基于AD9364的軟件無線電在遙測系統上的應用研究?

韋宏利 滿振國

（西安工業大學電子信息工程學院 西安 710021）

基于AD9364的軟件無線電在遙測系統上的應用研究?

韋宏利 滿振國

（西安工業大學電子信息工程學院 西安 710021）

由于中小型彈藥類飛行器內部的有效使用空間通常比較狹小，而遙測系統作為飛行器研制階段重要的信號測量系統，也就必須本著體積盡可能小，重量盡可能輕、功耗盡可能低、各平臺遙測系統盡可能通用的設計理念。正是基于這種設計理念，論文采用捷變頻收發器AD9364來進行遙測信號的無線傳輸。通過把采集的遙測信號組幀并進行PCM-FM調制，將調制后的信號傳給AD9364直接上變頻，通過飛行器上攜帶的天線向地面設備發射。通過實際的應用發現，該設計相對于傳統的遙測系統，具有集成度高、體積較小、功耗較低、兼容性強等優勢。

軟件無線電；AD9364；PCM-FM調制；遙測系統

1 引言

近年來，隨著科技信息的快速發展，遙測技術［1］水平也得到相應的提高，為了實現不同的功能，各種遙測系統不斷的涌現，基本上是“一個產品型號對應一套設備”，通用性、兼容性不強，增加了研發成本和操作維護的難度，整個遙測系統的可靠性也得不到保障。傳統的遙測系統［2］雖然在體積、功耗、重量方面已經在一定程度上得到改善，但是對于一些中小型彈藥類飛行器而言，還是不能夠滿足其要求。軟件無線電的基本思想［3］是開放性的硬件通用平臺，采用可升級、可重新配置的應用軟件來實現各種無線電傳輸功能，該思想很適用于遙測系統。ADI公司的AD936X捷變收發器［4］是新一代軟件無線電單芯片解決方案的杰出代表，其具有前端可編程的能力，內部集成混頻器、濾波器、AD和DA，同時為基帶信號處理器提供了可配置數字數據接口，該芯片能夠實現從基帶信號直接上變頻到射頻信號，不需要外部混頻器，濾波器的支持，從而簡化設計，大幅度減小遙測系統的體積、功耗、重量。本文是基于FPGA和AD9364的軟件無線電遙測系統［5］，不僅可以進一步降低遙測系統的體積、設備和功耗，其也具有很強的可重構能力，能夠提高遙測系統在多平臺使用時的通用性。

2 AD9364的芯片架構及一般特性

2.1 AD9364的芯片架構

本文所采用的信號發射模塊主要是由ADI公司單收單發型零中頻捷變頻收發器AD9364組成，支持全雙工工作模式。該芯片的架構［6］由接收器、發射器、濾波器、混頻器、AD轉換、DA轉換、數字數據接口、SPI控制接口組成，具體的架構框圖如下圖1。接收器部分用于接收射頻信號并將其轉換成可供基帶信號處理器使用的數字數據，其也是一個直接變頻系統，含有三個差分輸入級、一個低噪聲放大器（LNA），其后是匹配相內（I）和正交（Q）放大器、混頻器和兩種型號的低通濾波器，這兩個低通濾波器實現頻帶整形并且可以濾掉混頻后的高頻信號，保留基帶信號，以便進行數字化。發射器部分含有兩個差分輸出級，可以多路復用至發射通道。在輸出到達DAC之前，提供額外的濾波和數據速率插值處理。頻率合成器包含射頻鎖相環和基帶鎖相環，前者用于生成本振信號，后者用于生成所有基帶相關時鐘信號。數字數據接口采用12位并行數據端口P0、P1，實現AD9364和基帶處理芯片之間數據傳輸。SPI接口用于實現AD9364與基帶信號處理器之間的控制參數傳輸，完成配置器件寄存器的工作。

圖1 AD9364捷變頻收器的芯片架構

2.2 AD9364的一般特性

AD9364是一款高集成度的射頻（RF）收發器，能夠用于廣泛的領域，在單個器件中集成了提供所有收發器功能的所有必要射頻模塊、混頻模塊、濾波器模塊和數字模塊。優異的可編程能力使這款寬帶捷變頻收發器可以適用于多種通信標準，包括頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）系統。此外，這種可編程能力還允許通過單通道12位并行數據端口、雙通道12位并行數據端口或12位低電壓差分接口，與各種基帶處理器相連接。AD9364工作頻率范圍為70 MHz～6.0 GHz，涵蓋大部分特許執照和免執照頻段，支持的編程通道帶寬范圍為200 kHz以下至56 MHz。AD9364還提供了自我校準和自動增益控制（AGC）系統，可以在多種溫度和輸入信號條件下維持高性能水平。

