基于軟件無線電的通信系統(tǒng)試驗平臺的設(shè)計實現(xiàn)，軟硬件原理、架構(gòu)

項目背景及可行性分析

1.項目名稱、項目的主要內(nèi)容及目前的進(jìn)展情況

項目題目：基于軟件無線電的通信系統(tǒng)試驗平臺

針對目前高校在通信原理課程教學(xué)中普遍缺少相應(yīng)的實踐環(huán)節(jié)，從而導(dǎo)致學(xué)生對該課程的基本原理和基本概念理解困難。因此，本項目計劃設(shè)計一套通信原理實驗平臺，使學(xué)生在實踐過程中加深對課程的理解。本項目設(shè)計的目標(biāo)：為高校提供一套適合本科生進(jìn)行通信原理實驗且價格低廉能夠大面積推廣的通信原理綜合實驗平臺。學(xué)習(xí)通信原理課程的本科生可以利用本系統(tǒng)進(jìn)行通信實驗，對課程學(xué)習(xí)中遇到的原理和概念加深理解。另外，本系統(tǒng)將提供一個開放接口，可以使學(xué)生利用本系統(tǒng)對通信原理進(jìn)行深入的研究，實現(xiàn)更復(fù)雜的算法。

本項目為一個基于 DSP 和 FPGA 的軟件無線電實驗平臺。是由可編程器件 DSP 和可重構(gòu)邏輯器件 FPGA 搭建而成的，可提供了一個良好的數(shù)字無線通信環(huán)境，可以將多種調(diào)制解調(diào)算法在實驗平臺上實現(xiàn)，并能實現(xiàn)多種模式之間的切換。為學(xué)生可能通過自主編程來實現(xiàn)通信系統(tǒng)的相關(guān)功能，有助于學(xué)習(xí)和鞏固相關(guān)知識。

本項目正處于需求理解和分析階段。結(jié)合我們自身的學(xué)習(xí)經(jīng)驗以及走訪相關(guān)教師，了解通信原理課程對本實驗平臺的要求，為下一階段的概要設(shè)計提供基礎(chǔ)。

2.項目關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)的論述

本項目利用軟件無線電的設(shè)計思想，在一套硬件系統(tǒng)上完成多種調(diào)制解調(diào)、信道編解碼等不同通信體制的實驗。采用模塊化設(shè)計方法，通過對模塊的靈活配置實現(xiàn)不同的通信系統(tǒng)原型。

本項目的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在：

1. 采用軟件無線電的設(shè)計思想，減少了硬件開銷，降低了設(shè)備成本。其充分利用了FPGA的靈活性和通用性來實現(xiàn)無線電系統(tǒng)的可重新編程和可重構(gòu)等特點(diǎn)，降低了平臺搭建及操作的復(fù)雜性，較容易被學(xué)生所理解和進(jìn)一步進(jìn)行功能重構(gòu)和拓展。即在一個精簡的平臺下即可實現(xiàn)軟件無線電的基本概念。硬件投入小，實現(xiàn)較多功能。
2. 采用模塊化的設(shè)計方法，將一個通信系統(tǒng)按信號流方向分解為幾個模塊，如編碼模塊、調(diào)制模塊、波形成型模塊等。即可對各模塊單獨(dú)進(jìn)行演示和驗證。也可通過對各模塊的選擇，搭建成不同體制的通信系統(tǒng)。
3. 提供開放的接口，可以方便學(xué)生利用本實驗平臺展開對通信系統(tǒng)的進(jìn)一步研究。學(xué)生可設(shè)計自己的模塊來替代實驗平臺提供的現(xiàn)成模塊，實現(xiàn)自己的想法。

3.技術(shù)成熟性和可靠性論述

隨著技術(shù)的變化和應(yīng)用的擴(kuò)展，在軟件無線電系統(tǒng)中采用 DSP 和 FPGA 的數(shù)字信號處理系統(tǒng)顯示出其優(yōu)越性，正愈來愈受到人們的重視。目前通用的 DSP 已能滿足算法控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)算速度高、尋址方式靈活和通信性能強(qiáng)大等需求，但是對于運(yùn)算結(jié)構(gòu)相對比較簡單的底層信號處理算法則顯示不出其優(yōu)點(diǎn)，適合采用 FPGA 硬件來實現(xiàn)。因此，采用 DSP 和 FPGA 的數(shù)字信號處理系統(tǒng)可以把兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，兼顧速度和靈活性，既能滿足底層信號處理需求，又能滿足高層信號處理需求。

