用于RF收發(fā)器的簡單基帶處理器

作者/ Rejeesh Kutty ADI公司

摘要：本文詳細地描述了RF基帶處理器的一般設計原則，并使用ADI公司的AD9361 FPGA參考設計討論了BBP的實際硬件實施。本文中提出的相關基帶處理器允許對數(shù)據(jù)進行處理，以使其在兩個RF系統(tǒng)之間進行無線傳輸。

　　如今，無線系統(tǒng)無處不在，無線設備和服務的數(shù)量持續(xù)增長。設計完整的RF系統(tǒng)是一項跨學科設計挑戰(zhàn)，模擬RF前端是其中最關鍵的部分。然而，AD9361等集成RF收發(fā)器的推出顯著減少了此類設計的RF挑戰(zhàn)。這些收發(fā)器可為模擬RF信號鏈提供數(shù)字接口，可以輕松集成到ASIC或FPGA上進行基帶處理?；鶐幚砥?BBP)允許在終端應用和收發(fā)器設備之間的數(shù)字域中處理用戶數(shù)據(jù)。此外，使用Simulink等系統(tǒng)建模工具可以輕松完成基帶處理器設計。然而，新手用戶可能會發(fā)現(xiàn)難以理解和解決這個通信系統(tǒng)難題。本文嘗試為無線傳輸通信系統(tǒng)設計和實施簡單的RF基帶處理器。設計使用AD9361 FPGA參考設計框架，在AD-FMCOMMS2-EBZ和Xilinx? ZC706平臺上實施。

1 在兩個正交信號I&Q上重復數(shù)據(jù)

　　典型的RF系統(tǒng)如圖1所示(直接RF系統(tǒng)除外)。圖1僅顯示了單個數(shù)據(jù)路徑，反方向是該數(shù)據(jù)路徑的鏡像圖像。由于載波相互獨立且彼此不同步，因此，發(fā)射和接收載波之間存在相位和頻率偏移，這將對接收器的解調(diào)產(chǎn)生不利影響。一個重要問題是信號反轉(zhuǎn)，由于偏移會定期合并和漂離，正交信號可能會反轉(zhuǎn)其作用?？朔@種不確定性的簡單方法是在兩個正交信號上重復相同數(shù)據(jù)。

2 以串行形式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)(按位)

　　多數(shù)情況下，與BBP連接的RF前端接口是DAC和ADC，這些是模擬信號的數(shù)字接口。因此，不能簡單地將數(shù)據(jù)發(fā)送到DAC輸入，并預計在ADC輸出端獲得相同數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)以串行形式發(fā)射，將單個位數(shù)據(jù)映射到DAC的全部分辨率。同樣，數(shù)據(jù)以串行形式接收，從ADC的全部分辨率解映射，這提供了充足的冗余。如果這些是16位轉(zhuǎn)換器，則接收器將從可能的65536數(shù)據(jù)集中決定1或0。僅這一點，便可以顯著簡化解碼。

3 用于RF收發(fā)器的簡單基帶處理器

3.1 I&Q信號相互正交

　　RF前端設備(如AD9361)是I/Q收發(fā)器。如果輸入是正交信號，這些設備最有效。這些設備通常沿兩個數(shù)據(jù)路徑進行內(nèi)部I/Q匹配和校正，以抵消二者之間的任何差異。規(guī)則是，實部(I)信號是余弦函數(shù)，虛部(Q)信號是正弦函數(shù)。

3.2 調(diào)制方案是BPSK

　　可以部署信號幅度、頻率或相位調(diào)制的所有常見方法。檢測相位差異相對來說更加簡單。由于數(shù)據(jù)以串行形式傳輸，因此，必然會選擇二進制相移鍵控(BPSK)。

3.3 位間隔是8個樣本

　　數(shù)據(jù)需要時序信息、位間隔，可能的最大位間隔是采樣周期。為了使接收器保持簡單，需要足夠的時間來解碼信號，并做出決定。最簡單的時序恢復方法是零交越和峰值檢測。在這種情況下，峰值將不一致。因此，選擇零交越進行位間隔檢測和跟蹤。兩種系統(tǒng)之間也存在載波差異。在某些情況下，在用戶數(shù)據(jù)的任意端，樣本可能模糊不清。為每半個正弦信號留出4個樣本，位間隔設置為8個樣本。因此，有效的傳輸速率是采樣頻率除以8。

3.4 數(shù)據(jù)沒有直流成分

　　時序和相對相位恢復以信號的零交越為基礎，因此，單個信號需要不含任何直流成分。此外，要求信號每隔一個位間隔允許至少一個零交越。正弦信號兼具兩者的屬性，并且非常符合上述BPSK調(diào)制方案要求。

