基于ADRV9009 的便攜式測控數(shù)傳測試設(shè)備設(shè)計

張德智,李金龍,宋兆涵

(中國運載火箭技術(shù)研究院,北京 100076)

1 引言

測控數(shù)傳測試設(shè)備是飛行器測控通信測試系統(tǒng)和整器測試系統(tǒng)的重要組成部分,除完成分系統(tǒng)通信功能和鏈路指標測試驗證外,還承擔整器大型地面試驗過程中遙測數(shù)傳數(shù)據(jù)獲取以及指令上注等功能。地面測試設(shè)備已經(jīng)在向標準化、集成化、智能化和體系化方向發(fā)展[1],以PXI 總線和VPX 總線架構(gòu)為代表的通用測控數(shù)傳基帶設(shè)備已經(jīng)成為型號測試的主力設(shè)備,上述設(shè)備雖然功能齊全、性能可靠,但存在著設(shè)備尺寸大、重量重、耗電大及轉(zhuǎn)場、轉(zhuǎn)運不靈活的問題,導致外場測試使用困難。因此有必要研究結(jié)構(gòu)輕巧的便攜式測控數(shù)傳測試設(shè)備,在具有傳統(tǒng)設(shè)備功能的同時,更具有便捷性和重構(gòu)性,能夠承擔復雜環(huán)境下的飛行器外場測試任務[2]。

近年來,隨著現(xiàn)代集成電路技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字信號處理技術(shù)的應用,以Analog Devices(AD)公司AD9371/AD9375 系列芯片和新推出的ADRV9009 為代表的數(shù)字捷變頻芯片大量出現(xiàn),這類芯片成本低、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、性能先進、設(shè)計高度集成化,已在通信和雷達系統(tǒng)中得到了大量應用[3,4]。因此,采用基于ADRV9009 的捷變頻設(shè)計形式,將傳統(tǒng)測控數(shù)傳測試設(shè)備分立設(shè)計的信號放大、濾波、變頻、基帶采樣、信號抽取等環(huán)節(jié)合并至一片ADRV9009 芯片中[5],實現(xiàn)了設(shè)備的高度集成化和小型化設(shè)計。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

2.1 設(shè)計需求分析

根據(jù)任務需要,本測試設(shè)備產(chǎn)生1 路上行遙控信號和3 路測量信號,共用點頻f1使用碼分多址方式進行區(qū)分,具有遙控自閉環(huán)功能,可對發(fā)出的遙控信號進行一致性比對;接收1 路下行遙測信號和1 路測量信號,共用點頻f2使用碼分多址方式進行區(qū)分,具有遙測模擬源功能進行遙測通道閉環(huán)檢測;接收1 路下行數(shù)傳信號,使用點頻f3,具有數(shù)傳模擬源功能進行數(shù)傳通道閉環(huán)檢測。遙測、遙控信號帶寬為20 MHz,數(shù)據(jù)速率不大于16 kbps,數(shù)傳信號碼速率為2.048 Mbps,遙測與數(shù)傳分時工作,設(shè)備與飛行器外場無線通信距離不低于2 km。

2.2 架構(gòu)設(shè)計

針對上述需求,采用Zynq7100+ADRV9009 的軟硬件結(jié)合設(shè)計方案,由Xilinx 公司的Zynq7100 系列SoC(Xc7z100ffg900-2)做信號處理平臺,AD 公司的ADRV9009 實現(xiàn)無線信號的收發(fā)調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)采樣。

Zynq7100 系列SoC 由可編程邏輯(Programmable Logic,PL)系統(tǒng)以及處理器系統(tǒng)(Processing System,PS)緊密結(jié)合而成,滿足嵌入式系統(tǒng)靈活性更高、可配置性更高、功耗更低、運行效率更高的使用需求[6]。PL 部分提供足夠的FPGA 設(shè)計資源進行邏輯開發(fā),采用HDL(Hardware Description Language)語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)的調(diào)制、解調(diào)、編碼等物理層協(xié)議;PS部分由Zynq7100 的雙核ARM 作為CPU,運行用戶C/C++語言編寫的嵌入式軟件[7],完成軟件接口、底層驅(qū)動與功能配置開發(fā),實現(xiàn)對外設(shè)芯片的配置及對外網(wǎng)絡(luò)通信。

2.3 器件主要參數(shù)

