一種基于NB-IoT的高精度解調(diào)裝置

作者簡(jiǎn)介：劉小剛（1987—），男，工程師，研究方向：網(wǎng)絡(luò)測(cè)試技術(shù)。

0   引言

萬(wàn)物互聯(lián)的概念已經(jīng)興起，主要特點(diǎn)就是物與物之間協(xié)作連接，而通信是實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)的必要條件。現(xiàn)有的5G、4G、3G、2G 通信協(xié)議無(wú)法滿足低功耗、低成本、廣覆蓋和大容量的需求，一些低功耗標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，如LoRa、Sigfox、Wifi，在信息安全、移動(dòng)性和容量等方面存在缺陷。因此，經(jīng)過(guò)全球業(yè)界超過(guò)50 家公司的積極參與和一年多的努力，NB-IoT 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議宣告誕生^[1]。本文介紹一種基于NB-IoT 的高精度解調(diào)裝置，從射頻、中頻、物理層、主控各模塊聯(lián)合協(xié)作的角度，構(gòu)造了一種基于NB-IoT 的高精度解調(diào)裝置。

1   總體設(shè)計(jì)

本裝置主要由射頻模塊、中頻模塊、物理層模塊、主控模塊聯(lián)合完成。信號(hào)源的數(shù)據(jù)首先經(jīng)過(guò)射頻模塊進(jìn)行混頻，統(tǒng)一混頻到153.6MHz 的頻率上，然后進(jìn)入中頻模塊。中頻模塊的FPGA 進(jìn)行下變頻變換到數(shù)字信號(hào)，通過(guò)SRIO 傳輸給DSP，DSP 調(diào)用物理層模塊進(jìn)行211、212 過(guò)程，最終計(jì)算出原始碼流01 比特，然后通過(guò)TCP 協(xié)議將原始碼流傳遞給主控模塊。主控模塊進(jìn)行時(shí)域、頻域、調(diào)制域、原始碼流的計(jì)算和顯示。具體過(guò)程如圖1 所示：

2   模塊設(shè)計(jì)

2.1 射頻模塊

射頻模塊主要完成功率控制、混頻的功能。功率控制：射頻模塊內(nèi)部含有放大器、衰減器，并通過(guò)EISA 總線與主控模塊進(jìn)行交互，從而實(shí)現(xiàn)功率的控制。

混頻：射頻模塊通過(guò)混頻將原始的高頻載波信號(hào)混頻到153.6 MHz 頻點(diǎn)上，供給中頻模塊使用。

2.2 中頻模塊

中頻主要包括FPGA 和DSP，F(xiàn)PGA 負(fù)責(zé)基帶信號(hào)下變頻，DSP 負(fù)責(zé)物理層解調(diào)。

FPGA 通過(guò)AD 轉(zhuǎn)換得到NB-IoT 的基帶信號(hào)，然后進(jìn)行下變頻，最終通過(guò)SRIO 將基帶信號(hào)傳遞給DSP。下變頻過(guò)程如圖2 所示。

DSP 主要從主控通過(guò)網(wǎng)口獲得物理層參數(shù)，然后調(diào)用物理層的lib 庫(kù)計(jì)算基帶信號(hào)的解調(diào)過(guò)程，最終得到原始碼流。其中進(jìn)行部分測(cè)試?yán)?jì)算，并將結(jié)果通過(guò)網(wǎng)口傳遞給主控。為了能夠使解調(diào)速度高效快捷，DSP 充分利用了VCP^[2]、TCP^[3]、EDMA^[4] 等硬件加速器，為了便于升級(jí)更新，使用了EMAC^[5] 自啟動(dòng)方式，并使用sysbios^[6]、ndk^[7] 等TI 公司的工具實(shí)現(xiàn)了TCP 協(xié)議，保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。TCP 協(xié)議的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖3 所示。

2.3 物理層模塊

物理層主要完成NB-IoT 從基帶信號(hào)到原始碼流的解調(diào)過(guò)程。

基帶信號(hào)到調(diào)制信號(hào)的解調(diào)過(guò)程，也就是協(xié)議的211 過(guò)程，主要包括FFT、解資源映射、解調(diào)^[8] 等過(guò)程，如圖4 所示。

調(diào)制信號(hào)到原始碼流，也就是協(xié)議的212 過(guò)程，主要包括譯碼、解速率匹配、CRC 校驗(yàn) ^[9] 等過(guò)程，如圖5所示。

2.4 主控模塊

主控程序主要完成功率和頻率的校準(zhǔn)、對(duì)射頻的控制、與中頻的交互、測(cè)試?yán)挠?jì)算等。

功率和頻率的校準(zhǔn)：對(duì)單音和調(diào)制信號(hào)，需要對(duì)功率和頻率進(jìn)行定標(biāo)校準(zhǔn)，通過(guò)GPIB 卡或LAN 線與第三方標(biāo)準(zhǔn)儀表互連進(jìn)行定標(biāo)校準(zhǔn)。

對(duì)射頻的控制：在校準(zhǔn)過(guò)程中，需要進(jìn)行送數(shù)從而進(jìn)行實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻的控制，并將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)保存。

與中頻的交互：基帶信號(hào)解調(diào)的一些必要參數(shù)，如小區(qū)ID、信道帶寬等參數(shù)，需要通過(guò)網(wǎng)口傳遞給中頻。中頻解調(diào)成功后，將原始碼流、EVM、FOE 等結(jié)果通過(guò)網(wǎng)口傳遞給主控進(jìn)行顯示繪圖。

測(cè)試?yán)挠?jì)算：對(duì)一些時(shí)頻域計(jì)算的測(cè)試?yán)骺爻绦蛲瓿桑缁鶐盘?hào)的功率、峰均比、占用帶寬、ACLR 等測(cè)試?yán)?/p>

3   結(jié)論

使用信號(hào)源發(fā)送、儀表解調(diào)的方式對(duì)NB-IoT 的解調(diào)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試方法為羅德的SMW200 發(fā)送NB-IoT在獨(dú)立測(cè)試模式下的信號(hào)，自研的5264B 通信矢量信號(hào)分析儀進(jìn)行EVM 解調(diào)。EVM 值為0.48%，證明本方案可以滿足NB-IoT 高精度解調(diào)的需求。解調(diào)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 解調(diào)結(jié)果

參考文獻(xiàn)：

[1] 戴波.窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)標(biāo)準(zhǔn)與關(guān)鍵技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2016.

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[6] TI Inc. TI-RTOS Kernel (SYS/BIOS) User’s Guide(SPRUEX3U)[EB/OL]. [2018-02].http://www.ti.com.

[7] TI Inc. TMS320C6000 Network Developer’s Kit (NDK) Software User’s Guid e (SPRU523G)[EB/OL].(2001-05).[2009-01].http://www.ti.com.

[ 8 ] 3 r d G e n e r a t i o n Pa r t n e r s h i p Pr o j e c t ; T e c h n i c a l Specification Group Radio Access Network;Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Physical channels and modulation(Release 14)[S] .3GPP TS 36.211 V14.14.0 (2020-03).

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年2月期）