基于AD9361的软件无线电硬件平台设计与实现

基于AD9361的软件无线电硬件平台设计与实现电子科技大学UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA专业学位硕士学位论文 MASTER THESIS FOR PROFESSIONALDEGREE论文题目基于AD9361的软件无线电硬件平台设计与实现专业学位类别工程硕士学号 201222010546作者姓名郜泽指导教师刘镰斧副教授分类号密级UDC注1学位论文基于AD9361的软件无线电硬件平台(题名和副题名)郜泽(作者姓名)指导教师刘镰斧副教授电子科技大学成都(姓名、职称、单位名称)———————————————————————————————————————————————申请学位级别工程领域名称提交论文日期硕士专业学位类别工程硕士电子与通信工程 2015.03 论文答辩日期 2015.05年06月学位授予单位和日期电子科技大学2015答辩委员会主席评阅人注1:注明《国际十进分类法UDC》的类号。

摘要THE DESIGN AND IMPLEMENTATION OF SOFTWARE DEFINED RADIOHARDWAREPLATFORM BASED ON AD9361A Master Thesis Submitted toUniversity of Electronic Science and Technology of ChinaMajor: Master of EngineeringAuthor: Gao ZeAdvisor: Professor Liu LianfuSchool : Engineering独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地———————————————————————————————————————————————方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

作者签名: 日期: 年月日论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。

本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)作者签名: 导师签名:日期: 年月日摘要摘要软件无线电是一种解决无线电通信领域内多体系并存、不同体系间无法制订统一标准等问题的方案。

由于软件无线电是基于软件编程实现各种功能，其主要的特点表现在灵活性和开放性上。

只要在其硬件系统能处理的信号频段，想要增加相对应频段中的通信功能只需通过软件就能实现。

软件无线电的特点主要体现在软件可编程和可升级上，但是不管其实现功能多样性还是频段的扩展，都必须要求硬件系———————————————————————————————————————————————统具备相应的处理能力。

软件无线电硬件平台目的是为了处理信号和实现不同通信功能，在软件无线电系统中不可或缺。

文章首先从理论上研究了软件无线电技术，从技术原理角度分析了软件无线电硬件平台的结构体系，比较其优缺点，最终确立了以ADI公司的AD9361射频收发芯片为核心处理器件的软件无线电硬件平台的设计方案。

然后将软件无线电硬件平台分为AD9361模块、信号接口模块、电源模块这三个主要部分。

其中主要介绍了AD9361芯片、信号输入/输出接口、FMC连接器、电源供电电路、电源监测电路等多个方案。

在保证信号完整性和电源完整性的前提下完成了PCB版图设计。

最后配合ML605开发板，对该硬件平台的各项功能进行测试，最终连接天线能够将GSM广播信号正确接收。

验证了该软件无线电硬件平台设计的正确性，同时也验证了该硬件平台的功能正常，性能良好。

本文设计并实现了一种基于AD9361的软件无线电硬件平台，该平台工作频率为70MHz至6GHz，包含完整的发射和接收功能，具有多种工作模式，多种应用场景的特点。

通过FMC连接器与Xilinx公司的Virtex-6 FPGA ML605开发板相连，实现射频应用开发，在宽带通信、测试等场合均能有良好的表现，对现阶段的软件无线电研究以及产品开发有着用药的价值和意义。

