艾散·帕合提

（新疆工程學(xué)院信息工程學(xué)院通信教研室 新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市 830023）

近年來(lái)，我國(guó)科技高速發(fā)展，在無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，無(wú)線通信制式逐漸呈現(xiàn)出多樣化、復(fù)雜化的特點(diǎn)與趨勢(shì)，通信設(shè)備呈現(xiàn)出集成化、高速化、高可靠性的發(fā)展趨勢(shì)，在傳統(tǒng)技術(shù)背景下，無(wú)線電設(shè)備的硬件存在可重構(gòu)性差、復(fù)用率低等劣勢(shì)，無(wú)法滿足無(wú)線通信環(huán)境下的要求。軟件無(wú)線電技術(shù)（Software Defined Radio,SDR）屬于一種新型的通信系統(tǒng)架構(gòu)，將其應(yīng)用于無(wú)人機(jī)通信領(lǐng)域具有較強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，MIMO系統(tǒng)在實(shí)踐中也能夠提升無(wú)線傳輸?shù)耐ㄐ判阅埽虼?，將上述技術(shù)應(yīng)用于小型旋翼無(wú)人機(jī)無(wú)線通信領(lǐng)域具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

1 相關(guān)理論基礎(chǔ)

1.1 軟件無(wú)線電及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟件無(wú)線電技術(shù)（Software Defined Radio，SDR）屬于一種新型的通信系統(tǒng)架構(gòu)，能夠?qū)⑼卣剐暂^強(qiáng)的通用硬件平臺(tái)、可升級(jí)重構(gòu)動(dòng)態(tài)軟件進(jìn)行有效結(jié)合，其核心思想為，寬帶A/D、D/A應(yīng)當(dāng)盡可能接近寬帶射頻天線，在實(shí)踐中主要具備以下三種技術(shù)特征：

（1）可重構(gòu)性。即能夠通過(guò)運(yùn)行軟件完成對(duì)軟件、硬件功能的重構(gòu)。

（2）較強(qiáng)的靈活性。即能夠?yàn)樾峦ㄐ偶夹g(shù)提供更加靈活的技術(shù)支持。

（3）模塊化特征。僅能夠通過(guò)增刪改軟硬件模塊的方式對(duì)技術(shù)功能進(jìn)行改進(jìn)[1]。

軟件無(wú)線電系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)包括模擬射頻前端、高速ADC、DAC 和高速數(shù)字信號(hào)處理單元三個(gè)主要部分。在實(shí)踐中，ADC 轉(zhuǎn)換芯片、基帶處理器等性能存在一定限制，對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行直接抽樣處理的理想化結(jié)構(gòu)無(wú)法在現(xiàn)實(shí)工作情境中實(shí)現(xiàn)，總之，在當(dāng)前技術(shù)背景下，按照ADC、DAC 抽樣形式以及信號(hào)處理類型，主要包括射頻低通抽樣、射頻帶通抽樣、寬帶中頻抽樣三種主要結(jié)構(gòu)。

1.2 MIMO收發(fā)技術(shù)

多收多發(fā)（MIMO）技術(shù)也是當(dāng)前通信領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍的一種技術(shù)形式，該技術(shù)通過(guò)在無(wú)線通信發(fā)射端、接收端配置多對(duì)天線傳輸信號(hào)，利用多天線實(shí)現(xiàn)相同信息的發(fā)送，進(jìn)而提升通信的安全可靠性。與傳統(tǒng)技術(shù)背景下的單天線系統(tǒng)相比，多收多發(fā)（MIMO）技術(shù)在相同帶寬、發(fā)射頻率的基礎(chǔ)上，顯著增加了信道容量以及信號(hào)傳輸速率，同時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的抗噪性也得到了較為顯著的提升，綜合來(lái)看，無(wú)線傳輸?shù)耐ㄐ判阅艿玫搅孙@著提升[2]。