3 基于AD9364的軟件無線電的遙測系統設計

3.1 軟件無線電的遙測系統設計及工作原理

本次設計主要用于將采集到的飛行器工況信息及串口收到的數字信息實時發射給地面設備。該系統的設計框圖如圖2所示。

圖2 遙測系統框圖設計

該系統的信號源來自于四片AD7193芯片采集到的飛行器工況信息以及由一組422串口收到的其他設備發過來的信息，這些信息按照一定的格式組幀，然后在FPGA內部完成信號調制，經過調制后的信號通過FPGA與AD9364之間的數據接口實現信息的交互，由于AD9364的發射功率大約只有幾個dBm，這么小的功率顯然不可能實現信號的遠程傳輸，所以需要進行功率放大，最后再經過飛行器上攜帶的天線將信號發射到地面接收設備。

3.2 FPGA與AD9364之間的軟件接口設計。

AD9364的接口設計分為兩部分的設計，分別是SPI通訊接口設計和數字數據傳輸接口設計。

3.2.1 SPI通訊接口設計

SPI通訊接口設計是根據欲實現的功能，配置AD9364的內部寄存器，雖然這些內部寄存器的數量多達上千個，但是它的功能模塊包含晶振時鐘輸入、基帶鎖相環頻率設定及調理、接收與發送FIR濾波［7］參數設定、數字數據接口設置、接收與發送射頻端頻點設定、接收增益及發射功率設定、低通濾波器參數設定、正交校正與直流補償，按照這些功能模塊順序依次配置即可。

3.2.2 數字數據傳輸接口

數字數據傳輸接口是AD9364采用并行數據接口與FPGA之間進行數據傳輸。數據端口可以配置為單端CMOS格式或差分LVDS格式。這兩種格式都可以配置為多種方式，以滿足數據時序和數據端口連接的系統需求，同時該總線傳輸是通過硬件握手信號來控制的。本次設計中只是用到了AD9364的發射功能，所以只實現FPGA到AD9364數據DDR模式單向傳輸即可，整個數據傳輸的軟件實現框圖如下圖3所示，四片AD順序采集到的信號進入FPGA內的FIFO實現緩存，同時也解決異步時鐘域［8］的問題。因為AD采集的信號是多路信號，所以還要以一定的幀格式進行打包，打包后的數據進行PCM-FM調制，調制后的PCM碼流需要進行時鐘與數據以一定的相位角度關系對齊，然后通過P1_D數據接口、FB_CLK時鐘線把數據傳入AD9364，基帶數信號在AD9364內進行頻譜搬移至射頻，最后通過天線輻射出去。

圖3 數據傳輸的軟件實現框圖

4 系統調試結果分析

4.1 單音信號調試

本次設計采用的是FPGA控制SPI通訊協議完成AD9364的功能配置，而欲實現的功能所對應的AD9364寄存器的數量眾多，所以需要通過許多次反復修改寄存器的參數，直到產生本文作者所需要的功能。本文作者多次修改寄存器的參數后，通過讀取0x05E寄存器的值判斷基帶鎖相環鎖定，通過分別讀取0x247，0x247寄存器［9］的值判斷射頻鎖相環也已經鎖定，另外通過給數據端口的I路最大值，Q路最小值，輸出一單音頻信號，工作頻點2.4Ghz，并且控制AD9364內部對信號衰減了10dBm。利用頻譜分析儀觀測到該信號的波形如下圖4，可以發現單音信號的波形比較干凈，主峰兩邊基本無雜散。所以單音信號通信［10］調試完成，同時AD9364寄存器的配置工作基本結束。

圖4 單音信號通信實驗頻譜圖

4.2 PCM-FM調制通信的調試

AD采集到的模擬量及串口收到的數字量經過PCM-FM調制［11］后產生PCM碼流，FPGA通過數據接口把PCM碼流傳輸給AD9364。把AD9364的射頻端連接到頻譜儀上，通過頻譜分析儀可以大致分析通信效果，從圖5的頻譜圖上看，該波形與標準的的PCM-FM的頻譜基本一致，可以斷定PCM-FM通信成功。

圖5 PCM-FM調制通信頻譜圖

5 結語

本文通過實際的項目調試，將采集到的飛行器工況信息及串口收到的數字量信息進行組幀編碼，然后進行PCM-FM調制算法調制后，傳送給AD9364，再通過AD9364進行濾波、插值、頻譜搬移等處理后，利用飛行器上攜帶的平板天線，把信號發射給地面設備，實現遙測信號的可靠傳輸。而傳統的微波通信多采用分立元器件設計，調試較麻煩，開發周期較長相比，AD9364集成式的設計降低了產品的尺寸，同時在很大程度上降低了功耗，提高了設備可靠性，也在很大程度上解決了設備的通用性的問題。

本文的研究是基于遙測系統的應用范圍，而AD9364的工作頻率最高達到6Ghz，基本涵蓋了整個S波段，同時支持的通道帶寬范圍為200 kHz以下至56 MHz，相信該器件在［12］基于軟件無線電的無線熱點覆蓋、城市基站補盲、直放站、手機終端、廣電射頻、中繼、同頻轉發、無人機數傳、低空飛行器無線傳輸、單兵電臺、相控陣雷達等應用領域同樣將取得非常好的應用效果。

［1］劉藴才，姚奇松，房鴻瑞，等.遙測遙控系統［M］.北京：國防工業出版社，2000：5-6.LIU Yuncai，YAO Qisong，FANG Hongrui，et al.Telemetry and remote control system［M］.Beijing：National Defence Industry Press，2000：5-6.