关键词:软件无线电，AD9361，硬件平台，FPGAIABSTRACT———————————————————————————————————————————————ABSTRACTSoftware defined radio is the way to solve the problem of multi-system coexistence and non-uniform stands among different system in radio communication field. Since the software defined radio is based on the software programming to implement various functions, the mainfeature is its flexibility and openness. As long as the signal frequency band can be processed in hardware system, one can apply software to add more communication function in that signal frequency. Software defined radio’s feature reflects in that it can be programmed and upgraded. The software radio hardware platform is the one to process the signal and implement various communication functions. So it is an indispensable part in software defined radio system.Firstly, the technical principles of the software defined radio and the structure of the software defined radio hardware platform from theoretical and technical perspective are investigated in this thesis. Their advantage and disadvantage are compared by us, the software defined radio is made finally, where ADI's AD9361 which is a RF transceiver chip processor core pieces is used. Secondly, the software radio hardware platform is divided into three main parts: AD9361 module, signal interface module and power module. A number of options aboutAD9361 chip, the signal input or output interface implementations, the FMC connector implementation, the power supply circuit———————————————————————————————————————————————implementations, the power monitor circuit implementations are introduced in this thesis. In the promise of ensuring signal integrity and power integrity, we complete the PCB layout design. Finally, with the ML605 development board, the hardware platform is tested. It can correctly receive the signal of the GSM by connecting the softwaredefined radio and the antenna. The test result show the correctness of the design of software radio hardware platform and also verifies its good functionality and performance.This thesis proposes a design of software radio hardware platform based on AD9361. The working frequency of this platform is between 70MHz and 6GHz. It contains the complete transmitting and receiving function, with various operating modes and wide applicability. By connecting the FMC connector with Xilinx’s Virtex-6 FPGA ML605Evaluation Module, it can achieve RF development, broadband communications,IIABSTRACTmodules test and evaluation. It is of great value and significanceto the software radio product at the present stage.Key words:Software Defined Radio，AD9361，hardware platform，FPGAIII———————————————————————————————————————————————目录目录第一章绪论 ................................................................. .............................................. (1)1.1 研究背景和意义 ................................................................. (1)1.2 软件无线电发展现状和前景展望 ................................................................. .. (1)1.3 论文的主要研究内容以及结构安排 ..................................................................2第二章软件无线电硬件平台原理介绍 ................................................................. . (4)2.1 软件无线电的定义 ................................................................. .. (4)2.2 软件无线电的结构形式 ................................................................. (5)2.2.1 理想软件无线电结构 ................................................................. (5)2.2.2 低通采样软件无线电结构 ................................................................. . (5)2.2.3 盲区采样软件无线电结———————————————————————————————————————————————构 ................................................................. . (6)2.2.4 宽带中频带通采样软件无线电结构 (6)2.3 软件无线电的关键技术 ................................................................. (7)2.4 软件无线电硬件平台体系 ................................................................. .. (8)2.4.1 流水式软件无线电硬件平台结构 (8)2.4.2 总线式软件无线电硬件平台结构 (8)2.4.3 工作站式软件无线电硬件平台结构 (9)2.5 本章小结 ................................................................. ...........................................10第三章软件无线电硬件平台实现方案 ................................................................. (11)3.1软件无线电硬件平台总体方案设计 .................................................................113.1.1 硬件平台结构 ................................................................. .......................... 11 ———————————————————————————————————————————————3.1.2 系统中所用的器件型号 ................................................................. (12)3.2 AD9361模块实现方案 ................................................................. (12)3.2.1 AD9361芯片介绍 ................................................................. .. (12)3.2.2 AD9361特点 ................................................................. . (13)3.2.3 AD9361工作原理 ................................................................. .. (14)3.2.4 AD9361模块实现方案 ................................................................. (16)3.3 信号接口模块实现方案 ................................................................. . (17)3.3.1 信号输入/输出接口实现 ................................................................. .. (17)3.3.2 FPGA与AD9361接口实现方案 (20)IV目录3.4 电源模块实现方案 ................................................................. ........................... 