簡介

如今，無線系統(tǒng)無處不在，無線設(shè)備和服務(wù)的數(shù)量持續(xù)增長。設(shè)計完整的RF系統(tǒng)是一項跨學(xué)科設(shè)計挑戰(zhàn)，模擬RF前端是其中最關(guān)鍵的部分。然而，AD9361等集成RF收發(fā)器的推出顯著減少了此類設(shè)計的RF挑戰(zhàn)。這些收發(fā)器可為模擬RF信號鏈提供數(shù)字接口，允許輕松集成到ASIC或FPGA，進行基帶處理。基帶處理器（BBP）允許在終端應(yīng)用和收發(fā)器設(shè)備之間的數(shù)字域中處理用戶數(shù)據(jù)。此外，使用Simulink等系統(tǒng)建模工具可以輕松完成基帶處理器設(shè)計。然而，新手用戶可能會發(fā)現(xiàn)難以理解和解決這個通信系統(tǒng)難題。本文嘗試為無線傳輸通信系統(tǒng)設(shè)計和實施簡單的RF基帶處理器。設(shè)計使用AD9361 FPGA參考設(shè)計框架，在AD-FMCOMMS2-EBZ和Xilinx? ZC706平臺上實施。

本文第一部分詳細(xì)描述該基帶處理器的一般設(shè)計原則。該部分主要是BBP的理論介紹。在第二部分，使用ADI公司的AD9361FPGA參考設(shè)計討論BBP的實際硬件實施。值得注意的是，主要設(shè)計目標(biāo)是使設(shè)計盡可能簡單，并在實驗室環(huán)境中演示快速無線數(shù)據(jù)傳輸。在使用和干擾RF頻譜時，須考慮到法規(guī)及其他影響。

基本設(shè)計

典型的RF系統(tǒng)如圖1所示，直接RF系統(tǒng)除外。該圖1僅顯示了單個數(shù)據(jù)路徑，反方向是該數(shù)據(jù)路徑的鏡像圖像。本文中提出的相關(guān)基帶處理器允許對數(shù)據(jù)進行處理，以使其在兩個RF系統(tǒng)之間進行無線傳輸。下文討論了基本設(shè)計要求。

圖1. RF系統(tǒng)框圖

在兩個正交信號I&Q上重復(fù)數(shù)據(jù)

注意，載波相互獨立且彼此不同步。因此，發(fā)射和接收載波之間存在相位和頻率偏移。這將對接收器的解調(diào)產(chǎn)生不利影響。一個重要問題是信號反轉(zhuǎn)，正交信號可能會反轉(zhuǎn)其作用，因為偏移會定期合并和漂離。克服這種不確定性的簡單方法是在兩個正交信號上重復(fù)相同數(shù)據(jù)。

以串行形式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)（按位）

大多數(shù)情況下，與BBP連接的RF前端接口是DAC和ADC。這些是模擬信號的數(shù)字接口。因此，不能簡單地將數(shù)據(jù)發(fā)送到DAC輸入，并預(yù)計在ADC輸出端獲得相同數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)以串行形式發(fā)射，將單個位數(shù)據(jù)映射到DAC的全部分辨率。同樣，數(shù)據(jù)以串行形式接收，從ADC的全部分辨率解映射。這提供了充足的冗余。如果這些是16位轉(zhuǎn)換器，則接收器將從可能的65536數(shù)據(jù)集中決定1或0。僅這一點，便可以顯著簡化解碼。

I&Q信號相互正交

RF前端設(shè)備（如AD9361）是I/Q收發(fā)器。如果輸入是正交信號，這些設(shè)備最有效。這些設(shè)備通常沿兩個數(shù)據(jù)路徑進行內(nèi)部I/Q匹配和校正，以抵消二者之間的任何差異。規(guī)則是，實部（I）信號是余弦函數(shù)，虛部（Q）信號是正弦函數(shù)。

調(diào)制方案是BPSK

可以部署信號幅度、頻率或相位調(diào)制的所有常見方法。檢測相位差異相對來說更加簡單。由于數(shù)據(jù)以串行形式傳輸，因此必然會選擇二進制相移鍵控（BPSK）。