2 基于軟件無(wú)線電的小型化MIMO收發(fā)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件平臺(tái)是收發(fā)系統(tǒng)功能能夠得以充分發(fā)揮的重要基礎(chǔ)，因此，提升硬件平臺(tái)的功能對(duì)于基于軟件無(wú)線電的小型化MIMO 收發(fā)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)而言具有十分重要的價(jià)值與意義，在實(shí)踐中，該收發(fā)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)內(nèi)容相當(dāng)多，由于篇幅限制，本文在對(duì)硬件平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)其中幾種重要部分的硬件設(shè)計(jì)情況進(jìn)行深入分析。

2.1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

硬件平臺(tái)尺寸設(shè)計(jì)為20cm×15cm×5cm 的小型化平臺(tái)，其目的在于滿足無(wú)人機(jī)平臺(tái)的架設(shè)需求。采用獨(dú)立的8 收8 發(fā)射頻通道。硬件系統(tǒng)主要包括數(shù)字處理模塊、射頻模塊、時(shí)鐘與復(fù)位電路、電源系統(tǒng)等模塊組成[3]。

對(duì)硬件平臺(tái)不同模塊的預(yù)設(shè)器材及其性能特征進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述：

（1）數(shù)字處理模塊，在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中，決定采用ZYNQ-7100 SOC 芯片為整個(gè)系統(tǒng)的核心單元，其功能為對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與傳輸。

（2）射頻模塊。射頻模塊采用四片GC0801 無(wú)線收發(fā)芯片，構(gòu)成8 收8 發(fā)的MIMO 收發(fā)結(jié)構(gòu)，GC0801是一款高性能、高集成度的超寬帶SDR 收發(fā)機(jī)?？蓮V泛應(yīng)用于幾乎所有現(xiàn)代化數(shù)字無(wú)線通信系統(tǒng)。能夠支持的頻率范圍為30MHz 到6GHz，可配置射頻帶寬能夠支持小于200KHz 到60MHz 的范圍。

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。該結(jié)構(gòu)選擇采用兩個(gè)DDR3內(nèi)存構(gòu)成，其內(nèi)存大小為512MB 即可，其基本功能為對(duì)數(shù)字信號(hào)處理以及相關(guān)功能提供必要的空間支持。

（4）對(duì)外數(shù)字接口模塊。選擇標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)接口，應(yīng)當(dāng)能夠?qū)崿F(xiàn)多組串口轉(zhuǎn)RS-422、RS-485，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接功能。

（5）電源系統(tǒng)。選擇DC-DC 電源組合，電源的功能為，對(duì)外部電壓進(jìn)行適當(dāng)轉(zhuǎn)換，使其能夠滿足硬件平臺(tái)內(nèi)部其他各個(gè)構(gòu)件的使用需求[4]。

2.2 數(shù)字部分電路設(shè)計(jì)

2.2.1 數(shù)字處理模塊設(shè)計(jì)

數(shù)字處理模塊是該系統(tǒng)硬件平臺(tái)的核心結(jié)構(gòu)，其不僅需要作為數(shù)字信號(hào)處理單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，還承擔(dān)著數(shù)字接口資源供應(yīng)、系統(tǒng)管理控制等重要功能，因此，數(shù)字處理模塊對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)具有十分重要的價(jià)值與意義。結(jié)合實(shí)際功能需求，筆者決定選擇采用ZYNQ-7000 系列芯片中的XC7Z045FFG676 型號(hào)，該型號(hào)芯片的特點(diǎn)包括：雙核處理器、主頻為667 MHz(-1)800 MHz(-2)1 GHz(-3)、片上內(nèi)存為256KB、等效7 系列為Kintex-7、FPGA 類型、Block RAM 為19.2Mb、LUT 為218600、PS I/O 為128、HR I/O 為100、HP/I/O 為150。與其他型號(hào)的芯片相比，該型號(hào)的芯片具備較為明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2.2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

