1. 概述现代通讯技术的快速发展对接收机性能提出了更高的要求除了要求接收天线具有很宽的带宽、接收机具有很高的数据传输速率外还要求接收机拥有同时处理多路信号的能力。多通道信道化数字接收机具有高精度、高灵活性、大动态范围以及小尺寸等优良特性并且能够同时处理多路信号是当前无线电通信领域的一个研究热点。2. 设计思路及方案特点针对多通道信道接收机的特点和指标需求设计了基于数字下变频DDC和多相滤波结构的频谱感知系统并基于FPGA硬件平台对其进行实现从而快速精确实现频谱感知的同时降低硬件消耗。本系统通过对8个通道进行模数转换Analog-to-Digital ConverterADC将天线接收到的信号数字化后续能够通过数字信号处理技术实现数字下变频、抽取、滤波、信道化等操作。首先经过数字下变频Digital Down ConverterDDC把ADC采集到的数字信号从中频搬移到零频方便后续的处理。由于输入信号采样率较高下变频后需要先对信号进行降采样抽取。抽取之后经过一个抗混叠低通滤波器以免后续信号处理出现混叠。最后对降采样后的信号进行信道化处理可以得到每个信道的信号。经过光纤接口发送给工控机最终通过PCIE接口发送给上位机。上位机可以控制通道和信道的选择、时域和频域信号的显示以及数据的文件存储。3. 主要功能性能指标具有8通道250MSPS的AD采样数据功能各通道的AD位数为16位每路ADC输入带宽为4MHz;各通道采用信道化处理信道化带宽1dB为40kHz信道间幅度差异小于1 dB带外抑制大于90dB矩形系数1.5上位机数据存储功能支持外参考10MHz输入支持外部秒脉冲触发PCIE-X4接口,2.0/3.0版本具有DMA数据传输功能数据传输能力不小2GB/s并提供windows驱动具有光纤收发功能不小于1路光纤的数据传输协议采用aurora64B/66B线速度不小于5Gbps4. 工作原理4.1数字下变频数字下变频主要包括三个功能第一是变频数字混频器将数字中频信号和DDS产生的正交本振信号相乘生成I/Q两路混频信号也就将中频信号降至零中频第二是低通滤波滤除带外信号提取出有效信号第三是数据抽取降低采样速率以便进行后续的信号处理减少运算量。根据傅立叶变换的性质实信号xt的频谱Xf具有共轭对称性即XfX*(-f)正负频率的幅度分量是对称的相位分量是相反的只需用其正频分量或负频分量就能完全描述xt而不会丢失任何波形信息。取信号的正频分量构造一个信号zt则其频谱可以表示为利用傅立叶变换得到在实际中理想Hilbert变化的滤波器也是很难实现的而对于有载波频率的接收信号采用混频正交基带变换技术可以相对容易得到基带信号的复解析信号。窄带信号通常表示为对于数字信号做下变频先要与两个正交的本振信号coswt和 sint相乘再通过低通滤波器然后对信号进行抽取最终可以得到基带信号。数字下变频的一般处理流程如下图所示4.2数字抽取滤波器CIC滤波器是主要用于在软件无线电多速率系统中对信号实现较大采样率转换的多速率滤波器。CIC滤波器是无乘法器结构仅由加法器和延迟元件组成这在降低功耗方面具有很大优势,因此CIC滤波器经常应用于软件无线电中的数字下变频器和数字上变频器,CIC滤波器是一类硬件有效的线性相位FIR数字滤波器由一个相等的理想积分器和梳状滤波器对的级数,该滤波器的高度对称结构允许在硬件中高效实现。然而CIC滤波器的缺点是通带不平坦这对信号的过滤会产生影响这在许多应用中是不希望出现的。CIC滤波器在搭建中无需使用乘法器即可降低信号的采样率即对信号进行抽取操作CIC滤波器首先执行平均运算然后进行抽取。对于 CIC 抽取滤波器而言其冲激响应满足其中D为CIC滤波器的抽取倍数。对上展开Z变换之后可以得到单级传递函数其实现结构可有直接实现和间接实现两种两种结构分别如下图所示当w0时可以取到幅值最大点其增益为D。在D8时其单级幅频特性如下图所示此时主瓣幅度与第一旁瓣幅度的比值为可以看出单级CIC滤波器所对应的旁瓣电平相对较高此时阻带衰减不足很难有效抑制噪声会使得在抽取时由于频谱折叠所引起的混叠对信噪比产生较大的影响。以8倍抽取为例其抽取前后的频带响应如下图所示对于多级 CIC 滤波器而言L阶的传递函数与单级非常相近为主瓣幅度与第一旁瓣幅度的比值为从上式可以看出多级结构的阻带衰减有所改善进一步减小了带内混叠。其每增加一级级联阻带衰减增加13.465dB。