張德智,李金龍,宋兆涵

(中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院,北京 100076)

1 引言

測(cè)控?cái)?shù)傳測(cè)試設(shè)備是飛行器測(cè)控通信測(cè)試系統(tǒng)和整器測(cè)試系統(tǒng)的重要組成部分,除完成分系統(tǒng)通信功能和鏈路指標(biāo)測(cè)試驗(yàn)證外,還承擔(dān)整器大型地面試驗(yàn)過程中遙測(cè)數(shù)傳數(shù)據(jù)獲取以及指令上注等功能。地面測(cè)試設(shè)備已經(jīng)在向標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化和體系化方向發(fā)展[1],以PXI 總線和VPX 總線架構(gòu)為代表的通用測(cè)控?cái)?shù)傳基帶設(shè)備已經(jīng)成為型號(hào)測(cè)試的主力設(shè)備,上述設(shè)備雖然功能齊全、性能可靠,但存在著設(shè)備尺寸大、重量重、耗電大及轉(zhuǎn)場(chǎng)、轉(zhuǎn)運(yùn)不靈活的問題,導(dǎo)致外場(chǎng)測(cè)試使用困難。因此有必要研究結(jié)構(gòu)輕巧的便攜式測(cè)控?cái)?shù)傳測(cè)試設(shè)備,在具有傳統(tǒng)設(shè)備功能的同時(shí),更具有便捷性和重構(gòu)性,能夠承擔(dān)復(fù)雜環(huán)境下的飛行器外場(chǎng)測(cè)試任務(wù)[2]。

近年來,隨著現(xiàn)代集成電路技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用,以Analog Devices(AD)公司AD9371/AD9375 系列芯片和新推出的ADRV9009 為代表的數(shù)字捷變頻芯片大量出現(xiàn),這類芯片成本低、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能先進(jìn)、設(shè)計(jì)高度集成化,已在通信和雷達(dá)系統(tǒng)中得到了大量應(yīng)用[3,4]。因此,采用基于ADRV9009 的捷變頻設(shè)計(jì)形式,將傳統(tǒng)測(cè)控?cái)?shù)傳測(cè)試設(shè)備分立設(shè)計(jì)的信號(hào)放大、濾波、變頻、基帶采樣、信號(hào)抽取等環(huán)節(jié)合并至一片ADRV9009 芯片中[5],實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的高度集成化和小型化設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)需求分析

根據(jù)任務(wù)需要,本測(cè)試設(shè)備產(chǎn)生1 路上行遙控信號(hào)和3 路測(cè)量信號(hào),共用點(diǎn)頻f1使用碼分多址方式進(jìn)行區(qū)分,具有遙控自閉環(huán)功能,可對(duì)發(fā)出的遙控信號(hào)進(jìn)行一致性比對(duì);接收1 路下行遙測(cè)信號(hào)和1 路測(cè)量信號(hào),共用點(diǎn)頻f2使用碼分多址方式進(jìn)行區(qū)分,具有遙測(cè)模擬源功能進(jìn)行遙測(cè)通道閉環(huán)檢測(cè);接收1 路下行數(shù)傳信號(hào),使用點(diǎn)頻f3,具有數(shù)傳模擬源功能進(jìn)行數(shù)傳通道閉環(huán)檢測(cè)。遙測(cè)、遙控信號(hào)帶寬為20 MHz,數(shù)據(jù)速率不大于16 kbps,數(shù)傳信號(hào)碼速率為2.048 Mbps,遙測(cè)與數(shù)傳分時(shí)工作,設(shè)備與飛行器外場(chǎng)無線通信距離不低于2 km。

2.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)上述需求,采用Zynq7100+ADRV9009 的軟硬件結(jié)合設(shè)計(jì)方案,由Xilinx 公司的Zynq7100 系列SoC(Xc7z100ffg900-2)做信號(hào)處理平臺(tái),AD 公司的ADRV9009 實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)的收發(fā)調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)采樣。

Zynq7100 系列SoC 由可編程邏輯(Programmable Logic,PL)系統(tǒng)以及處理器系統(tǒng)(Processing System,PS)緊密結(jié)合而成,滿足嵌入式系統(tǒng)靈活性更高、可配置性更高、功耗更低、運(yùn)行效率更高的使用需求[6]。PL 部分提供足夠的FPGA 設(shè)計(jì)資源進(jìn)行邏輯開發(fā),采用HDL(Hardware Description Language)語言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的調(diào)制、解調(diào)、編碼等物理層協(xié)議;PS部分由Zynq7100 的雙核ARM 作為CPU,運(yùn)行用戶C/C++語言編寫的嵌入式軟件[7],完成軟件接口、底層驅(qū)動(dòng)與功能配置開發(fā),實(shí)現(xiàn)對(duì)外設(shè)芯片的配置及對(duì)外網(wǎng)絡(luò)通信。