位間隔是8個樣本

數(shù)據(jù)需要時序信息，位間隔。可能的最大位間隔是采樣周期。為了使接收器保持簡單，需要足夠的時間來解碼信號并做出決定。最簡單的時序恢復(fù)方法是零交越和峰值檢測。在這種情況下，峰值將不一致。因此，選擇零交越進行位間隔檢測和跟蹤。兩種系統(tǒng)之間也存在載波差異。在某些情況下，在用戶數(shù)據(jù)的任意端，樣本可能模糊不清。為每半個正弦信號留出4個樣本，位間隔設(shè)置為8個樣本。因此，有效的傳輸速率是采樣頻率除以8。

? ? ?數(shù)據(jù)沒有直流成分

時序和相對相位恢復(fù)以信號的零交越為基礎(chǔ)。因此，單個信號需要不含任何直流成分。此外，要求信號每隔一個位間隔允許至少一個零交越。正弦信號兼具兩者的屬性，并且非常符合上述BPSK調(diào)制方案要求。

數(shù)據(jù)已加擾

用戶數(shù)據(jù)是任意的很可能是一長串1或0。數(shù)據(jù)需要加擾，以便在接收器端恢復(fù)時序和相位，從而更高效地跟蹤信號。

數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式傳輸

由于系統(tǒng)彼此不同步，因此接收器的信號會存在幅度、頻率和相位誤差。解調(diào)信號是發(fā)射信號相對于本地載波發(fā)生相位變化的信號。載波可能會跟蹤一段時間，選取數(shù)據(jù)，然后再跟蹤。因此，設(shè)計需要做好部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失的準(zhǔn)備。為此，數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式傳輸。可重復(fù)傳輸多個數(shù)據(jù)包，而非整個數(shù)據(jù)。

使用CRC驗證數(shù)據(jù)包

數(shù)據(jù)包攜帶循環(huán)冗余校驗（CRC）碼，因此如果存在不匹配，則允許接收器丟包，并請求再次發(fā)送。

在每個前同步碼期間完成時序和相位校正

數(shù)據(jù)包表頭攜帶前同步碼，用于將其從接收到的數(shù)據(jù)流中劃分出來。此外，接收器使用該前同步碼復(fù)位信號的時序和相位信息，以解調(diào)數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)。

內(nèi)置性能指標(biāo)

接收器也支持統(tǒng)計計數(shù)器，如接收到的、丟棄的或校正的數(shù)據(jù)包數(shù)量。這些計數(shù)器用于衡量和監(jiān)控性能指標(biāo)，包括誤碼率和有效數(shù)據(jù)速率。

總而言之，數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)包以串行形式發(fā)送和接收。數(shù)據(jù)包攜帶前同步碼和CRC。數(shù)據(jù)在收發(fā)器設(shè)備前的中間正交信號上經(jīng)過BPSK調(diào)制和解調(diào)。因此，中間信號頻率和數(shù)據(jù)的位速率是采樣速率的八分之一。基帶處理器模塊及上述設(shè)計細(xì)節(jié)如圖2和3所示。

圖2. BBP發(fā)送功能框圖

圖3. BBP接收功能框圖

發(fā)送器讀取數(shù)據(jù)字節(jié)（字符寬度），并將其轉(zhuǎn)換為帶有表頭或前同步碼的數(shù)據(jù)包。將CRC添加到數(shù)據(jù)包末端。然后，對數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)進行加擾和串行處理。在連接到收發(fā)器之前，單個位數(shù)據(jù)相位調(diào)制余弦（I）和正弦（Q）函數(shù)。

在接收方向，離線模塊恢復(fù)并跟蹤時序間隔和調(diào)制信號的相對相位。該信息用于從輸入的ADC樣本中恢復(fù)串行數(shù)據(jù)。然后組裝到數(shù)據(jù)包，并進行解擾。在數(shù)據(jù)包結(jié)束時，比較CRC，如果不匹配，則丟棄數(shù)據(jù)包。如果CRC匹配，數(shù)據(jù)傳遞給終端用戶。

