一种全双工射频收发系统的设计与实现

谢作全 康 超 王宇

（上海航天电子技术研究所，上海 201100）

一种全双工射频收发系统的设计与实现

谢作全 康 超 王宇

（上海航天电子技术研究所，上海 201100）

随着通信技术的进步，射频无线通信的技术取得了迅猛发展，无线通信技术也日趋成熟和稳定，射频收发系统的通用化和小型化成为一个重要的发展方向。本文对基于软件无线电技术的射频收发原理进行介绍，并对几种常用的方案进行了分析，对比了各方案集成化、小型化的优缺点，最后使用ADI生产的一款集成式宽带捷变收发器，构建硬件平台，实现一种简易的全双工多通道的射频收发系统。

射频通信；全双工；软件无线电；FPGA

1 概述

近年来，随着射频无线通信技术的不断发展，射频无线通信已经广泛地应用于我们日常的生活中，如个人无线通信、无线基站、卫星通信、全球卫星定位系统等。而软件无线电技术（SDR）作为新型的射频无线通信体系结构，减少了模拟环节，把数字处理尽量地靠近天线，利用相同的硬件平台，只需要通过软件的更新，就可以实现不同码速率，不同调制方式，不同编码方式。但由于软件无线电技术成本相对较高，目前更多地应用于军工等少数高端领域。

目前ADI公司推出了AD936x系列射频捷变频收发器，集成式的RF收发器AD936x包括混频器、频率合成器、模拟滤波、数据转换器和其他功能。AD936x的推出使基于软件无线电技术的无线通信系统的实现更加简易，本文将利用AD9361+FPGA的硬件框架，构建一个小型化的全双工射频收发系统。

2 工作原理

软件无线电的中心思想是构建一个通用化、模块化、标准化及可重构的硬件平台，将数模模数转换器（ADC，DAC）尽可能地靠近天线，采用相同的射频模拟前端，只通过修改软件的方法，来实现不同的通信系统。

基于软件无线电技术的射频无线通信框架已经比较成熟，一般采用射频收发前端和数字中频/基带处理模块实现。从功能角度上看，整个系统可以分为收发链路两部分，接收链路包括低噪放、接收本振、下变频、AGC、ADC及数字接收机；发射链路包括数字基带、本振、上变频、放大器几部分。如图1所示：

图1 射频无线通信系统框图

射频通信系统之间最大区别之一在于射频收发前端和数字中频/基带处理模块的接口信号频率不同，根据频率范围的不同，可划分为三种：零中频、普通中频和高中频方案。下面就各种方案逐一进行分析：

2.1 零中频方案

以接收链路为例，零中频方案如图2所示。天线之后的接收信号经低噪放放大之后，与正交的两路本振信号进行相乘产生两路正交的基带信号，本振信号可以等于载波频率或仅与载波频率相差一个很小的频差（如1MHz以内）。经过后续AGC及滤波之后，由两片AD芯片对IQ两路信号进行模数转换，并送至后续的数字模块进行处理。

图2 零中频方案

2.2 普通中频方案

普通中频方案如图3所示。本振和接收的信号间有一定的频率差，比较常用的有70MHz，从而混频后的数据带有一定的中频载波信号。信号经过后续的处理及模数转换后，在数字模块中利用数字IQ分离。

图3 普通中频方案

2.3 高中频方案

高中频的方案可以参考普通中频的方案，区别在于本振和接收的信号间频率差较高，比较常用的有180MHz或者更高中频。

2.4 方案比较

以上三种方案各具优缺点，如表1所示：

表1 三种方案优缺点比较

从系统复杂程度来讲，由于高中频方案可以收发公用本振，并只有一个混频通道，最为简洁；零中频方案需要两个混频通道、本振和AD，最为复杂；普通中频介于两者之间。而从灵活性和实现难易程度来看，零中频对滤波器的带宽、Q值，AD带宽及采样率的要求都较低，采样时钟选择方便，无需与本振相干，不存在中频中心频点选择问题，实现起来具有很高的灵活性和自由度。