23 ———————————————————————————————————————————————3.4.1 电源供电电路实现方案 ................................................................. (23)3.4.2 电源监测电路实现方案 ................................................................. (26)3.5 PCB电路板设计 ................................................................. . (28)3.5.1 电源完整性设计 ................................................................. (28)3.5.2 信号完整性分析 ................................................................. (30)3.5.3 PCB版图设计以及最终实物图 ...............................................................323.6 FPGA开发平台介绍 ................................................................. (33)3.7 本章小结 ................................................................. ...........................................34第四章软件无线电硬件平台调试与分析 ..................................................................354.1 软件无线电硬件平台静电测试 ................................................................. . (35)4.2 软件无线电硬件平台电源模块测———————————————————————————————————————————————试 ................................................................354.3 软件无线电硬件平台系统测试 ................................................................. . (36)4.3.1 AD9361数据接口介绍 ................................................................. (36)4.3.2 AD9361寄存器配置介绍 ................................................................. .. (38)4.3.3 软件无线电硬件平台寄存器配置测试 (41)4.3.4 AD9361和FPGA的接口时序设计 (42)4.3.5 软件无线电硬件平台发射通路测试 (44)4.3.6 软件无线电硬件平台接收通路测试 (46)4.3.7 软件无线电硬件平台综合测试 (47)4.3.8 软件无线电硬件平台系统测试 (48)4.4 本章小结 ................................................................. ...........................................51———————————————————————————————————————————————第五章总结与展望 ................................................................. . (52)5.1 工作总结 ................................................................. . (52)5.2 研究展望 ................................................................. . (52)致谢 ................................................................. (53)参考文献 ................................................................. . (54)攻读硕士学位期间的研究成果 ................................................................. . (56)V图目录图目录图2-1 理想软件无线电结构 ................................................................. . (5)图2-2 低通采样软件无线电结———————————————————————————————————————————————构 ................................................................. .. (5)图2-3 盲区采样软件无线电结构 ................................................................. .. (6)图2-4 宽带中频带通采样软件无线电结构 ..................................................................7图2-5 流水式软件无线电硬件平台 ................................................................. . (8)图2-6 总线式软件无线电硬件平台 ................................................................. . (9)图2-7 工作站式软件无线电硬件平台 ................................................................. . (10)图3-1 软件无线电硬件平台系统框图 ................................................................. .. (11)图3-2 AD9361功能框图 ................................................................. .. (14)图3-3 片内一路信号接收通道框图 ................................................................. .. (15)图3-4 片内一路信号发射通道框图 ................................................................. .. (16)图3-5 AD9361模块电路原理图 ................................................................. .. (17)图3-6 信号输入部分接口原理———————————————————————————————————————————————图 ................................................................. (18)图3-7 信号输出部分接口原理图 ................................................................. (19)图3-8 参考时钟输入接口电路原理图 ................................................................. . (20)图3-9 FPGA与AD9361接口实现方案框图 (20)图3-10 FMC接口电路原理图 ................................................................. .. (23)图3-11 AD9361电源解决方案框图 ................................................................. .. (24)图3-12 ADP2164模块原理图 ................................................................. (25)图3-13 ADP1755模块原理图 ................................................................. (26)图3-14 AD7291功能框图 ................................................................. (27)图3-15 电源监测模块整体框图 ................................................................. .. (27)图3-16 电源监测模块电路原理图 ................................................................. . (28)图3-17 软件无线电硬件平台PCB版图设———————————————————————————————————————————————计 (32)图3-18 软件无线电硬件平台正面实物图 ..................................................................32图3-19 软件无线电硬件平台背面实物图 ..................................................................33图3- 20 Xilinx Virtex-6 FPGA ML605开发平台 (33)图4-1 写命令时序图 ................................................................. .. (40)图4-2 读命令时序图 ................................................................. .. (41)VI图目录图4-3 Chipscope采集AD9361寄存器配置时序 (42)图4-4 AD9361 LVDS模式下数据接口原理框图 (43)图4-5 AD9361 LVDS模式下接收数据接口时序图 (43)图4-6 AD9361 LVDS模式下发送数据接口时序图 (44)图4-7 发射端测试方案框———————————————————————————————————————————————图 ................................................................. .. (45)图4-8 ChipScope采集FPGA输出数据 ................................................................. .. (45)图4-9 AD9361 TX1A接口示波器输出结果 ...............................................................46图4-10 接收端测试方案框图 ................................................................. (46)图4-11 Chipscope采集信号源产生正弦波接收信号 (47)图4-12 综合测试方案框图 ................................................................. . (47)图4-13 Chipscope采集GSM广播信号其中37个正弦波 (48)图4-14 工作频率测试方案框图 ................................................................. .. (48)图4-15 Chipscope采集70.1MHz IQ两路正弦波形 (49)图4-16 Chipscope采集1.561GHz IQ两路正弦波形 (49)图4-17 Chipscope采集-80dB时正弦波产生信号IQ两路正弦波形 (50)图4-18 Chipscope采集19dB时信号源产生信号IQ两路正弦波———————————————————————————————————————————————形 (50)图4-19 AD9361软件无线电硬件平台和ML605开发板联合开发测试图 (51)VII表目录表目录表3-1 软件无线电硬件平台主要芯片清单 ................................................................12表3-2 AD9361输入输出关键性引脚功能 ..................................................................18表3-3 FMC接口信号定义 ................................................................. .. (21)表3-4 AD9361控制及数据输入/输出关键性引脚说明 (22)表3-5 FMC LPC连接器电源电压 ................................................................. .. (24)表4-1 各组电源对地阻抗值 ................................................................. .. (35)表4-2 空载时各个电源电压输出值 ................................................................. .. (36)表4-3 接口设置情况 ................................................................. .. (38)———————————————————————————————————————————————表4-4 CLK_OUT频率 ................................................................. (39)表4-5 前16位数据格式 ................................................................. .. (40)表4-6 传输字节数设置 ................................................................. . (40)表4-7 Control Output控制寄存器描述 ................................................................. (41)VIII第一章绪论第一章绪论1.1 研究背景和意义软件无线电概念是在1992年，由Joseph Mitola博士提出的。