實現(xiàn)

BBP設(shè)計在硬件中實施和測試。硬件是兩個評估板的組合：具有Zynq FPGA設(shè)備的Xilinx ZC706評估板，以及具有AD9361收發(fā)器的AD-FMCOMMS3-EBZ評估板。ADI提供支持該硬件的完整參考設(shè)計。該開源設(shè)計在主要工具版本中免費提供，可獲得完全支持和更新。硬件詳細(xì)信息參見下列URL：

ZC706

AD-FMCOMMS3-EBZ

Zynq SOC

AD9361

ADI GitHub庫

ZC706和AD-FMCOMMS3-EBZ HDL參考設(shè)計

AXI AD9361 IP

ADI參考設(shè)計是支持Linux?框架的嵌入式系統(tǒng)。包含圍繞ARM?處理器的各種外設(shè)。AD9361設(shè)備連接到axi_AD9361 IP外設(shè)。它在RF設(shè)備和系統(tǒng)存儲器之間傳輸原始采樣數(shù)據(jù)。外設(shè)和設(shè)備通過Linux內(nèi)核驅(qū)動程序進行初始化和控制。BBP則作為連接到axi_AD9361的另一個IP外設(shè)。出于歷史原因，BBP IP命名為axi_xcomm2ip。Linux中的用戶空間應(yīng)用程序用于在系統(tǒng)之間控制、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

在ADI參考設(shè)計中，在發(fā)送方向，axi_AD9361 IP連接到解包模塊（util_upack），在接收方向，連接到打包模塊（util_cpack）。在發(fā)送方向，BBP數(shù)據(jù)插入解包模塊和AD9361內(nèi)核之間。為了使其不影響默認(rèn)數(shù)據(jù)路徑，BBP支持可選的數(shù)據(jù)路徑多路復(fù)用器，以選擇解包數(shù)據(jù)源或BBP數(shù)據(jù)源。BBP允許參考設(shè)計數(shù)據(jù)路徑作為默認(rèn)路徑，并僅在啟用時選擇BBP數(shù)據(jù)源。在接收方向，BBP僅連接到AD9361內(nèi)核。參考設(shè)計數(shù)據(jù)路徑不受影響。這允許框架不受妨礙地引導(dǎo)和設(shè)置系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)置后，啟用BBP，可通過覆蓋默認(rèn)數(shù)據(jù)路徑來進行數(shù)據(jù)傳輸。以ADI參考設(shè)計實施的BBP的框圖如圖4所示。

圖4. BBP IP框圖

本文中討論的設(shè)計、初始化和數(shù)據(jù)傳輸使用一對這種硬件。設(shè)置僅需一對HDMI?監(jiān)視器、鍵盤和鼠標(biāo)及天線。系統(tǒng)彼此完全不同步，但需要相同設(shè)置。在每個方向，數(shù)據(jù)在不同載波上傳輸。設(shè)備1的發(fā)射載波頻率和設(shè)備2的接收載波頻率相同，但在另一個方向上不同。然而，如果回送中使用單個設(shè)備，發(fā)射和接收載波必須具有相同的頻率。BBP的HDL設(shè)計采用ADI庫模塊。

表1. BBP寄存器映射

控制（微處理器）接口

AXI-Lite接口用于通過處理器控制和監(jiān)控BBP。使用ADI公共庫（hdl/library/common/up_axi.v）中的up_axi模塊，可以輕松推斷該接口模塊。該模塊將AXI-Lite接口轉(zhuǎn)換為簡單內(nèi)存，如讀取和寫入總線。和任何其他ADI IP一樣，添加內(nèi)部寄存器和內(nèi)存。寄存器映射如表1所示。

up_axi模塊端口及其端口映射如下所述。

up_rstn：AXI接口復(fù)位（異步低電平有效），連接到s_axi_aresetn。

up_clk：AXI接口時鐘，連接到s_axi_aclk。

up_axi_*：AXI接口信號，連接到等效s_axi_*端口。

up_wreq， up_waddr， up_wdata， up_wack：內(nèi)部寫入接口，up_wreq信號與地址和數(shù)據(jù)一同置位，以指示寫入請求。請求需要通過up_wack端口應(yīng)答。