DSP 和 FPGA 系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)靈活，有很強(qiáng)的通用性，適合于模塊化標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，從而能夠提高算法效率；同時其開發(fā)周期較短，系統(tǒng)容易維護(hù)和擴(kuò)展，適合實時信號處理。

綜合以上分析，本項目計劃設(shè)計一套完整的基于FPGA+DSP的通信系統(tǒng)實驗平臺是可行的.

項目實施方案

1.方案基本功能框圖及描述

軟件無線電的基本思想是：構(gòu)造一個具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺，將各種功能，如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件來完成，并使寬帶 A/D和 D/A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，以研制出具有高度靈活性、開放性的新一代無線通信系統(tǒng)。理想軟件無線電的組成結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖一 軟件無線電模型

本項目為一個基于 DSP 和 FPGA 的軟件無線電實驗平臺.是由可編程器件 DSP 和可重構(gòu)邏輯器件 FPGA 搭建而成的，可提供了一個良好的數(shù)字無線通信環(huán)境,可以將多種調(diào)制解調(diào)算法在實驗平臺上實現(xiàn)，并能實現(xiàn)多種模式之間的切換，即通信模式之間的可重構(gòu)操作。為學(xué)生可能過自主編程來實現(xiàn)無線電系統(tǒng)的相關(guān)功能,有助于學(xué)習(xí)和鞏固相關(guān)知識.

本實驗平臺的硬件系統(tǒng)框圖見下圖:

圖二 DSP和 FPGA 硬件系統(tǒng)框圖

軟件無線電系統(tǒng)中的各種信號處理算法是基于 DSP 和 FPGA 的通用硬件平臺來實現(xiàn)的；而在軟件方面，為了以盡可能少的資源實現(xiàn)各種算法，我們將各種工作模式采用統(tǒng)一的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，其實現(xiàn)流程如圖三和圖四所示。首先信息數(shù)據(jù)接口進(jìn)入 DSP 進(jìn)行信源預(yù)處理，包括所需的各種編碼、交織和擾碼等；然后信息送 FPGA完成相位調(diào)制和 DDS 以獲得所需的調(diào)制輸出，接收端經(jīng)寬帶 A/D 采樣后的數(shù)據(jù)送 FPGA 完成數(shù)字下變頻，然后數(shù)據(jù)送 DSP 完成基帶碼流的處理，包括同步提取、基帶解調(diào)和譯碼、去交織、解擾等，同時 DSP 還將相位誤差信號送 FPGA 以控制DDC。因此，不同的工作模式對應(yīng)的只是軟件算法的不同。

圖三 不同模式信號發(fā)送處理軟件統(tǒng)一實現(xiàn)流程

圖四 不同模式信號接收處理軟件統(tǒng)一實現(xiàn)流程

2. 方案實施過程中需要開發(fā)的模塊

本平臺中DSP 和 FPGA 硬件系統(tǒng)在軟件無線電中的應(yīng)用，按功能劃分，其模塊化，標(biāo)準(zhǔn)化的硬件接口如下圖所示，各功能單元的主要功能有:

1. 配置數(shù)據(jù)及程序數(shù)據(jù)存儲單元(SRAM、EPROM);
2. 數(shù)字信號處理單元(DSP);
3. 配置硬件單元(FPGA);
4. 數(shù)據(jù)接口單元(高速 AD、DA、濾波器);
5. 數(shù)字接口單元;
6. 控制接口單元.

