基于AD9361的NB-IoT收發(fā)模塊開發(fā)

盧高健 徐蘭天

摘要：物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things，簡(jiǎn)稱IOT）是一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等的信息承載體，屬于一種小帶寬，低速率的信號(hào)制式。本文就如何通過AD9361[1]集成模塊對(duì)NB-IoT進(jìn)行收發(fā)功能開發(fā)，主要包括AD9361射頻寄存器配置，基于ZYNQ的基帶FPGA處理等。該模塊集成度高，體型小巧，經(jīng)過驗(yàn)證，能夠支持NB-IoT制式信號(hào)快速發(fā)射與解調(diào)測(cè)試。

關(guān)鍵詞： AD9361; NB-IoT收發(fā)測(cè)試; FPGA; ZYNQ

1.引言

物聯(lián)網(wǎng)作為最早由比爾蓋茨提出的網(wǎng)絡(luò)概念，目前已經(jīng)應(yīng)用在千家萬戶之中。物聯(lián)網(wǎng)的核心就是物與物、人與物之間的信息交互，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、交通、物流、安保等基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的應(yīng)用，有效的推動(dòng)了這些方面的智能化發(fā)展，方便了人們的生活，使得資源分配更加合理，從而提高了行業(yè)效率、效益。

為了開發(fā)出一款針對(duì)該通信制式的收發(fā)模塊，我們采用了ADI公司的AD9361芯片來進(jìn)行射頻收發(fā)處理，并且通過Xilinx公司的ZYNQ系列芯片來進(jìn)行基帶數(shù)據(jù)處理，最后將NB-IoT數(shù)據(jù)通過千兆網(wǎng)口與上位機(jī)進(jìn)行傳輸。

2.AD9361概述

AD9361作為ADI推出的一款面向3G和4G基站應(yīng)用的射頻收發(fā)器，具有高性能、高集成度的優(yōu)勢(shì)。AD9361的接收本振頻率為70MHz-6.0GHz，發(fā)射本振頻率為47MHz到6.0GHz，支持的最大通道帶寬為56MHz[2]，滿足NB-IoT制式信號(hào)的傳輸條件。圖1是包含AD9361芯片的fmc子卡的系統(tǒng)框圖，可以看到該芯片將整個(gè)射頻收發(fā)電路進(jìn)行了高度的集成，包括了低噪聲放大器、混頻器、低通濾波器、ADC/DAC模塊、SPI接口等模塊。

AD9361的寄存器配置主要有三個(gè)方面：基礎(chǔ)參數(shù)配置、傳輸參數(shù)配置、模擬參數(shù)配置。其中基礎(chǔ)參數(shù)配置是對(duì)整個(gè)芯片包括SPI[3]總線工作模式、使能狀態(tài)機(jī)（ENSM），收發(fā)通道選擇等進(jìn)行配置。傳輸參數(shù)配置即對(duì)傳輸過程中處于數(shù)字模塊的PLL模塊，濾波器模塊等單元進(jìn)行配置。模擬參數(shù)配置即對(duì)模擬信號(hào)部分如本振混頻模塊以及低噪放等模塊進(jìn)行配置。相應(yīng)寄存器值設(shè)置需要通過SPI串行總線進(jìn)行，一些寄存器包括收發(fā)本振頻率控制寄存器，收發(fā)增益控制寄存器等，程序中保留出相應(yīng)接口，通過上位機(jī)可以對(duì)其進(jìn)行靈活配置。

3.ZYNQ功能模塊配置

本文用到的基帶處理模塊由ZYNQ[4]系列FPGA芯片來進(jìn)行數(shù)據(jù)邏輯處理及傳輸。芯片型號(hào)為XC7Z100FFG900-2，內(nèi)部集成了兩個(gè)ARM Cortex-A9核和一個(gè)XC7K325T型號(hào)的FPGA，具有強(qiáng)大的軟件處理能力和邏輯處理能力，可以完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、主控及數(shù)字信號(hào)處理等功能。同時(shí)還有SPI、UART、SFP、HDMI、USB等數(shù)據(jù)接口與外設(shè)進(jìn)行通信，方便進(jìn)行功能擴(kuò)展。