3.5 數(shù)據(jù)已加擾

　　用戶數(shù)據(jù)是任意的，很可能是一長串1或0。數(shù)據(jù)需要加擾，以便在接收器端恢復時序和相位，從而更高效地跟蹤信號。

3.6 數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式傳輸

　　由于系統(tǒng)彼此不同步，因此接收器的信號會存在幅度、頻率和相位誤差。解調(diào)信號是發(fā)射信號相對于本地載波發(fā)生相位變化的信號。載波可能會跟蹤一段時間，選取數(shù)據(jù)，然后再跟蹤。因此，設計需要做好部分數(shù)據(jù)丟失的準備。為此，數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式傳輸?？芍貜蛡鬏敹鄠€數(shù)據(jù)包，而非整個數(shù)據(jù)。

3.7 使用CRC驗證數(shù)據(jù)包

　　數(shù)據(jù)包攜帶循環(huán)冗余校驗(CRC)碼，因此，如果存在不匹配，則允許接收器丟包，并請求再次發(fā)送。

3.8 在每個前同步碼期間完成時序和相位校正

　　數(shù)據(jù)包表頭攜帶前同步碼，用于將其從接收到的數(shù)據(jù)流中劃分出來。此外，接收器使用該前同步碼復位信號的時序和相位信息，以解調(diào)數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)。

3.9 內(nèi)置性能指標

　　接收器也支持統(tǒng)計計數(shù)器，如接收到的、丟棄的或校正的數(shù)據(jù)包數(shù)量。這些計數(shù)器用于衡量和監(jiān)控性能指標，包括誤碼率和有效數(shù)據(jù)速率。

　　總而言之，數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)包以串行形式發(fā)送和接收。數(shù)據(jù)包攜帶前同步碼和CRC。數(shù)據(jù)在收發(fā)器設備前的中間正交信號上經(jīng)過BPSK調(diào)制和解調(diào)。因此，中間信號頻率和數(shù)據(jù)的位速率是采樣速率的八分之一。基帶處理器模塊及上述設計細節(jié)如圖2和圖3所示。

　　發(fā)送器讀取數(shù)據(jù)字節(jié)(字符寬度)，并將其轉(zhuǎn)換為帶有表頭或前同步碼的數(shù)據(jù)包。將CRC添加到數(shù)據(jù)包末端。然后，對數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)進行加擾和串行處理。在連接到收發(fā)器之前，單個位數(shù)據(jù)相位調(diào)制余弦(I)和正弦(Q)函數(shù)。

　　在接收方向，離線模塊恢復并跟蹤時序間隔和調(diào)制信號的相對相位。該信息用于從輸入的ADC樣本中恢復串行數(shù)據(jù)。然后組裝到數(shù)據(jù)包，并進行解擾。在數(shù)據(jù)包結(jié)束時，比較CRC，如果不匹配，則丟棄數(shù)據(jù)包。如果CRC匹配，數(shù)據(jù)傳遞給終端用戶。

4 實現(xiàn)

　　BBP設計在硬件中實施和測試。硬件是兩個評估板的組合：具有Zynq FPGA設備的Xilinx ZC706評估板和AD9361收發(fā)器的AD-FMCOMMS3-EBZ評估板。ADI提供支持該硬件的完整參考設計。該開源設計在主要工具版本中免費提供，可獲得完全支持和更新。

　　9361設備連接到axi_AD9361 IP外設。它在RF設備和系統(tǒng)存儲器之間傳輸原始采樣數(shù)據(jù)。外設和設備通過Linux內(nèi)核驅(qū)動程序進行初始化和控制。BBP則作為連接到axi_AD9361的另一個IP外設。出于歷史原因，BBP IP命名為axi_xcomm2ip。Linux中的用戶空間應用程序用于在系統(tǒng)之間控制、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

　　在ADI參考設計中，在發(fā)送方向，axi_AD9361 IP連接到解包模塊(util_upack)，在接收方向，連接到打包模塊(util_cpack)。在發(fā)送方向，BBP數(shù)據(jù)插入解包模塊和AD9361內(nèi)核之間。為了使其不影響默認數(shù)據(jù)路徑，BBP支持可選的數(shù)據(jù)路徑多路復用器，以選擇解包數(shù)據(jù)源或BBP數(shù)據(jù)源。BBP允許參考設計數(shù)據(jù)路徑作為默認路徑，并僅在啟用時選擇BBP數(shù)據(jù)源。在接收方向，BBP僅連接到AD9361內(nèi)核。參考設計數(shù)據(jù)路徑不受影響。這允許框架不受妨礙地引導和設置系統(tǒng)。在系統(tǒng)設置后，啟用BBP，可通過覆蓋默認數(shù)據(jù)路徑來進行數(shù)據(jù)傳輸。以ADI參考設計實施的BBP的框圖如圖4所示。

5 小結(jié)

　　本文中討論的設計、初始化和數(shù)據(jù)傳輸使用一對這種硬件。設置僅需一對HDMI?監(jiān)視器、鍵盤、鼠標及天線。系統(tǒng)彼此完全不同步，但需要相同設置。在每個方向，數(shù)據(jù)在不同載波上傳輸。設備1的發(fā)射載波頻率和設備2的接收載波頻率相同，但在另一個方向上不同。然而，如果回送中使用單個設備，發(fā)射和接收載波必須具有相同的頻率。BBP的HDL設計采用ADI庫模塊。

本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第1期第76頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。