ZYNQ-7100 內(nèi)部就存在DDR 控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)DDR3 存儲(chǔ)器的訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，本文選擇的DDR3 存儲(chǔ)器型號(hào)為 MT41J128M16HA-125，大小為512MB，為了滿足功能需求，選擇采用兩個(gè)DDR3 存儲(chǔ)器并聯(lián)的方式提供存儲(chǔ)空間[5]。

2.2.3 對(duì)外數(shù)字接口

本系統(tǒng)中的對(duì)外數(shù)字接口包括千兆以太網(wǎng)，采用的接口協(xié)議為GMII、RGMII，本設(shè)計(jì)采用ZYNQ PS 端的千兆以太網(wǎng)控制器、MAC 內(nèi)核，通過(guò)芯片進(jìn)行連接。還包括RS-422、RS-485 標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口，這兩類接口針對(duì)的是UART 的兩種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，接口電路設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部分，在PS 端，內(nèi)部的兩組UART 外設(shè)接口通過(guò)MIO 選擇映射為固定引腳，其中TX、RX 的引腳按組固定，內(nèi)部存在協(xié)議轉(zhuǎn)換電路。

2.3 射頻部分電路設(shè)計(jì)

射頻部分電路也是非常重要的，在本系統(tǒng)中，射頻部分設(shè)計(jì)包括射頻收發(fā)器、巴倫電路，射頻收發(fā)器的型號(hào)為GC0801，數(shù)量為4。運(yùn)行邏輯為，在SMA 射頻接口前端傳輸，送出數(shù)字基站信號(hào)在GC0801 內(nèi)部完成插值濾波等，輸出射頻信號(hào)。接收鏈路的運(yùn)行邏輯為，輸入信號(hào)通過(guò)低噪音放大等操作，將信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行輸出[6]。

為了保證其射頻性能，本次使用巴倫電路對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證在3GHz 以上的接收性能。圖1 為射頻部分電路。

圖1：射頻部分電路

2.4 系統(tǒng)電源部分硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電源能夠?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)提供必要的動(dòng)力支持，是整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要前提條件，其具體設(shè)計(jì)思路如下。

首先，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的供電需求進(jìn)行分析，結(jié)合具體情況，本系統(tǒng)的主要模塊電源類型如下：

（1）0.75V 電壓類型。主要功能模塊為DDR3 內(nèi)存，電源需求為VTT、VREF。

（2）1.0V 電壓類型。主要功能模塊為ZYNQ、PHY，電源需求分別為VINT、VDD。

（3）1.3V 電壓類型。主要功能模塊為AD9361，電源需求為VDDA。

（4）1.5V 電壓類型。主要功能模塊為DDR3 內(nèi)存，電源需求為VTT、VDDQ。

（5）1.8V 電壓類型。主要功能模塊為ZYNQ、GC0801、PHY，其中，ZYNQ 的電源需求為VAUX、VPLL、VMIO，另外兩個(gè)的電源需求分別為VDDINTERFACE、VDDO。

主要包括：一是針對(duì)地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)不完善、監(jiān)測(cè)技術(shù)落后等問(wèn)題，明確省人民政府水行政主管部門(mén)在組織建設(shè)地下水監(jiān)測(cè)站網(wǎng)中的職責(zé)，完善地下水監(jiān)測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)水量、水位等監(jiān)測(cè)信息的采集、傳輸、處理、儲(chǔ)存和應(yīng)用；二是圍繞提高地下水取用水管理科學(xué)化、信息化水平，保證取水計(jì)劃和水資源費(fèi)征收管理制度的落實(shí)，明確重點(diǎn)地下水取用水戶安裝自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備義務(wù)，保證重點(diǎn)取用水戶監(jiān)測(cè)設(shè)備與水行政主管部門(mén)的監(jiān)測(cè)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)地下水取用水戶實(shí)時(shí)監(jiān)管；三是圍繞強(qiáng)化監(jiān)測(cè)成果在地下水管理中運(yùn)用的法律地位，明確對(duì)地下水取用水總量或者地下水水位接近、達(dá)到或者超過(guò)控制指標(biāo)的地區(qū)，在取用地下水方面應(yīng)當(dāng)采取的具體措施。