如下所示，實施簡單的寄存器寫入。

always @（negedge up_rstn or posedge up_clk）

begin

if （up_rstn == 0） begin

up_wack up_reg0 end else begin

up_wack if （（up_wreq_s == 1’b1） && （up_waddr == UP_

REG0_ADDRESS）） begin

up_reg0 end

end

end

模塊在二者之間執(zhí)行地址轉(zhuǎn)換。AXI接口使用字節(jié)地址，但內(nèi)部總線使用DWORD地址。結(jié)果是，up_axi模塊丟棄AXI地址的兩個最低有效位，以生成內(nèi)部DWORD地址。

up_rreq， up_raddr， up_rdata， up_rack：內(nèi)部讀取接口，up_rreq信號與地址一同置位，以指示讀取請求。請求需要與讀取數(shù)據(jù)一同通過up_rack端口應(yīng)答。

如下所示，實施與上述相同的寄存器用于讀取。

always @（negedge up_rstn or posedge up_clk）

begin

if （up_rstn == 0） begin

up_rack up_rdata end else begin

up_rack if （（up_rreq_s == 1’b1） && （up_raddr == UP_

REG0_ADDRESS）） begin

up_rdata end else begin

up_rdata end

end

end

相同地址轉(zhuǎn)換也適用于讀取。讀取數(shù)據(jù)僅在請求時驅(qū)動，否則設(shè)置為零。這是因為up_axi模塊將單個讀取數(shù)據(jù)從各個地址組傳遞到OR門。因此，未選擇的地址組需要驅(qū)動讀取數(shù)據(jù)零。

如上方寄存器映射表中所列，BBP有三個地址空間。常見寄存器空間映射至0x000、發(fā)送（DAC）映射至0x800 （0x200），接收（ADC）映射至0xC00 （0x300）。軟件（Linux用戶空間應(yīng)用程序）應(yīng)當(dāng)將發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)寫入緩沖器，并從另一個緩沖器中讀取接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包大小選擇為32字節(jié)，帶有3字節(jié)前同步碼和1字節(jié)CRC。

數(shù)據(jù)接口

對于接收和發(fā)送方向的兩個通道，AD9361接口內(nèi)核包含兩對16位I/Q數(shù)據(jù)。內(nèi)核按照與AD9361數(shù)字接口相同的時鐘運行。在2R2T模式下，這是采樣速率的4倍。在1R1T模式下，這是采樣速率的2倍。有效數(shù)據(jù)速率由有效信號控制。因此在2R2T模式下，每4個時鐘置位一次有效。在1R1T模式下，每2個時鐘置位一次有效。BBP旨在支持2R2T和1R1T模式。它使用單個發(fā)送和接收通道。內(nèi)部邏輯在2R2T和1R1T模式下以采樣速率運行。然后，BBP在其時鐘頻率下，通過接口內(nèi)核傳輸數(shù)據(jù)。這樣是為了在BBP內(nèi)演示時鐘轉(zhuǎn)換。在許多情況下，用戶可能希望無論收發(fā)器的接口速率如何，都能在采樣速率下運行BBP邏輯。

使用Xilinx基元BUFR和BUFG，生成采樣頻率內(nèi)部時鐘。BUFR是分壓器，BUFG是高扇出時鐘緩沖器。為此，也可以使用MMCM。如下所示，生成內(nèi)部時鐘。

parameter XCOMM2IP_1T1R_OR_2T2R_N = 0;

localparam XCOMM2IP_SCLK_DIVIDE =

（XCOMM2IP_1T1R_OR_2T2R_N == 1） ？ “2” ： “4”;

BUFR #（.BUFR_DIVIDE（XCOMM2IP_SCLK_DIVIDE））

i_bufr （

.CLR （1’b0），

.CE （1’b1），

.I （clk），

.O （s_clk_s））;

BUFG i_bufg （

.I （s_clk_s），

.O （s_clk））;