2.3 器件主要參數(shù)

ADRV9009 芯片支持雙通道收發(fā),收發(fā)通道共用點(diǎn)頻,最大采樣率為491.52 Msps,最大接收帶寬為200 MHz,最大可調(diào)諧發(fā)射器合成帶寬為450 MHz,調(diào)諧范圍為75～6 000 MHz,同時(shí)器件擁有自動(dòng)和手動(dòng)衰減控制、直流失調(diào)校正、正交誤差校正(QEC)和數(shù)字濾波功能[8],采樣率、帶寬等性能參數(shù)符合使用要求,且預(yù)留了后續(xù)更高速率數(shù)傳的升級(jí)空間。根據(jù)任務(wù)需求,需要使用兩片ADRV9009 芯片,一片作為遙控和3 路測(cè)量信號(hào)的發(fā)射及自閉環(huán)接收;一片作為遙測(cè)和1 路測(cè)量信號(hào)的接收及遙測(cè)模擬源發(fā)射,同時(shí)分時(shí)復(fù)用接收數(shù)傳信號(hào)產(chǎn)生數(shù)傳模擬源。

Zynq7100 系列SoC 的PS 核心是主頻800 MHz的雙核ARM(CortexA9)處理器系統(tǒng),可支持DDR3、串口、SPI、SD Card、USB 2.0、Ethernet 等多種外設(shè),可通過AXI4 協(xié)議實(shí)現(xiàn)PS 與PL 之間的高速數(shù)據(jù)交互。PL 系統(tǒng)邏輯資源如表1 所示,具有豐富的LUT(查找表)、DSP(數(shù)字信號(hào)處理)和MMCM(時(shí)鐘管理)資源,GTXE(高速傳輸接口)收發(fā)速度可達(dá)12.5 Gbps,可滿足本任務(wù)使用要求。

表1 Zynq7100 系列PL 資源Tab.1 PL resources of Zynq7100 series

2.4 鏈路復(fù)核

ADRV9009 芯片最大輸出功率Pout=10 dBm,前端巴倫損耗Gloss=2 dB,發(fā)射端可調(diào)衰減范圍Atten=(0～30) dB,接收端最大容忍電平Pglmax=-11 dBm,接收噪聲系數(shù)Nf=13 dB,接收端可調(diào)衰減范圍為0～45 dB。地面發(fā)射天線增益Gtg=5 dB,地面接收天線增益Grg=5 dB。飛行器上發(fā)射EIRP(Equivalent Isotropically Radiated Power)為35 dBm,接收機(jī)靈敏度Psmin=-112 dBm,器上接收天線增益Grs=3 dB,通信距離R=2 km。

遙控信號(hào)接收電平按公式(1) 計(jì)算,其中,f1為通信頻率(單位Hz),c為光速(單位m/s),相比接收靈敏度Psmin=-112 dBm,電平有23 dB 余量。

地面接收信號(hào)Eb/N0按公式(2) 計(jì)算,接收機(jī)噪底N0=-174 dBm/Hz,解調(diào)損失Loss=3 dB,Rb為信息傳輸速率(bps),π 為常數(shù),相比誤碼率Pe=10-5所需的10.6 dB 門限要求,解調(diào)有11.4 dB 余量,故接收端可以不額外使用LNA(Low Noise Amplifier),可進(jìn)一步簡(jiǎn)化接收鏈路設(shè)計(jì),有利于產(chǎn)品小型化設(shè)計(jì)。

自閉環(huán)通道接收電平Pglin按公式(3)計(jì)算,Attmax為發(fā)射端最大衰減值為30 dB,因此相比Pglmax=-11 dBm的通道接收上限,電平有13 dB 余量,不會(huì)損壞接收設(shè)備。

綜上分析,選用芯片的參數(shù)指標(biāo)可滿足任務(wù)無線傳輸需求。

3 硬件設(shè)計(jì)

設(shè)備硬件采用“載板+FMC(FPGA Mezzanine Card)子卡”的設(shè)計(jì)形式,如圖1 所示,FMC 子卡承擔(dān)射頻信號(hào)收發(fā)處理,載板負(fù)責(zé)數(shù)字信號(hào)處理與對(duì)外通信。