ADRV9009 芯片支持雙通道收發(fā),收發(fā)通道共用點頻,最大采樣率為491.52 Msps,最大接收帶寬為200 MHz,最大可調(diào)諧發(fā)射器合成帶寬為450 MHz,調(diào)諧范圍為75～6 000 MHz,同時器件擁有自動和手動衰減控制、直流失調(diào)校正、正交誤差校正(QEC)和數(shù)字濾波功能[8],采樣率、帶寬等性能參數(shù)符合使用要求,且預留了后續(xù)更高速率數(shù)傳的升級空間。根據(jù)任務需求,需要使用兩片ADRV9009 芯片,一片作為遙控和3 路測量信號的發(fā)射及自閉環(huán)接收;一片作為遙測和1 路測量信號的接收及遙測模擬源發(fā)射,同時分時復用接收數(shù)傳信號產(chǎn)生數(shù)傳模擬源。

Zynq7100 系列SoC 的PS 核心是主頻800 MHz的雙核ARM(CortexA9)處理器系統(tǒng),可支持DDR3、串口、SPI、SD Card、USB 2.0、Ethernet 等多種外設(shè),可通過AXI4 協(xié)議實現(xiàn)PS 與PL 之間的高速數(shù)據(jù)交互。PL 系統(tǒng)邏輯資源如表1 所示,具有豐富的LUT(查找表)、DSP(數(shù)字信號處理)和MMCM(時鐘管理)資源,GTXE(高速傳輸接口)收發(fā)速度可達12.5 Gbps,可滿足本任務使用要求。

表1 Zynq7100 系列PL 資源Tab.1 PL resources of Zynq7100 series

2.4 鏈路復核

ADRV9009 芯片最大輸出功率Pout=10 dBm,前端巴倫損耗Gloss=2 dB,發(fā)射端可調(diào)衰減范圍Atten=(0～30) dB,接收端最大容忍電平Pglmax=-11 dBm,接收噪聲系數(shù)Nf=13 dB,接收端可調(diào)衰減范圍為0～45 dB。地面發(fā)射天線增益Gtg=5 dB,地面接收天線增益Grg=5 dB。飛行器上發(fā)射EIRP(Equivalent Isotropically Radiated Power)為35 dBm,接收機靈敏度Psmin=-112 dBm,器上接收天線增益Grs=3 dB,通信距離R=2 km。

遙控信號接收電平按公式(1) 計算,其中,f1為通信頻率(單位Hz),c為光速(單位m/s),相比接收靈敏度Psmin=-112 dBm,電平有23 dB 余量。

地面接收信號Eb/N0按公式(2) 計算,接收機噪底N0=-174 dBm/Hz,解調(diào)損失Loss=3 dB,Rb為信息傳輸速率(bps),π 為常數(shù),相比誤碼率Pe=10-5所需的10.6 dB 門限要求,解調(diào)有11.4 dB 余量,故接收端可以不額外使用LNA(Low Noise Amplifier),可進一步簡化接收鏈路設(shè)計,有利于產(chǎn)品小型化設(shè)計。

自閉環(huán)通道接收電平Pglin按公式(3)計算,Attmax為發(fā)射端最大衰減值為30 dB,因此相比Pglmax=-11 dBm的通道接收上限,電平有13 dB 余量,不會損壞接收設(shè)備。

綜上分析,選用芯片的參數(shù)指標可滿足任務無線傳輸需求。

3 硬件設(shè)計

設(shè)備硬件采用“載板+FMC(FPGA Mezzanine Card)子卡”的設(shè)計形式,如圖1 所示,FMC 子卡承擔射頻信號收發(fā)處理,載板負責數(shù)字信號處理與對外通信。

FMC 子卡主要包含兩片ADRV9009 芯片和高性能鎖相環(huán)芯片LMK04610 組成。發(fā)射通道由ADRV9009 將載板送來的基帶信號進行采樣率變換、DAC 轉(zhuǎn)換和濾波處理后上變頻至發(fā)射點頻,通過寬帶巴倫將差分信號轉(zhuǎn)換成單端信號經(jīng)SMA 接口對外輸出。接收通道使用寬帶巴倫將SMA 接口送來的單端信號進行差分轉(zhuǎn)換,送至ADRV9009 進行下變頻、濾波和ADC 采樣后進行采樣率變換,送至載板進行后級信號處理。LMK04610 作為地面設(shè)備的時鐘基準,可外接參考輸入也可直接使用本地晶振,為兩片ADRV9009 提供高精度工作時鐘和SYSREF 信號實現(xiàn)片上同步,為載板Zynq7100 芯片提供高精度工作時鐘、MGT 高速收發(fā)接口時鐘和SYSREF 信號。

