基于軟件無線電的通信系統實驗平臺研制(4)
——射頻電路

戴 伏 生

(哈爾濱工業大學(威海) 信息與電氣工程學院， 山東 威海 264209)

0 引 言

基于類似Unix操作系統但可自由免費使用的開源無線電軟件(GNU's not Unix Radio, GNU Radio)[1]研制的無線通信系統實驗平臺，分為主板和射頻子板。主板本質上是一個無線電通信的中頻處理及其管理系統[2-3]。射頻子板需配合主板才能工作，它主要任務是完成無線物理信號的發/收、中頻和射頻的頻率調制/解調等工作。若要利用實驗平臺構建一套完整的軟件無線電實驗系統，采用“上位機+主板+射頻子板”積木形式的組合，所以射頻子板是實驗系統組成不可缺少的無線信號收/發功能單元。采用市場上為通用軟件無線電外設(Universal Software Radio Peripheral, USRP)配套的射頻子板，可以完成一些常規的實驗內容[4-6]。通常購買的射頻子板只能獲得產品使用說明書，無法獲得其核心技術以及主板管控射頻子板等方面的資料，難以開發出有特色的高級創新型實驗。因此，有必要研制一款核心技術公開，適合軟件無線電教學實驗平臺的射頻子板。

1 軟件無線電實驗平臺的射頻子板

1.1 射頻子板模塊化設計思想

射頻子板采用靈活的積木式模塊化設計，賦予多種設定選擇，既可以設定為固定接收/發射頻點、固定功率的無線方式，也可以通過GNU Radio軟件控制，隨時改變接收/發射頻點和功率的動態調整無線方式，便于學生開展各種設計性和創新實驗。圖1為射頻子板功能組成，接收/發射頻點均可在400 MHz～4.4 GHz范圍內獨立的任意設置，且收/發通道功率可以按最小步進為0.5 dB進行獨立的6位數控，既可以設定時分雙工方式又可以設定頻分雙工方式。

圖1 射頻子板基本功能組成

1.2 主板管理射頻子板接口定義

為實現主板對射頻子板的控制和管理以及收發信號交互傳輸，主板與子板接口采用了兩個64針接插件，分別作為主板與子板的發射TX和接收RX接口。考慮到積木式應用以及與USRP射頻子板SBX_REV3.0的兼容性，主板對TX和RX接口主要有效信號引腳定義如表1和表2所示[7,8]。

表1中串行A/DC輸出應用方式比較特殊，主板上串行D/AC主要用于參考基準電壓Uref的控制和調整，調整既包括主板又包括射頻版，采用從接口給射頻板控制射頻板中的共模電壓UOCM，而UOCM又通過接口再反饋到主板調整ADS62P4X上的共模電壓Ucm。D/AC調整UOCM的參數置以數字的形式保存在24LC024板卡信息串行EEPROM中。表1～2中的通用可編程控制I/O端口(General Purpose Input Output,GPIO)[3]，共32 bit，即IO_tx_15～IO_tx_0和IO_rx_15～IO_rx_0。信號發/收時主板通過該端口頻繁給射頻子板控制命令。

表1 主板對發射TX接口主要有效信號引腳定義

表2 主板對接收RX接口主要有效信號引腳定義

2 射頻子板電路原理

2.1 無線接收RX電路工作原理

射頻子板接收RX電路原理如圖2所示。圖中頻率合成器ADF4350，是一款內置片上低噪聲壓控振蕩器VCO的鎖相環PLL，VCO的輸出基波頻率范圍2.2～4.4 GHz[9]。ADF4350有一個SPI串行總線接口，根據需要進行數字編程參數設置。支持137.5～4 400 MHz范圍內的連續調諧頻率輸出。ADF4350提供兩個射頻差分信號輸出端口，可對輸出功率進行數字編程。鎖定狀態指示和數字編程選擇的多路輸出接口，可指示出內部各電路的工作狀態。