使用BUFR和BUFG可確保時鐘頻率鎖定，但會影響相位確定性。最大相位不確定性是單個接口時鐘周期。通過帶有同步信號的四級寄存器陣列，可以輕松補償該不確定性。然而，設(shè)計采用了雙端口RAM模塊來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。這也是為了展示常見信號處理要求的應(yīng)用實例。使用ADI庫內(nèi)存模塊（ad_mem）可以推斷出雙端口RAM元件。

發(fā)送接口

在發(fā)送方向，處理器將數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)寫入緩沖器（參見上方寄存器映射表）。然后，請求硬件發(fā)送該數(shù)據(jù)包。BBP將數(shù)據(jù)包連續(xù)發(fā)送給設(shè)備。在數(shù)據(jù)包開始時，檢查是否有任何請求。如果沒有待處理的請求，則發(fā)送空閑數(shù)據(jù)包。如果有請求等待處理，讀取并發(fā)送數(shù)據(jù)包緩沖器。

發(fā)送邏輯使用自由運行位計數(shù)器，按照位寬運行。當(dāng)位計數(shù)器為0x0時，更新緩沖器讀取地址。由于在數(shù)據(jù)包傳輸期間可能會隨時出現(xiàn)處理器請求，因此在數(shù)據(jù)包傳輸開始時會立即捕獲并清零。在數(shù)據(jù)包傳輸開始時，如果請求等待處理，則應(yīng)答回至處理器接口。利用請求在緩沖器數(shù)據(jù)或空閑數(shù)據(jù)之間進行選擇。

圖5. 發(fā)送數(shù)據(jù)路徑

數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)的前兩個字節(jié)設(shè)置為0xfff0。第三個字節(jié)用于表示空閑（0xc5）或數(shù)據(jù)（0xa6）數(shù)據(jù)包。CRC字節(jié)作為數(shù)據(jù)包的最后一個字節(jié)插入。CRC多項式為x8 + x2 + x + 1。除表頭外的所有字節(jié)已加擾。加擾多項式與SONET/SDH （x7 + x6 + 1）相同。

余弦和正弦查找表用于生成調(diào)制載波。在8個樣本中，位間隔等于完整的信號周期（0至2）。位數(shù)據(jù)用于反轉(zhuǎn)信號。然后，數(shù)據(jù)寫入小緩沖器，并使用接口時鐘，根據(jù)AD9361接口內(nèi)核中的有效信號讀取。

接收接口

在接收方向，針對表頭模式0xfff0，監(jiān)控I/Q數(shù)據(jù)。這種獨特的模式在數(shù)據(jù)包傳輸中只出現(xiàn)一次。可以發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)，以使加擾器輸出重復(fù)該模式。軟件會限制并阻止該做法。12個連續(xù)位間隔的該系列同相數(shù)據(jù)序列用于通過時序恢復(fù)模塊復(fù)位并跟蹤接收器時序和相位。因此，將復(fù)位其時序計數(shù)器并將其相位值設(shè)置為0x1。該序列后的第一個反轉(zhuǎn)被視為0x0。在此之后，時序恢復(fù)模塊在整個數(shù)據(jù)包傳輸過程中保持其狀態(tài)不變。

數(shù)據(jù)恢復(fù)模塊計算信號的平均值，并決定信號的當(dāng)前相位。然后，與時序恢復(fù)模塊跟蹤的相對相位進行比較。如果發(fā)生沖突，根據(jù)過去的信號變化做決定。這是因為沖突通常是由相位切換引起的。

圖6. 接收數(shù)據(jù)路徑

然后，解調(diào)的位數(shù)據(jù)組裝到字節(jié)，并進行解擾。如果傳輸緩沖器為空，則數(shù)據(jù)寫入傳輸緩沖器。在數(shù)據(jù)包結(jié)束時驗證CRC。如果匹配且傳輸緩沖器已寫入，則通知處理器接口。軟件應(yīng)當(dāng)監(jiān)控該請求，如果已設(shè)置，通過讀取其內(nèi)容來清空緩沖器。然后，必須清除請求，以便繼續(xù)進行數(shù)據(jù)包傳輸。