基帶處理板的PL部分我們采用Verilog語(yǔ)言來實(shí)現(xiàn)AD9361寄存器配置以及數(shù)據(jù)收發(fā)處理。而PS部分采用C語(yǔ)言進(jìn)行網(wǎng)口通信以及與PL進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。本次使用Xilinx Vivado 2018.3集成開發(fā)環(huán)境來實(shí)現(xiàn)NB-IoT信號(hào)收發(fā)功能的實(shí)現(xiàn)。

程序燒寫啟動(dòng)后，首先通過SPI串行總線對(duì)AD9361芯片完成寄存器下發(fā)配置。接收數(shù)據(jù)模式下，AD9361芯片在完成AD采樣后經(jīng)過一系列配置好的FIR濾波器以及半帶濾波器將數(shù)據(jù)通過FMC傳給FPGA芯片，經(jīng)過IBUFDS[5]緩沖時(shí)進(jìn)行差分轉(zhuǎn)單端以及下變頻等流程。

在發(fā)送數(shù)據(jù)模式下，首先上位機(jī)將標(biāo)準(zhǔn)NB-IoT數(shù)據(jù)發(fā)送給PS端，然后再通過AXI總線傳給PL端。FPGA在接收到數(shù)據(jù)使能時(shí)先經(jīng)過一層FIFO核緩沖，轉(zhuǎn)成256位寬存進(jìn)DDR3中。存儲(chǔ)結(jié)束后循環(huán)將DDR3中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行下發(fā)，最后經(jīng)過OBUFDS模塊轉(zhuǎn)成差分?jǐn)?shù)據(jù)傳給AD9361芯片。

4.NB-IoT收發(fā)測(cè)試

本次測(cè)試采用回環(huán)方式對(duì)收發(fā)功能進(jìn)行測(cè)試，并且分別發(fā)送單音信號(hào)以及NB-IoT信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。啟動(dòng)上位機(jī)后控制1通道發(fā)射單音信號(hào)，設(shè)置輸出頻率為1GHz，信號(hào)功率為-10dBm，控制接收1通道頻率為1GHz，接收功率為0dBm，可以從上位機(jī)的頻譜窗口看到單音波形頻譜。上位機(jī)選擇NB-IoT波形后將調(diào)制開關(guān)打開，可以在頻譜窗口看到NB-IoT波形，并且可以看到信號(hào)解調(diào)指標(biāo)如圖2所示。

5.結(jié)論

本文是為了滿足目前物聯(lián)網(wǎng)測(cè)試日益增多的需求，從而設(shè)計(jì)了一款便攜式的NB-IoT收發(fā)測(cè)試模塊，該模塊尺寸小巧，便于攜帶，同時(shí)擁有兩發(fā)兩收的傳輸通道滿足并行收發(fā)測(cè)試的功能。目前該模塊還支持10MHz參考輸入輸出的功能，為NB-IoT 測(cè)試帶來更高的指標(biāo)需求和穩(wěn)定性。經(jīng)過單音信號(hào)以及NB-IoT調(diào)制信號(hào)的首發(fā)測(cè)試驗(yàn)證，本模塊對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)測(cè)試有較好的穩(wěn)定性，滿足測(cè)試需求，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用測(cè)試提供支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]郜澤.基于AD9361的軟件無線電硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2015.

[2]ADI.AD9361.Datesheet[EB/OL].2013.http：//www.analog.com/cn/products/rf-microwave/integrated-transceivers-transmitters-receivers/wideband-transceivers- ic/ad9361.html

[3]曹新濤.基于AD9361的無線收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].陜西：西安電子科技大學(xué)，2016.

[4]羅亨.基于AD9361的OFDM無線通信技術(shù)研究[D].北京：北方工業(yè)大學(xué)，2019.

[5]王勇.基于AD9361的簡(jiǎn)易頻譜分析儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子產(chǎn)品世界，2016（9）：49-52.

作者簡(jiǎn)介：盧高?。?991.7-），男，漢族，安徽蚌埠，研究生，助理工程師，研究方向：信號(hào)與信息處理

中電科儀器儀表（安徽）有限公司 安徽 蚌埠 233010