根據(jù)2.1 節(jié)需求分析,片1 的TX1 通道發(fā)射頻率為f1的上行遙控信號和3 路測量信號,TX2 發(fā)射通道預留,片1 的RX1 通道接收頻率為f1的遙控自閉環(huán)信號,片1 的RX2 接收通道預留,片上自帶的兩路ORX 通道不使用;片2 支持遙測接收和數(shù)傳接收兩種工作模式,通過PS 進行SPI 配置實現(xiàn)分時復用,遙測模式TX1 發(fā)射通道產(chǎn)生頻率為f2的遙測模擬源,RX1 通道接收頻率為f2的遙測信號,TX2 和RX2 預留,兩路ORX 通道不使用;數(shù)傳模式TX1 發(fā)射通道產(chǎn)生頻率為f3的數(shù)傳模擬源,RX1 通道接收頻率為f3的數(shù)傳信號,TX2 和RX2 預留,兩路ORX 通道不使用。

ADRV9009 芯片與載卡Zynq7100 芯片間使用JESD204B 接口進行ADC/DAC 數(shù)據(jù)高速傳輸。JESD204B 接口最高支持12.288 Gbps 高速數(shù)據(jù)傳輸,可極大簡化IO 布線數(shù)量,多路傳輸可自動時序?qū)R,自動修正信道偏移影響,從而顯著降低PCB布局面積和走線難度[9]。本設(shè)計中接收和發(fā)射通道采樣率fs=122.88 Msps,每片ADRV9009 發(fā)射和接收各有兩個通道,每個通道使用兩個ADC 和兩個DAC 進行正交采樣,因此采集設(shè)備數(shù)量M=4。每幀中采樣數(shù)S=1,ADC/DAC 采樣精度N=16 bit,JESD204B 采用8 b/10 b 編碼,若使用L=2 個Lane進行傳輸,則每個Lane 的速率按公式(4)計算。

載板主要由Zynq7100 及外設(shè)和接口設(shè)備組成,載板配置有33.333 MHz 晶振為Zynq7100 的PS 部分提供工作時鐘,配置有50 MH 晶振為PL 提供工作時鐘,配置有25 MHz 晶振為PHY 芯片提供工作時鐘。

Zynq7100 的PL 部分完成JESD204B 的協(xié)議轉(zhuǎn)換,并進行數(shù)據(jù)的調(diào)制、解調(diào)、信道編解碼、組幀等數(shù)字信號處理工作。PS 部分通過DDR3 外設(shè)訪問MT41K256M16TW 內(nèi)存芯片,該內(nèi)存作為PS 程序運行的存儲空間,大小為1 GB。PS 通過SPI 總線對兩片ADRV9009 芯片和鎖相環(huán)LMK04610 進行初始化和參數(shù)配置,實現(xiàn)遙測和數(shù)傳模式的切換。PS 通過串口外設(shè)及USB -串口轉(zhuǎn)換芯片,實現(xiàn)利用計算機USB 接口進行與設(shè)備的串口通信,實現(xiàn)程序的加載和在線調(diào)試及信息打印。PS 通過Ethernet 外設(shè)接口訪問88E1116 千兆以太網(wǎng)PHY 芯片,實現(xiàn)對外網(wǎng)絡(luò)通信,支持TCP 和UDP 協(xié)議。PS 通過SD 卡外設(shè)接口可訪問Micro SD 設(shè)備,將SDK 生成的Boot.bin 文件存儲到SD 卡中,可實現(xiàn)設(shè)備上電后程序自動加載和運行,通過更換SD 卡里的Boot.bin 文件內(nèi)容,可使設(shè)備工作于不同的功能,實現(xiàn)了設(shè)備軟件便捷升級。

4 軟件設(shè)計

4.1 軟件無線電設(shè)計

根據(jù)ADRV9009 芯片工作原理,其對輸入信號進行模擬直接下變頻和低通濾波后,形成相互正交的I/Q 兩路基帶信號,隨后進行ADC 采樣。這種零中頻處理方式相對于超外差結(jié)構(gòu)接收機去除了中頻處理環(huán)節(jié),可節(jié)省較多濾波和變頻組件,使得通道集成化程度進一步提升。缺點為模擬變頻存在I、Q 幅相不一致以及零頻漂移問題,特別是零頻漂移問題對弱信號接收解調(diào)產(chǎn)生不利影響,易產(chǎn)生誤碼。

