对基于AD9361的宽带无线通信平台研发分析

对基于 AD9361的宽带无线通信平台研发分析

陈海波

中国电子科技集团公司第七研究所 广东 广州 510310

摘要：为解决传统通信平台设计中硬件依赖大、研发成本高的问题，提升系统集成度和适用性，本文引入AD9361芯片，对宽带无线通信平台进行设计研发，在简要阐述AD9361优势性能的基础上，详细介绍了系统架构、芯片选型、接口电路等步骤思路。经过分析发现，系统具备较强的自动增益功能，可编程形式的融入还能适应多种配置需求，有助于缩短开发周期，扩大适用范围。

关键词：AD9361芯片；宽带平台；无线通信

前言：在市场经济推动、产业升级优化的背景下，我国宽带通信工程事业迎来发展新契机，设备功能更加完善、技术体系更加成熟，相关的系统平台也愈发复杂，带动区域经济增长的同时，很多设计、运行方面的问题也逐渐暴露出来。比如通信对硬件依赖较大，调制调解过程需要以电路为依托，硬件开发周期长、研发费用高等，亟需引入新型设计思路，对无线通信平台进行优化设计。

1 AD9361性能概述

AD9361具有鲜明的集成性、灵活性特征，集成了频率合成器，配置了数字滤波器、数字处理模块、自动增益控制模块等。设计时可以根据情况更改优化寄存器参数，实现针对化的控制和调整。AD9361工作环节，数字信号送入基带处理，结束后进入FIR滤波器，完成速率变换和滤波处理，继而进入DAC（数模转换器）模块开展AD转换，下层的I路信号、Q路信号负责接收转换后的模拟信号，并进一步开展滤波操作，完成后送入放大器、混频器中进行变频、整形，完成最后的信号发射。

2基于AD9361的宽带通信平台研发设计

2.1系统架构设计

综合通信需求以及AD9361性能特征后，将宽带通信平台分为3个不同部分，其中PS端（Processing System，处理系统）主要负责存储配置信息、链路协议等，支持参数配置修改需求；PL端（Programmable Logic，可编程逻辑）主要承担数据接收、发送职能，并在FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）的帮助下，对数据进行优化处理，模块上、下层联系分别依托于总线和SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）电路。数据经过基带处理之后，依托LVDS（Low-Voltage Differential Signaling，低电压差分信号）接口完成转化，并进入AD9361开展后续的转换、调制、发送过程。

2.2芯片选型

芯片是整个处理、通信系统的核心部分，直接影响处理效率和质量，射频处理环节已经确定使用AD9361芯片，基带部分的选型需要综合考虑灵活性、节能性，经分析后认为Zynq系列芯片比较符合要求，该系列芯片集成了多个Xilinx可编程逻辑，可以在双核系统的支撑下高效完成数据处理。

2.3接口电路设计

接口在系统平台中扮演着重要的中间桥梁角色，能够为不同器件提供数据交互渠道，本次研发工作中接口电路主要包含以下两种：

（1）SPI电路设计。该接口位于AD9361板块与基带处理模块之间，命令编写遵循24位格式。其中往来的信号主要有四种，其一是SPI_CLK信号，代表接口参考时钟，最大频率为50MHz，能够对数据传输顺序进行排列和控制，该模块仅在SPI_ENB被激活为低电平时才有实际意义。其二是SPI_ENB，电平呈现高-低-高的运动趋势，可以影响其他电路抗阻状态。最后是SPI_DI以及SPI_DO，这两种信号分别承担输入、输出信息^[1]。

本系统中使用四线SPI模式，由FPGA负责片选信号的生成工作，回读信号直接与芯片对接，其中SPI_CLK信号电路采用四分频模式，内部引入两位计数器，若时钟处理后呈现为01，模块呈现为高电平，若呈现11，则转换为低电平。SPI_ENB仅在低电平下运作，数据包大小为24比特，包含控制字、地址等信息，当计数器计满24时、SPI_CLK为01时，信号电平开始拉高，以防出现数据不完整状况。

（2）LVDS接口设计。该接口位于传输板块及AD9361板块之间，采用低压差分信号模式，发送、接收端信号可以在该接口帮助下分割为时钟、数据、帧指示信号，每种信号又被分为两路传递，计算下来共有接收端6路、发送端6路信号可供交互，运行环节根据帧指示决定数据传递路径，以提升系统运行条理性和次序性。信号接收过程中，时钟差分信号经过缓冲区，并在相关元件的处理下整合为一路，继续缓冲处理降低抖动，帧指示信号同样缓冲整合。所有数据送入双倍速率缓冲器，并拆分成I、Q两路，分别进行滤波、放大处理。发送端分为高、低两路，分别对应高电平、低电平信号，经过整合后形成一路并转给AD9631。

2.4基带信号处理电路设计

基带信号处理中，主要涉及到同步识别和相偏校正两个部分，由于接收机运转过程中状态相对固定，而终端信号发送却是随机、随时的，无差别采集处理很容易增加系统负担，因此平台设计时引入了相关峰概念，对目标电路进行精准识别和同步复制，可以在减少占用的同时提升接收效率。实践环节主要通过巴克码的添加来实现，巴克码存储于本地位置，并与实时采集数据一并运算，由比较器对结果进行分析，若中间数据大于两边，即识别为峰值点，将该点位之后的数据设置为可采集对象，以减少无关数据的干扰。考虑到数据交互过程中可能会受到发射端、接收端晶振频率差异干扰，或电容电感干扰等，出现相位偏移状况，因此设计时还增加了相偏校正电路，系统接收到数据后，用MATLAB处理，并绘制出相应的散点图。如果将发送信号设为s(n)，信号经过信道后产生的偏移为ψ，那么二者之间存在如下关系（其中j为常数，

）：

2.5 AGC设计

外界干扰是无线平台运转过程中较为常见的问题，信号传递经常会受到房屋、树木等障碍物的阻隔，进而产生异常散射和衰落的情况，采用AGC（Automatic Gain Control，全自动增益控制）技术可以提升接收稳定性，减轻后续处理负担。其原理是将信号稳定在特定电平上，并根据接收信号大小情况自动确定调整方案，信号较弱时可以提高增益，避免噪声过大埋没数据。该技术的实现主要依托几个检测、增益模块来实现，比如LTM（Loss Tracking Module，损失跟踪）模块、ADC（Analog-to-digital converter模拟数字转换器）模块等。系统运转环节AGC模块处于待机状态，初始化完成后由LMT模块先对信号进行检测，看信号幅值是否超过上下阈值^[2]，并根据情况调整更改。继而输入ADC模块进行功率检测，检测时共选取4个采样点，计算出平方和后对比分析得出结果，经过调试运行后发现，在2dB以下信噪比环境中，误码率明显降低。

结论：综上所述，本文完成了以AD9361为核心的宽带无线通信平台的设计分析，整个架构共由数据处理端、编程端和发送端组成，选用Zynq系列芯片负责基带处理，能够较好地满足信息接收、交互需求。系统中设置SPI接口和LVDS接口，能够对各种信号等进行拆分、缓冲处理，缓解AD9361器件的压力，基带信号处理中融入了同步识别、相偏校正功能，最大限度保证通信信号质量。

参考文献：

[1]贺更新,陈莹.基于AD9361的MIMO-OFDM同步定时接收系统[J].吉林大学学报(信息科学版),2021,39(06):630-636.

[2]王凯笛. 基于AD9361的宽带无线通信平台研发[D].西安电子科技大学,2020.