（6）2.5V 電壓類型。主要功能模塊為ZYNQ，電源需求為VCCO。

（7）3.3V 電壓類型。主要功能模塊為ZYNQ、GC0801、PHY，電源需求分別為VMIO、VDDGPO、VDDAR。

根據(jù)上述內(nèi)容，本次電源供電按照內(nèi)核供電、輔助電壓、接口電壓的順序進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，決定采用LDO、DC-DC 結(jié)合的方式進(jìn)行電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.5 PCB部分硬件設(shè)計(jì)

PBC 是整個(gè)系統(tǒng)的核心功能模塊，是整個(gè)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的重要前提條件，其具體設(shè)計(jì)思路如下。首先，應(yīng)當(dāng)以功能模塊為布局單位，確定各模塊的核心器件，每個(gè)模塊的內(nèi)器件應(yīng)當(dāng)圍繞核心器件進(jìn)行擺放，具體方法為集中-分散式，盡量保證結(jié)構(gòu)緊湊。其次，相關(guān)技術(shù)應(yīng)當(dāng)對(duì)電源模塊、數(shù)字電路、模擬電路之間的間距進(jìn)行有效控制，三者之間應(yīng)當(dāng)預(yù)留空隙，保證彼此之間不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)干擾情況，內(nèi)存選擇T 點(diǎn)布局方式，相對(duì)于ZYNQ 所連管腳兩片電源位置對(duì)稱，其他結(jié)構(gòu)設(shè)備應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行布局，一般為芯片手冊(cè)。最后，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)插接件布局進(jìn)行控制，一般應(yīng)當(dāng)統(tǒng)一靠近板邊，在實(shí)踐中，射頻SMA 接口數(shù)量通常相對(duì)較多，為了便于使用，應(yīng)當(dāng)對(duì)這些接口朝向進(jìn)行統(tǒng)一擺放。

同時(shí)，層疊布線也是硬件設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合差分、單端阻抗、參考層選取信號(hào)層臨近的底層與電源層，綜合上述內(nèi)容進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行PCB 計(jì)算，布線工作是非常重要的。在此過(guò)程中，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)著重注意，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵循分組、等長(zhǎng)約束等原則，以此來(lái)保證整個(gè)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。其次，電源輸入輸出主干道應(yīng)當(dāng)采用鋪銅處理方式，只有這樣才能使其滿足過(guò)大電流的基本要求。再次，差分線對(duì)內(nèi)控制應(yīng)當(dāng)遵循等長(zhǎng)原則，同時(shí)為了保障系統(tǒng)功能正常實(shí)現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)采取弧形走線的方式進(jìn)行處理。最后，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，打孔環(huán)節(jié)應(yīng)當(dāng)盡量采用通孔方式，這種方式不僅便于加工，也便于后期調(diào)試工作的正常開(kāi)展。

3 基于軟件無(wú)線電的小型化MIMO收發(fā)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)ZYNQ 軟件是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾桨?，程序按照具體功能劃分為數(shù)字信號(hào)處理軟件以及控制軟件，分別對(duì)應(yīng)可編程邏輯部分以及處理器系統(tǒng)部分。

3.1 可編程邏輯部分架構(gòu)

在可編程邏輯部分，軟件設(shè)計(jì)的目的在于實(shí)現(xiàn)基帶數(shù)字信號(hào)處理，在實(shí)踐中可以分為對(duì)外數(shù)據(jù)收發(fā)、調(diào)制、解調(diào)等部分。

可編程邏輯部分的各個(gè)模塊分別實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）對(duì)外數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)內(nèi)外收發(fā)功能，例如，在數(shù)據(jù)發(fā)送方向，數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)送到調(diào)制模塊。