将8倍抽取单级和五级级联的幅频特性曲线绘制在下中更加直观的观察单级和多级在阻带衰减和通带衰减上的差异。5. 接口设计5.1光纤接口板卡提供4路SFP万兆光纤接口支持10Gbps光模块。SFP接口为标准LC接口兼容多家厂商光模块。板卡的4路光纤通道通道速率不同、协议不同所需要的参考时钟亦不相同。下表列出了几种常见协议的参考时钟本板出厂时默认安装的时钟晶振为156.25MHz支持6.25G以上高速传输。板卡FPGA内嵌光纤协议控制器具体指标如下支持4路10G光纤数据的采集、记录与回放光纤接口可支持多种标准协议以及用户自定义协议的开发传输协议不占用CPU资源5.2PCIE接口DMA 功能是PCIe总线传输数据的一种重要方式FPGA 完成 DMA 控制器的功能能够将数据通过PCIe通道直接搬运到PC机的内存中极大提供了数据传输带宽。基于Xilinx Gen2 Integrated Block for PCIe IP核的PCIe DMA控制器该控制器IP Core满足 PCI Express Gen2标准采用DMA的数据交互方式在整个数据传输的过程中完全不需要主机CPU的干预适合于海量数据传输、高带宽数据交互的应用场景。该控制器IP CORE适用于Xilinx Kintex-7系列支持PCIe Gen2硬核的 FPGA可以工作在X4或者X8模式支持Windows32位或64位操作系统。该控制器IP CORE与驱动程序相结合实现了高速接口的数据处理、PCIe DMA控制器、DDR3缓存控制、计算机数据交互PCIe上行链路数据速率可以达到3GByte/sPCIe下行链路数据速率可以达到2.8GByte/s可广泛适用于图形图像传输、高速 AD/DA 采集回放等应用场景。该 DMA 控制器核的主要特点有1支持 PCI Express Gen2 标准可选 X4 或者 X8 模式2独立的 DMA 传输通道X8 模式下上行链路传输速率可以达到 3.2GByte/s下行链路传输速率可以达到 3GByte/s3支持多种硬件缓冲方式FIFO 模式DDR3 模式4高性能 PC 机接口驱动支持以下操作系统Windows 7 32 /64位操作系统Win Server 2008 / 2012 操作系统6. 硬件设计6.1ADC采集板FMC128是一款基于TI公司的16bit-250MSPS高速模数转换器ADS62LB69设计的标准单槽位、风冷散热结构的FMC子卡模块FMC128最大支持8通道模拟信号输入、输入阻抗为50欧姆交流耦合方式。FMC128支持外同步/触发输入时钟模式支持内部参考时钟和外部参考时钟以及外部采样时钟三种模式时钟选择通过SPI总线来实现。FMC128的电气与机械设计依据FMC标准符合ANSI/VITA 57.1规范支持风冷能够满足用户在特殊环境下的应用。该板卡可广泛应用于通信多载波、雷达与智能天线、测试与测量、软件无线电等。板卡技术指标:AD接口性能支持8路模拟信号输入采样率最高支持250MSPS分辨率16位ENOB170MHz12.1bits支持单端交流耦合方式模拟输入电压范围差分输入电压范围2Vpp模拟输入带宽max 500MHz2VppSFDR170MHz75dBc0 dB gain82dBc6 dB gainSINAD170MHz69.8dBFS0 dB gain66.5dBFS6 dB gain典型功耗8WFMC接口指标标准FMC子卡符合VITA57.1规范板卡结构采用风冷结构板卡尺寸78x69mmFMC连接器型号ASP-134488-01板卡采用12V供电其他电源均未使用FMC子卡的VIO_B未使用支持IIC接口时钟接口性能1个高性能时钟管理单元AD9516-1板载1个10MHz的高性能VCXO晶振支持外参考钟输入支持外采样钟输入物理与电气特征板卡尺寸78 x 69 mm板卡供电1A max12V±5%散热方式自然风冷散热环境特征工作温度-40°C~85°C存储温度-55°C~125°C工作湿度5%~95%非凝结6.2数字处理板TES307是一款基于Xilinx Kintex-7 XC7K325T 的FMC USB3.0 SATA 四路光纤数据转发卡该板卡具有4路SFP10G光纤通道接口板卡采用Xilinx的高性能Kintex-7系列FPGA作为主控制器实现最高10G光纤协议的解析。pin_to_pin兼容FPGAXC7K410T-2FFG900 。