圖2 射頻子板無線接收RX電路原理

射頻放大器MGA82563工作帶寬為0.1～6 GHz[10]，增益大于等于17 dB。AS225-313為頻帶0.1～6 GHz的單刀雙擲電子開關[11]，利用數字信號就可方便地實現開關的切換控制。HMC624LP4E為數控衰減器[12]，其控制方式分為串行控制和并行控制，射頻子板采用并行數字編碼控制方式，可控衰減范圍在0～31.5 dB，最小步進衰減為0.5 dB。ADL5380是寬帶正交I/Q下變頻解調器[13]，采用4.75～5.25 V單電源供電，涵蓋從400 MHz～6 GHz的射頻輸入頻率范圍。差分射頻輸入提供功能良好的50 Ω寬帶輸入阻抗，射頻子板采用1∶1巴倫驅動。通過控制ADL5380的調節引腳ADJ，改善3階截距控制互調的產生。在正交I/Q變頻解調器的2路輸出均連接了5階巴特沃斯低通濾波器[14]，濾波器截止頻率為fc=40 MHz。ADA4927為低噪聲、超低失真、高速、電流反饋型差分放大器[15]，適合驅動分辨率為16 bit 100 MHz的高性能A/DC，它有2個電壓反向輸出和1個附加UOCM輸入，采用2個反饋環路來控制差分和共模輸出電壓。共模反饋環路為內置，使用電壓反饋架構且僅控制共模輸出電壓。輸出共模電壓由內部共模環路強制設定等于UOCM的輸入電壓。輸出共模電平可以與所需A/D輸入共模電平實現匹配，且內部共模反饋環路可提供輸出平衡并能抑制偶數階失真產物。在ADA4927的正交I/Q 2路輸出端，均連接了3階巴特沃斯低通濾波器，以進一步濾除雜波。由于變頻解調器濾波器截止頻率為fc=40MHz，為了使有用信號不再衰減，該濾波器截止頻率設計為fc=50 MHz。

2.2 無線發射TX電路工作原理

射頻子板發射TX電路原理如圖3所示。該電路通過發/收選擇可實現射頻發射和接收天線共享。因為其頻率合成器、收/發選擇電子開關、數控衰減器、電源等電路的設計方法與圖2無線接收RX電路中同類電路的相同，故不再贅述。

ADL5375是寬帶正交上變頻調制器[16]，工作頻率范圍400～6 GHz。相位精度與幅度平衡適合于通信系統中高性能的中頻或射頻調制。研制射頻子板時考慮到D/A與正交調制器間的直流偏置電壓差越小信號傳輸損失就越小，選定ADL5375-05型正交調制器應用于設計。該器件具有寬基帶，輸出增益平坦度在450 MHz～3.8 GHz范圍內變動幅度不超過1 dB。ADL5375-05可接收雙路差分基帶50 Ω阻抗輸入，輸出為50 Ω阻抗的單端口。由于主板D/AC輸出的是差分模擬電流，而ADL5375-05要求的是電壓輸入，因此在2路輸入前利用電阻網絡進行I/U變換及阻抗匹配，且為了濾除D/A轉換的雜波，利用截止頻率fc=40 MHz的5階巴特沃斯低通濾波器對信號進行濾波。射頻子板的TX電路中設計了2個放大器，GVA-84射頻放大器[17]為達林頓改進形式的單片放大器，5 V電源供電情況下，在100 MHz～4.4 GHz頻率范圍內增益優于14 dB。PHA-1功率放大器[18]，它是輸出阻抗為50 Ω的超高動態范圍單片放大器，5 V電源供電情況下，在100 MHz～4.4 GHz頻率范圍內增益優于10 dB。

圖3 射頻子板無線發射TX電路原理

3 主板對射頻電路控制方法

3.1 通用I/O可編程控制端口

通用I/O可編程控制端口GPIO，任務是負責發送/接收通道的射頻管理和控制，主板通過GPIO對電源轉換器、頻率合成器、頻率調制器/解調器和數控衰減器的控制。在主板和射頻子板中都明確劃分出了發送通道與接收通道，GPIO對應的射頻功能引腳名稱及功能表3～4[7]。實驗平臺對影響全局信號的控制接口操作方式如下。

