解决的周期显著缩短。 在众多的软件无线电平台中，基于通用处理器的软件无线电( g e n e r a l p u r p o s e p r o c e s s e r - s o f t w a r ed e f i n i t i o nr a d i o ，简称g p p s d r ) 以其各种优势，成为未来的 无线通信系统设计主流之一。在基于g p p s d r 无线通信系统中，绝大部分的信 2 第l 章绪论 号处理都通过软件编程在通用的运算单元g p p ( 例如通用c p u 、g p u 等) 上实 现，一般情况下，g p p 还承担除通信模块以外的其它软件执行任务，这种多软件 模块复用g p p 的方式赋予软件无线电低成本极大的可能性。 使用基于g p p s d r 架构的无线通信系统具有以下优势： ( 1 ) 可重配置性 软件无线电最根本的特性是可重配置性，就是系统功能随着需求而改变的能 力，也可称为可编程性。基于通用处理器的软件无线电架构在软件和硬件两方面 都支持系统重配置，可以使用高级语言( c c + + ) 在p c 上直接进行软件编程， 它具有通过改变软件来定义系统功能的能力。 ( 2 ) 灵活性 工作模式可由软件编程改变，包括射频频段宽带信号接入方式和调制方式。 通过软件编程可任意更换信道接入方式，改变调制方式或切换不同系统信号的接 收；可通过软件工具来扩展业务、分析无线通信环境、定义所需增强的业务和实 时环境测试；能使升级更为便捷，设备费用更为节约，因而大大降低了整个网络 的成本。 ( 3 ) 低成本和扩展性 随着技术的进步，目前无线通信产品的生命周期越来越短，针对单一产品线 的投资风险很大，而基于g p p s d r 的软件无线电架构由于采用个人电脑作为处 理单元，使其具有成本低、产品寿命长、易于开发和维护等优点。 正是因为软件无线电技术具有灵活性、开放性、低成本、开发短周期等优势， 使得其非常适用于具有研究性、试验性和前瞻性的无线通信设备与网络的研发。 1 1 3 课题需求 本论文以基于个人电脑( p c ) 和现场可编程门阵列( f p g a ) 相结合的软件 无线电若干关键技术为研究课题，以清华大学卫星数字收发信机项目和高频段无 线通信示范系统为研究背景。 在所研究的两个卫星通信系统中，有多种不同带宽、多种不同调制解调方式 等配置方式，此差异性分别对应于不同的数字前端配置，包括不同的抽取插值倍 数，不同的滤波器特性及不同的模块组合。而基于g p p s d r 的设计平台架构能 3 矗= 第l 章绪论 满足所研究项目对灵活可重配置，多模式等特性的需求。在g p p s d r 的设计平 台中，本课题的研究目标为设计出能满足多种不同带宽需求的可灵活配置的数字 前端；以及在p c 机与f p g a 之间建立起灵活可扩展性强的g e 高速交换接口， 从而实现业务信息及其他控制信息的配置；同时根据现有的软硬件条件及系统设 计需求，合理分配软硬件资源，从而使系统设计性能达到最佳。 高频段无线通信示范系统是延续卫星数字收发信机之后的研究课题，该系统 要求在2 4 5 7 6 m 的系统时钟下稳定工作，1 8 4 3 2 m 中频采样，1 0 0 m 信号带宽， 这些指标对数字前端和g e 口的设计提出了更高的要求。在卫星数字收发信机的 基础上，我们通过优化代码提高了数字前端的工作频率，使其能够稳定工作在 2 8 0 m 左右的系统时钟下，提高了该设计的适用范围；同时我们通过修改模块的 配置信息及组合模式，使其能更好的被运用于高频段项目，为高频段提供一个更 加完善的通信接口。 1 2 论文章节安排 本文主要围绕基于p c 与f p g a 相结合的软件无线电若干关键技术展开全面 的讨论与研究，全文主要包括以下内容： 第一章是本文的绪论部分，从课题背景入手，分析了无线通信技术的发展， 软件无线电的思想及其优缺点；同时分析本论文的课题需求，最后给出本论文的 章节安排。 