ADI推出的AD936系列采用了零中频的方案，集成了模拟滤波、混频器、数据转换器、发射和接收通道的频率合成器以及包括可编程增益、直流偏置校准等数字域的其他功能，可实现射频信号到零中频的频谱搬移，具备出色的灵活性和可配置性。下面我们将利用AD9361+FPGA的硬件框架，实现全双工射频收发系统。

3 方案设计

整个射频收发系统基于软件无线电技术，采用AD9361+ FPGA的硬件框架，搭配简单外围接口电路及供电模块，在AD9361完成对射频信号的频谱搬移和数模模数转换。在FPGA中实现数据的调制解调功能。FPGA选择了XILINX公司K7系列的XC7K160T，该芯片可匹配AD9361的接口电路，而且具有丰富的内部资源和多种常用的对外接口。系统硬件框图如图4所示：

图4 射频系统硬件框图

AD9361集成了射频收发前端的所有功能以及ADC和DAC模块，可实现两路射频信号的收发。接收时，前端的射频信号经过巴伦转化为差分信号后输入给AD9361，在AD9361实现射频信号的放大、混频和滤波，将输入的射频信号搬移到零中频（可设置一定的小频率差），经过ADC的模数转换后通过数字接口传输给FPGA，完成后续的数字处理。发射时，FPGA将IQ两路的数据发送给AD9361，在AD9361中实现数模转换以及滤波、放大、混频等功能，最后通过巴伦将差分信号转为单端输出。

FPGA通过SPI接口通过对AD9361中的寄存器的读写实现对AD9361的配置，AD9361作为一款宽幅的射频捷变频收发器，具备70MHz～6GHz的可调频率范围,还有200kHz～ 56MHz的通道带宽,以及可编程的滤波器，而且所有的配置只需要修改FPGA中的配置程序即可完成。

基于软件无线电技术，AD9361作为射频收发前端，实现了射频信号从射频到基带数字信号的转换，在FPGA中可对模数转化后的数字数据进行后续处理，通过调用不同的调制解调模块，即可实现不同码速率、不同带宽、不同调制方式的信号的调制解调，例如比较常用的BPSK，QPSK，FSK，MSK等调制方式。由于A9361和FPGA都具有可修改性，整个射频收发系统具有很强的可配置性和灵活性。

4 结语

本文对基于软件无线电技术的射频通信系统的原理进行了研究，并分析了实现几种方案集成化的优缺点，并基于AD936X+FPGA硬件框架搭建了射频收发系统，这种具有很强灵活性的射频收发系统，可适用于各种场景和领域中，具有广阔的应用前景。

[1]杨小牛，楼才义．软件无线电原理与应用[M]．北京：电子工业出版社，2001．

[2]韩刚，张睿，李建东．软件无线电接收机的一种实用结构[J]．西安电子科技大学学报，2001，28(4)：538-542．

[3]田耘．无线通信FPGA设计[M]．北京：电子工业出版社，2008．

[4]邵善友，杨家玮．软件无线电发射机的FPGA实现[J]．电讯技术，2005，45(4)：124-128．

Design and Implementation of a FullDuplex RFTransceiver System

Xie Zuoquan Kang Chao Wang Yu
(ShanghaiAerospace Electronic Technology Research Institute,Shanghai201100)

With the progressof communication technology,RFw ireless communication technology hasmade the rapid development.Wireless communication technology hasbecomemoreandmoremature and stable.Universalandminiaturization of RF transceiver system have become the important development directions.In this paper,the principle of RF transceiver based on Software Defined Radio technology is introduced,several common schemes are analyzed,and the advantages and disadvantages of them iniaturization and integration of each schemeare compared.Finally an integrated radio frequency(RF)Agile transceivermade by ADIis used to construct thehardware platform and realizea simple fullduplex RF transceiversystem.

RF communication;fullduplex;SDR;FPGA

TN838；TN851

A

1008-6609(2017)06-0031-03

谢作全(1986-)，男，浙江温州人，硕士研究生，工程师，研究方向为遥测通信系统。