板载1组独立的64位DDR3 SDRAM大容量缓存。板卡具有4路SATA3.0接口支持标准SATA接口存储设备。具有USB3.0接口HPC的FMC连接器板卡支持各种接口输入。软件具有windowsLinux驱动。在HPC硬件加速领域该板卡的光纤通道适应于10G万兆以太网互联并通过板载FPGA做算法加速将一部分在服务器上做的算法转移到板载处理器中极大减轻服务器的运算压力。在航空电子半实物仿真应用领域光纤通道支持FC-AE-1553B、ARINC818等协议标准板载协议处理器可将总线的数据进行分析处理转发并能模拟故障注入。功能和技术指标支持64bitDDR3 容量1GByte支持1个FMC HPC中LAHAHB全部接口和DP0~DP7 8路高速接口兼容ML605等开发板后面板输出提供4路光纤接口前面板输出支持4个LED指示灯动态缓存1组独立的64位DDR3 SDRAM容量1GByte支持4路SATA3.0接口支持 USB3.0接口 ;支持2个 按钮所有器件支持商业级工业级物理与电气特征板卡尺寸178.59 x119.68 mm工作温度-20°C~70°C存储温度-40°C~85°C工作湿度5%~60%非凝结散热方式风冷散热6.3PCIe接口板PCIE730 是一款基于PCI Express总线的高性能4通道10G光纤通道适配器该板卡具有4路SFP10G光纤通道接口X8 PCIe主机接口板卡采用 Xilinx的高性能Kintex-7系列FPGA作为主控制器实现最高10G光纤协议的解析以及 PCI Express总线接口的转换。板载1组独立的 64 位 DDR3 SDRAM大容量缓存。板卡具有4路SATA3.0接口支持标准SATA接口存储设备。该板卡为标准全高半长PCI Express尺寸适合于目前主流的服务器或超微工作站可广泛应用于数据中心、大型服务器加速运算等场景。该板卡可以用于基于服务器的数据传输、硬件加速、半实物仿真等场景。在高速数据传输领域板卡可以将光纤采集的高速图像/模拟信号进行高速缓存、数据处理然后通过DMA的方式将数据传输至服务器的内存中板卡支持PCIe gen2接口速率高达3.2GByte的传输带宽可以满足大部分数据传输的需求。在HPC硬件加速领域该板卡的光纤通道适应于10G万兆以太网互联并通过板载FPGA做算法加速将一部分在服务器上做的算法转移到板载处理器中极大减轻服务器的运算压力。在航空电子半实物仿真应用领域光纤通道支持FC-AE-1553B、ARINC818等协议标准板载协议处理器可将总线的数据进行分析处理转发并能模拟故障注入。7. 测试环境搭建信号源用来产生测试信号通过BNC转SSMA的电缆线接入ADC板的8路ADC的采集通道数字处理板实现ADC FMC的连接、数字下变频和信道化处理的功能最后通过SFP光纤接口将信道化处理后的数据发送给PCIE接口板PCIE接口板实现光纤接口的数据接收和缓存、PCIE接口的数据转发最后将信号转发至上位机的文件系统中主机通过显控界面实现显示和控制的功能利用PCIE接口通过DMA的方式读取信道化处理的数据主要显示信道化处理后的信号波形和信号频谱可以在上位机控制显示指定ADC通道的指定信道的时域和频域波形。8. 指标测试具体测试内容主要测试信道化处理算法的正确性以及系统数据链路的传输正确性。测试方法1首先断电条件下按照上节要求搭建系统测试环境2打开信号源开关设置测试信号的幅度(1Vpp)和频率信号类型为正弦波先关闭信号输出3打开主机电源并给数字处理载板上电ADC板发热比较大最好单独拿风扇吹着散热4设置要显示的ADC通道0~7及信道0~127点击“重置信号参数”后即可生效。完成相关参数后点击“启动数据传输”按钮即可开始信道化处理的测试波形显示区即可显示相关的波形信息此时也可以修改要显示的ADC通道或信道点击“重置信号参数”后即可生效。如果需要存储信道化波形点击“保存数据”按钮即可存储波形文件到硬盘中。以ADC1的3000kHz的输入作为测试验证文件保存的正确性。系统波形显示正常后点击“保存数据”即可保存当前的信道化原始数据每组数据32bit低16bit为实部高16bit为虚部将波形数据导入MATLAB软件中进行分析可以得到信道化的数据及频谱信息如下图所示。可与上位机中显示的信号时域和频域波形进行对比验证算法的准确性。ADC1-1ADC1-2ADC2-1ADC2-2。。。。。。