第二章介绍了本研究课题的软件无线电硬件平台，引出本课题所研究设计的 两大关键技术。 第三章重点介绍数字前端每个功能模块的原理及设计，最后提出具有灵活可 重配置特性的数字前端，此为本课题的关键研究与设计之一 第四章着重介绍基于f p g a 的以太网接口设计与实现，以太网口是连接 f p g a 与p c 机的中间桥梁，是本课题的关键研究与设计之二。 第五章通过分析卫星数字接收机项目，在综合考虑软硬件资源和处理能力的 基础上提出软硬件平衡设计方案，把本课题从功能模块的设计提升到系统的整体 方案设计层面。 第六章回顾了整个系统的设计与实现，对研发工作取得的成果进行了总结与 4 第i 章绪论 展望。 5 璧 第2 章p c 与f p g a 结合的g p p - s d r 软件无线电平台 第2 章p c 与f p g a 结合的g p p s d r 软件无线电平台 2 1 概述 以蜂窝移动通信用户端设备为例，传统无线通信系统用户端设备一般由如图 2 1 所示的模块组成，包括：物理层接收单元、物理层发送单元、第二层数据处 理单元、第三层控制单元。物理层接收单元包括射频接收模块，用于接收射频信 号，并变频到模拟基带信号；模拟数字转换模块，将模拟信号转换为数字信号； 数字基带信号处理模块，用于物理层数据信号的解调和译码。物理层发送单元包 括数字基带信号处理模块，用于对物理层数据信号的编码和调制；数字模拟转换 模块，将数字信号转换为模拟信号；射频发送模块，用于基带信号上变频，并发 送射频信号。第二层数据处理单元用于数据包的打包、拆包、数据重传、数据加 密解密等操作。第三层控制单元用于控制第二层以及物理层所需的参数、无线资 源的分配与管理、无线链路的测量与汇报。其它无线通信系统的用户端设备的实 现与蜂窝移动通信用户端设备相似或是其子集。 图2 1 传统无线通信系统用户端设备组成模块 基于g p p s d r 的软件无线电采用p c 作为硬件平台，通过软件加载来实现各 种功能，具有很好的开放性。软件无线电的核心思想是将接收到的信号或者准备 发射的信号在尽量靠近天线的地方实现a d 或d a 转换，尽早实现信号的数字 化，从而尽可能使各种功能用软件来定义和实现。 6 第2 章p c 与f p g a 结合的g p p - s d r 软件无线电平台 通过比较图2 1 和图2 2 ，就能看出传统无线通信系统与基于软件无线电设 计思想的无线通信系统的本质区别。如图2 1 所示：该软件无线电平台主要包括 通用硬件单元、通用计算机、以及通用硬件接口。通用硬件单元实现用户端设备 的物理层单元的射频发射接收模块，数模转换模块；通用计算机实现用户端设备 物理层单元的数字基带信号接收和发送处理，以及第二层和第三层控制功能，同 时还实现对所述通用硬件单元的控制与配置，使得通用硬件单元工作于指定的无 线通信系统；计算机与通用硬件单元之间由通用硬件接口连接，使得数字基带信 号以及其它控制信号在通用计算机与通用硬件单元之间相互传递。 涩嬲羧f l 錾愆旌用璎韩接掰 图2 2 基于软件无线电的通信系统组成模块 2 2 软件无线电硬件平台 支撑本论文的三个项目研究所用的硬件平台为统一的结构，即由p c 机和信 号处理单元板组成。其中信号处理单元板如下图2 3 所示，由中频接口、a d d a 7 转换器 线和高 理单元 、f p g a 芯片及外围接口等部分组成。信号处理单元可以通过管理控制总 速互联数据总线与其他的信号处理单元连通，从而实现板间级联，信号处 板的核心是一片a l t e r a 公司的s t r a t i xi i 系列f p g a ，我们的实验板型号 为e p 2 s 18 0 f 1 0 2 0 1 4 ，外围配置各种数据接口，其结构示意图如图2 3 所示。 