DSP 和 FPGA實驗平臺軟件部分,即實驗平臺中信號處理模塊的算法,是根據(jù)具體的調(diào)制解調(diào)方式來確定的，由于本系統(tǒng)采用通用的可編程硬件平臺實現(xiàn)，要增加新的信號處理方式而無須改變系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，只要將軟件算法重新下載到硬件系統(tǒng)中即可；同時控制邏輯也可以通過編寫軟件的方式來實現(xiàn)，系統(tǒng)的控制十分自由。這些都充分體現(xiàn)了軟件無線電系統(tǒng)特有的靈活性。

QPSK 和 MSK 是目前應(yīng)用非常廣泛、具有典型代表性的兩種調(diào)制解調(diào)方式，下面以這兩種模式來討論是如何在 DSP 和 FPGA 實驗平臺上實現(xiàn)的。

1. QPSK在 DSP 和 FPGA 實驗平臺上實現(xiàn)的框圖如下圖所示。

(a) QPSK調(diào)制

(b) QPSK解調(diào)

圖五 QPSK調(diào)制解調(diào)原理框圖

QPSK 主要工作過程如下：在發(fā)送端，二進(jìn)制信息流首先進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，分成 I、Q兩路，完成信息編碼和相位映射，將信息映射到 QPSK相應(yīng)的信號星座點(diǎn)上去，然后 I(t)和 Q(t)分別進(jìn)入乘法器，與載波發(fā)生器輸出的相互正交兩路載波相乘，完成兩個支路的 BPSK 調(diào)制，再將這兩支路送入加法器相加，完成 QPSK 調(diào)制過程；在接收端，已調(diào)的 QPSK 信號經(jīng)過 A/D 采樣后，送入乘法器進(jìn)行相干解調(diào)，而后將信號送入兩個低通濾波器，濾掉高頻分量，濾出所需要的基帶信號，接著對基帶信號進(jìn)行采樣判決和并串轉(zhuǎn)換，最后得到解調(diào)后恢復(fù)的信息碼流。

(2) MSK在 DSP 和 FPGA 實驗平臺上實現(xiàn)的框圖如下圖所示。

(a) MSK 調(diào)制

(b) MSK 解調(diào)

圖六 MSK 調(diào)制解調(diào)原理框圖

MSK 的工作過程如下: 在發(fā)送端，串并轉(zhuǎn)換后的二路并行雙極性不歸零碼，相互間錯開一個碼元寬度 T，然后分別與周期為 4T 的正弦波和余弦波相乘進(jìn)行脈沖整形，最后和 QPSK 一樣調(diào)制輸出，這樣就保證了 MSK 信號是包絡(luò)恒定、相位連續(xù)和調(diào)制指數(shù)（0.5）最小的正交信號；在接收端，MSK 信號采用相干解調(diào)方式，這時可將 MSK 信號看成是采用正弦脈沖加權(quán)的 OQPSK 信號，同樣分成兩路來恢復(fù)信息，如圖六（b）所示。

由于我們采用統(tǒng)一的硬件平臺，軟件方面采用相同的實現(xiàn)流程，因此，模塊功能的切換僅對應(yīng)于 DSP 中相關(guān)算法軟件的切換，這使模塊的功能多樣化成為可能。

以上是預(yù)期計劃中實現(xiàn)的基本模塊，在設(shè)計的實現(xiàn)過程中可能按照實際需要還要臨時添加一些需要模塊以及需要用到一些連接各模塊之間的連接和控制模塊。

3.需要的開發(fā)平臺

根據(jù)計劃可以看出，本系統(tǒng)是用于大規(guī)模的數(shù)字信號處理，所以對FPGA的性能和資源的要求比較高，而且同時還需要高性能的A/D、D/A。所以目前我們暫時選定Spartan 3E初級板作為我們的實驗平臺,以及相關(guān)開發(fā)環(huán)境ISE軟件及相關(guān)附帶仿真開發(fā)軟件。

4.系統(tǒng)最終要達(dá)到的性能指標(biāo)

本項目預(yù)期完成從硬件和軟件兩方面建立了完整的基于 DSP 和 FPGA 的軟件無線電平臺，使其可以完成不同調(diào)制方式通信,實現(xiàn)多模式數(shù)字調(diào)制解調(diào)的硬件實現(xiàn)結(jié)構(gòu)、軟件實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和不同模式之間的切換等,使平臺可以充分體現(xiàn)了軟件無線電系統(tǒng)的靈活性、開放性和兼容性等特點(diǎn)。