（2）數(shù)字調(diào)制與調(diào)節(jié)模塊。實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)，設(shè)計(jì)頻率、相位可調(diào)的DDS 模塊產(chǎn)生載波信號(hào)，將基帶信號(hào)分I/Q 兩路調(diào)制后送入下一級(jí)。

（3）GC0801 系帶接口邏輯按數(shù)據(jù)發(fā)送方向、數(shù)據(jù)接收方向存在一定差異，其中，在數(shù)據(jù)接收方向，采樣數(shù)字信號(hào)，按收發(fā)模式格式分組，按照I/Q 兩路基帶信號(hào)送入解調(diào)模塊，對(duì)SPI、GPIO 控制接口邏輯。

（4）PS-PL 接口邏輯。實(shí)現(xiàn)雙方的數(shù)據(jù)傳輸。

（5）時(shí)鐘模塊。直接影響收發(fā)數(shù)據(jù)處理[7]。

例如，在PS-PL 接口邏輯模塊，其邏輯為，PS 端被封裝成一個(gè)Processing System IP 模塊，該模塊與外部的鏈接達(dá)成邏輯設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)整合。AXI 協(xié)議將讀數(shù)據(jù)、寫(xiě)數(shù)據(jù)、讀地址、寫(xiě)地址等內(nèi)容分為多線并行通道，其連接的兩端設(shè)備分別為主器件、從器件，AXI 互聯(lián)實(shí)現(xiàn)主器件到從器件的鏈接，這種互聯(lián)邏輯支持接口通信的順利完成，并進(jìn)一步推動(dòng)總線上傳輸時(shí)序轉(zhuǎn)換、仲裁通信等操作。

3.2 處理器系統(tǒng)部分程序

GC0801 的軟件可配置功能較為強(qiáng)大，本部分程序設(shè)計(jì)基于No-os 的官方軟件驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，通過(guò)官方提供的API 函數(shù)隱藏實(shí)際寄存器控制細(xì)節(jié)實(shí)現(xiàn)接口邏輯模式的控制。使用GC0801 官方配置軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)參數(shù)的配置以及初始化設(shè)置，在本文中，該軟件均工作在FDD、IRIT 模式，參考時(shí)鐘選取40MHz。

4 結(jié)論

縱觀全文，當(dāng)前，小型旋翼無(wú)人機(jī)在實(shí)踐中能夠發(fā)揮出十分出色的技術(shù)與作用，但是在使用過(guò)程中仍舊存在一定的技術(shù)缺陷，在此基礎(chǔ)上，本文結(jié)合軟件無(wú)線電技術(shù)、MIMO 系統(tǒng)以及無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈通信，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于軟件無(wú)線電的小型化MIMO 收發(fā)系統(tǒng)，并在文中對(duì)該系統(tǒng)的硬件部分、軟件部分分別進(jìn)行了深入分析。其中，在硬件設(shè)計(jì)方面，筆者充分結(jié)合了無(wú)人機(jī)平臺(tái)小型化的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了體積小、功能強(qiáng)大的硬件系統(tǒng)。在軟件設(shè)計(jì)方面，筆者設(shè)計(jì)了三片GC0801 均初始化成功的軟件平臺(tái)，并對(duì)通信過(guò)程進(jìn)行了深入分析。通過(guò)本文的研究可知，基于軟件無(wú)線電的小型化MIMO收發(fā)系統(tǒng)確實(shí)存在一定的研究?jī)r(jià)值，相關(guān)單位可以適當(dāng)參考本文的研究?jī)?nèi)容，進(jìn)一步探討軟件無(wú)線電技術(shù)、MIMO 收發(fā)技術(shù)在小型無(wú)人機(jī)方面的應(yīng)用策略，以期提升無(wú)人機(jī)的功能與價(jià)值。