s m as m as m as m as m a j 0 lj 0 4j 0 5j 0 2j 0 3 蕊一 几郦r可 门f 帮_ 巾粳巾攮巾碱时钟 c y l + 懒s 旧删l - 副1 2 v ：圳) + $ v k + 5 v ：卜5 2 c dl 剧 譬出量出盐 l 缈l ，八八 一高7 璺粤 d a - id a = q + 5 v - + 1 2 1d l + 0 t o ，ii + a v ) l、 l + 3 3 m1 + 33 v d v ” 时 窿 嚣 y n v 0 5 t 1 0 幽i 嘲呻埔| | 啊珊_ | 咀：曩1 瞳垭l m 2 j 口啪【堪埔il | 瞳埔i蒜菇 mj l c | | | l mj ! mi imj j i 口口 埘晰- 口l 1 4 lb a c k c i k 一 苗墨 一 a j 1 2 i s m a i肿 g e 删i r j 4 1m u 1 4嗍 b c m 5 4 6 i c y 3 j 0 6 ( 范lf p g 、p , j 4 5 - r o t ( i j ) 日，2 $ 9 0 f 1 0 2 0 p j 4 5 - t - 0 t ( d ) c y 2 r j 4 5 m g e 删1 r 2 u 1 5 r 1 4 钳啪2 l u ) j 0 7 g e 2 b a 删l r j 4 ”0 2 ( d ) c y 4 r j 4 5 , - r - 0 3 ( m ，c a s i u 4 ，( d j 璺 s 6 4 f l 幅h r j 4 5 求- 0 4 ( i n 燕 双豫a m 盯a g 墨 r j 4 5 - t - , 0 4 ( d ) 釜 藩 r j 4 5 - r - 0 5 ( l 0 垂 l u 4 5 - t - 0 5 ( d ) 薪 口 墨 r h 5 - r -r h s 求-刚r r h 5 r 4 孓r i u 4 5 r 。ii u h 5 。r r j 4 5 r r 1 4 5 - r - 0 6 1 l n q 1 4 ( u )1 3 ( u )1 2 ( u )i l ( u )i 叩j )0 9 ( u j ：0 8 ( u )0 7 i u ) i u 4 5 - t - 0 6 ( d ) i u 4 f r -瓦1 4 f r i u 4 5 t r h y r r j 4 5 - t r j 4 5 - t jl u 4 5 t l u 4 5 j r 1 4 f d ) 1 3 ( d 11 2 1 1 ) )i i t d )i o ( d )0 9 ( d ) 10 8 ( d ) 0 7 i d ) j - n f 一一 一 图2 3 单元信号处理板结构 2 2 1f p g a 核心f p g a 采用a l t e r a 公司的s t r a t i xi i 系列10 2 0 封装兼容：卷片， 包括：e p 2 s 6 0 、e p 2 s 9 0 、e p 2 s 1 3 0 、e p 2 s 18 0 。s t r a t i xi i 系列f p g a 可选芯片 是a l t e r a 公司最新的具有全新构架的、高密度的产品。各芯片主要参数1 1 如表2 1 ： 8 第2 章p c 与f p g a 结合的g p p - s d r 软件无线电平台 表2 1 信号处理f p g a 主要技术指标 器件型号 2 s 6 0 f 1 0 2 02 s 9 0 f 10 2 02 s 1 3 0 f 1 0 2 02 s 1 8 0 f 1 0 2 0 等价逻辑单元6 0 ，4 4 09 0 ，9 6 01 3 2 ，5 4 01 7 9 ，4 0 0 ( l e ) 存储器容量2 ，4 8 54 ，4 1 56 ，5 9 09 ，1 6 3 ( k b i t s ) 1 8 x 1 8 乘法器 1 4 41 9 2 2 5 23 8 4 个 l v d s 接口线对 8 4 8 49 0 9 48 8 9 28 8 9 2 ( 收发) 最大可用i o 数7 1 8 个7 5 8 个7 4 2 个7