時鐘濾波接入選擇控制LO_LPF_EN，無論是發射電路還是接收電路，只有在射頻頻率低于1.2GHz時，才考慮給頻率合成器的輸出接入濾波器，當LO_LPF_EN為高電平時將插入濾波器。天線發/收選擇控制信號TR為高電平時，發/收共用天線作為發射天線，否則作為接收天線。接收通道選擇控制信號LNA為低電平時，射頻輸入選擇專用接收天線通道。當LNA為高電平且TR為低電平時，射頻輸入選擇發/收共用天線通道。電源使能控制EN_PWR為高電平時關斷電路直流供電電源，為低電平時則開啟電源；上變頻正交調制器工作使能控制EN_TX為高電平時禁止輸出，低電平時正常輸出；頻率合成器時鐘工作使能控制CE_TX為低電平時，電路停止頻率合成器工作，高電平時恢復工作。頻率合成器時鐘靜音使能控制PDBRF_TX為低電平時，電路雖然在正常工作但輸出被關斷，為高電平時才能有輸出。數字衰減控制信號ANTTN5～ANTTN0為正邏輯信號，衰減范圍在0～31.5 dB內可按照0.5 dB步進數字編碼任意控制。

表3 發送通道GPIO接口

表4 接收通道GPIO接口

3.2 主板通過GPIO對射頻電路的控制

主板對射頻電路實施控制需通過FPGA內定義的32 bit GPIO接口，GPIO邏輯工作原理如圖4所示。

圖中每個32 bit I/O口分為高/低各16 bit，對應發送子板和接收子板的GPIO接口。在FPGA內定義了一個32 bit設置寄存器組SR_GPIO，是掛接Wishbone總線上Setting bus功能模塊下的子單元模塊[3,19]，訪問SR_GPIO寄存器組需通過(Zylin CPU, ZPU)[3,20]操作，使用子功能單元尋址方法。在寄存器組SR_GPIO中定義了5個32 bit寄存器為：1個DDR和4個ATR寄存器。DDR寄存器用于確定FPGA的I/O口O/I狀態，bit為0時為輸出口、1時為輸入。4個32 bit ATR寄存器，分別存儲發送/接收子板常用4種設置信息，分為空閑ATR_idel、接收ATR_rx、發送ATR_tx、雙工ATR_fdx等狀態，其內容需根據表1和表2功能預先設置。在射頻收/發期間4個ATR寄存器具體由哪一路輸出，由tx和rx信號選擇。tx和rx是高速端口送來的控制信號，改變tx和rx的邏輯狀態組合，就可實現射頻電路工作方式的快速轉換。

圖4 實驗平臺主板的FPGA內GPIO接口控制邏輯原理

主板對射頻電路的控制，除上述4種常用狀態的轉換控制工作方式之外，還可以通過操作用戶設置寄存器Nsgpio16LE實現非常規任意收發狀態的切換。這時GPIO的輸出可由用戶定義Nsgpio16LE寄存器狀態決定。為了確定設備是什么方式控制，在Nsgpio16LE寄存器組中設計了輸出選擇狀態寄存器dbg，以及配套的控制寄存器ctrl。當ctrl寄存器某一bit為1時，采用快速轉換控制，即該bit的值由ATR寄存器決定；當該bit為0時，設備收/發由用戶定義的狀態寄存器dbg去控制。再有，GPIO既可以用于向射頻板寫入配置信息并可回讀，也可以把配置信息和輸入的頻率鎖定指示等引腳全部信息，送到用戶定義的回讀寄存器中，再通過命令執行高速響應，送入控制命令應答寄存器中，供進一步管理和控制使用。

4 結 語

本文分析了實驗平臺中射頻子板電路工作原理，以及主板對射頻子板實施的管控方法。主板與射頻子板相互配合，可方便地實現雙頻雙工/半雙工、單頻雙工/半雙工、單獨發射或單獨接收等通信方式，收發增益可數字控制，射頻收/發電路的頻率可通過SPI串行總線隨時設置，射頻頻帶范圍寬達4 GHz。射頻子板在電路設計上采用了寬帶與模塊化思想，在管理操作方面采取接力式的層級控制方法，應用靈活適應性強。掌握射頻子板工作原理及管控方法，不僅有助于全面理解軟件實驗平臺的系統工作原理，而且為個性化地開展創新實驗教學奠定了基礎。通過連續幾篇文章的介紹，可以系統地掌握實驗平臺硬件工作原理，讀者只需將實驗平臺硬件進行軟件驅動映射，轉化為應用程序接口，就能開展具有創新特色的軟件無線電開發。