為了降低零頻漂移對小信號的不利影響,可以采用數(shù)字中頻的方式進行載波偏置。設(shè)置本地接收載頻和真實信號頻率存在一個頻率偏差ωd,使用零中頻直接下變頻的物理結(jié)構(gòu)后會形成殘留載頻,數(shù)值為ωd,后續(xù)所有的信號處理環(huán)節(jié)均在中心頻率為ωd的數(shù)字域內(nèi)進行,通過增加少量的PL 邏輯資源開銷,可在保留零中頻接收機的優(yōu)點外同時額外獲取超外差接收機的優(yōu)秀特性。

對于發(fā)射端,設(shè)Ir(t)、Qr(t)信號為接收到的基帶信號,則ADRV9009 下變頻后輸出給Zynq7100 的基帶信號IB(t)、QB(t)形式為:

對于接收端,輸入信號S(t)可表示為正交復信號,即公式(7),其中,A(t)為基帶信號波形,θ為殘留相差。

因此,正交下變頻結(jié)構(gòu)如圖2 所示。對正交下變頻后的信號再進行濾波、積分清零、載波同步、位同步、幀同步等處理,可恢復出原始PCM 數(shù)據(jù)。

圖2 正交下變頻結(jié)構(gòu)Fig.2 Orthogonal downconversion block diagram

4.2 PS 軟件設(shè)計

設(shè)備加電初始運行后,自動從SD 卡中讀取Boot.bin 文件加載到程序運行空間中,從Main 函數(shù)開始執(zhí)行代碼,程序執(zhí)行過程如圖3 所示。

圖3 PS 程序執(zhí)行流程Fig.3 PS program execution flow chart

程序首先初始化Zynq GPIO 實例,明確相應管腳功能及輸入、輸出方向;然后初始化SPI 接口,明確時鐘及協(xié)議類型,針對不同對象配置相應SPI 數(shù)據(jù);初始化LMK04610 鎖相環(huán)實例,對其進行SPI 配置,設(shè)置對外輸出的時鐘頻率,為板載各器件分配時鐘;隨后對兩片ADRV9009 分別進行初始化,包括配置頻率特性、通道特性、FIR 濾波器特性、JESD204B 接口配置等內(nèi)容,SPI 配置完成后回讀查詢配置狀態(tài),若狀態(tài)符合則初始化成功,若不符合則復位芯片重新配置,最大允許重復配置次數(shù)255次,若始終無法完成正確配置則程序跳轉(zhuǎn)至打印錯誤日志,程序退出。

ADRV9009 芯片配置完成后,進行Zynq 中斷系統(tǒng)配置,分配中斷編號和關(guān)聯(lián)處理函數(shù);初始化各通道DMA 并使能通道傳輸;為設(shè)備指定IP 地址及端口,初始化LWIP 協(xié)議棧,作為Server 端監(jiān)聽端口連接,關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收、發(fā)處理函數(shù);用戶自定義程序段根據(jù)任務需要配置有網(wǎng)絡(luò)指令解析、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理等功能。初始化正確結(jié)束后進入While(1)循環(huán),在循環(huán)體內(nèi)部不斷進行網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)收發(fā)處理、DMA 數(shù)據(jù)傳輸、狀態(tài)監(jiān)視等內(nèi)容。

5 測試結(jié)果

研制的設(shè)備最終實物尺寸為30 cm×23 cm×3 cm,重量僅1.9 kg,通道主要功能測試結(jié)果如表2 所示。

表2 便攜式測控數(shù)傳測試設(shè)備測試情況Tab.2 Test of portable telecontrol telemetry and data transmission test equipment

遙控通道和遙測模擬源輸出頻譜截圖如圖4 所示,數(shù)傳信號頻譜圖和星座圖如圖5 所示。各發(fā)射通道指標優(yōu)于-30 dBm,帶外抑制優(yōu)于40 dB 指標要求,接收靈敏度優(yōu)于-75 dBm,功能指標符合使用要求。

圖5 數(shù)傳遙測模擬源頻譜圖和星座圖Fig.5 Data transmission simulated source spectrum &planisphere

6 結(jié)束語

通過軟硬件結(jié)合的設(shè)計形式,采用ADRV9009 +Zynq7100 系統(tǒng)架構(gòu),實現(xiàn)了遙控、遙測和數(shù)傳通道測試功能,并預留了后續(xù)功能、性能進一步升級的空間。實物測試表明,設(shè)備重量和體積相比傳統(tǒng)設(shè)計大幅減小,通道性能符合指標要求。該設(shè)備已應用于某型號外場天地對接測試和地面測試,在外場任務期間,設(shè)備工作穩(wěn)定、鏈路質(zhì)量良好。