［2］于志堅.我國航天測控系統的現狀與發展［J］.中國工程科學，2006，8（10）：43-46.YU Zhijian.Present situation and development of China's aerospace measurement and control system［J］.Engineering Science in China，2006，8（10）：43-46.

［3］楊小牛，樓才義，徐小良.軟件無線電原理及其應用［M］.北京：北京理工大學出版社，2010：10-15.YANG Xiaoniu，LOU Caiyi，XU Xiaoliang.Principle and application of software radio［M］.Beijing：Beijing Institute of Technology press，2010：10-15.

［4］余蓮.AD9361：基于突破性技術促進軟件定義無線電應用［J］.電子技術應用，2013，39（11）：1-1.YU Lian.AD9361：Based on breakthrough technology to promote the application of Software Defined Radio［J］.Application of electronic technology，2013，39（11）：1-1.

［5］張軍.無線電遙測系統及在兵器實驗中的應用［M］.北京：國防工業出版社，2011：11-13.ZHANG Jun.Radio telemetry system and its application in weapon test［M］.Beijing：National Defence Industry Press，2011：11-13.

［6］亞德諾.AD9364參考設計手冊UG-673［DB/OL］.http：//www.analog.com/media/cn/technical-documentation/user-guides/AD9364_Reference_Manual_UG-673.pdf ADI.AD9364_Reference_Manaul_UG-673 ［DB/OL］.http：//www.analog.com/media/cn/technical-documentation/user-guides/AD9364_Reference_Manual_UG-673.pdf

［7］徐科軍，胡廣書.信號分析與處理［M］.北京：清華大學出版社，2006：151-152.XU Kejun，HU Guangshu.Signal analysis and processing［M］.Beijing，tsinghua university press，2006：151-152.

［8］徐文波，田耘.Xilinx FPGA開發實用教程（附光盤第2版）/EDA工程技術叢書［M］.北京：清華大學出版社，2013：120-124.XU Wenbo，TIAN Yun.Xilinx FPGA Development and practical course（Attached CD-ROM Second Edition）/EDA series of Engineering Technology［M］.Beijing：tsinghua university press，2013：120-124.

［9］亞德諾.AD9364 AD9364寄存器參考手冊_UG-672［DB/OL］.http：//www.analog.com/media/cn/technical-documentation/user-guides/AD9364_Register_Map_Reference_Manual_UG-672.pdf.ADI.AD9364Register_Map_Reference_Manual_UG-672［DB/OL］.http：//www.analog.com/media/cn/technical-documentation/user-guides/AD9364_Register_Map_Reference_Manual_UG-672.pdf.

［10］江力.數字通信原理［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2009：110-112.JIANG Li.Principle of digital communication［M］.Xi'an：Xidian University Press，2009：110-112.

［11］杜勇.數字調制解調技術的MATLAB與FPGA實現［M］.北京：電子工業出版社，2014：90-91.DU Yong.MATLAB and FPGA realization of digital modulation and demodulation technology［M］.Beijing：Electronic Industry Publishing House，2014：90-91.

［12］張健.ADI攜手Xilinx共推系統級SDR解決方案［J］.業界訪談，2014（5）：47-48.ZHANG Jian.ADI and Xilinx jointly put forward the system level SDR solution［J］.Industry interview，2014（5）：47-48.

Research on the Application of Software Radio Based on AD9364 in Telemetry System

WEI HongliMAN Zhenguo
（Electronic Information Engineering College，Xi'an Technological University，Xi'an 710021）

Because of the effective using space of a small ammunition inside the vehicle is usually small，and telemetry system as aircraft development stage important signal measuring system，must also be the purpose of volume as small as possible，and weigh as much as light and power consumption as low as possible，the platform telemetry system as much as possible concept of universal design.It is based on this design conception，this paper uses frequency hopping transceiver AD9364 to carry out the wireless transmission of telemetry signal.Through the acquisition of the telemetry signal group frame and PCM-FM modulation，the modulated signal transmitted to the AD9364 directly on the frequency conversion，through the aircraft carried on the antenna to the ground equipment.Through practical application，it is found that this design has the advantages of high integration，small volume，low power consumption，strong compatibility and other advantages compared with the traditional telemetry system.

Software Radio，AD9364，PCM-FM modulation，telemetry system

TP391

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.10.010

Class Number TP391

2017年4月3日，

2017年5月11日

韋宏利，男，高級工程師，研究方向：自動控制。滿振國，男，碩士研究生，研究方向：自動控制。