FMC 子卡主要包含兩片ADRV9009 芯片和高性能鎖相環(huán)芯片LMK04610 組成。發(fā)射通道由ADRV9009 將載板送來的基帶信號(hào)進(jìn)行采樣率變換、DAC 轉(zhuǎn)換和濾波處理后上變頻至發(fā)射點(diǎn)頻,通過寬帶巴倫將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端信號(hào)經(jīng)SMA 接口對(duì)外輸出。接收通道使用寬帶巴倫將SMA 接口送來的單端信號(hào)進(jìn)行差分轉(zhuǎn)換,送至ADRV9009 進(jìn)行下變頻、濾波和ADC 采樣后進(jìn)行采樣率變換,送至載板進(jìn)行后級(jí)信號(hào)處理。LMK04610 作為地面設(shè)備的時(shí)鐘基準(zhǔn),可外接參考輸入也可直接使用本地晶振,為兩片ADRV9009 提供高精度工作時(shí)鐘和SYSREF 信號(hào)實(shí)現(xiàn)片上同步,為載板Zynq7100 芯片提供高精度工作時(shí)鐘、MGT 高速收發(fā)接口時(shí)鐘和SYSREF 信號(hào)。

根據(jù)2.1 節(jié)需求分析,片1 的TX1 通道發(fā)射頻率為f1的上行遙控信號(hào)和3 路測(cè)量信號(hào),TX2 發(fā)射通道預(yù)留,片1 的RX1 通道接收頻率為f1的遙控自閉環(huán)信號(hào),片1 的RX2 接收通道預(yù)留,片上自帶的兩路ORX 通道不使用;片2 支持遙測(cè)接收和數(shù)傳接收兩種工作模式,通過PS 進(jìn)行SPI 配置實(shí)現(xiàn)分時(shí)復(fù)用,遙測(cè)模式TX1 發(fā)射通道產(chǎn)生頻率為f2的遙測(cè)模擬源,RX1 通道接收頻率為f2的遙測(cè)信號(hào),TX2 和RX2 預(yù)留,兩路ORX 通道不使用;數(shù)傳模式TX1 發(fā)射通道產(chǎn)生頻率為f3的數(shù)傳模擬源,RX1 通道接收頻率為f3的數(shù)傳信號(hào),TX2 和RX2 預(yù)留,兩路ORX 通道不使用。

ADRV9009 芯片與載卡Zynq7100 芯片間使用JESD204B 接口進(jìn)行ADC/DAC 數(shù)據(jù)高速傳輸。JESD204B 接口最高支持12.288 Gbps 高速數(shù)據(jù)傳輸,可極大簡(jiǎn)化IO 布線數(shù)量,多路傳輸可自動(dòng)時(shí)序?qū)R,自動(dòng)修正信道偏移影響,從而顯著降低PCB布局面積和走線難度[9]。本設(shè)計(jì)中接收和發(fā)射通道采樣率fs=122.88 Msps,每片ADRV9009 發(fā)射和接收各有兩個(gè)通道,每個(gè)通道使用兩個(gè)ADC 和兩個(gè)DAC 進(jìn)行正交采樣,因此采集設(shè)備數(shù)量M=4。每幀中采樣數(shù)S=1,ADC/DAC 采樣精度N=16 bit,JESD204B 采用8 b/10 b 編碼,若使用L=2 個(gè)Lane進(jìn)行傳輸,則每個(gè)Lane 的速率按公式(4)計(jì)算。

載板主要由Zynq7100 及外設(shè)和接口設(shè)備組成,載板配置有33.333 MHz 晶振為Zynq7100 的PS 部分提供工作時(shí)鐘,配置有50 MH 晶振為PL 提供工作時(shí)鐘,配置有25 MHz 晶振為PHY 芯片提供工作時(shí)鐘。

Zynq7100 的PL 部分完成JESD204B 的協(xié)議轉(zhuǎn)換,并進(jìn)行數(shù)據(jù)的調(diào)制、解調(diào)、信道編解碼、組幀等數(shù)字信號(hào)處理工作。PS 部分通過DDR3 外設(shè)訪問MT41K256M16TW 內(nèi)存芯片,該內(nèi)存作為PS 程序運(yùn)行的存儲(chǔ)空間,大小為1 GB。PS 通過SPI 總線對(duì)兩片ADRV9009 芯片和鎖相環(huán)LMK04610 進(jìn)行初始化和參數(shù)配置,實(shí)現(xiàn)遙測(cè)和數(shù)傳模式的切換。PS 通過串口外設(shè)及USB -串口轉(zhuǎn)換芯片,實(shí)現(xiàn)利用計(jì)算機(jī)USB 接口進(jìn)行與設(shè)備的串口通信,實(shí)現(xiàn)程序的加載和在線調(diào)試及信息打印。PS 通過Ethernet 外設(shè)接口訪問88E1116 千兆以太網(wǎng)PHY 芯片,實(shí)現(xiàn)對(duì)外網(wǎng)絡(luò)通信,支持TCP 和UDP 協(xié)議。PS 通過SD 卡外設(shè)接口可訪問Micro SD 設(shè)備,將SDK 生成的Boot.bin 文件存儲(chǔ)到SD 卡中,可實(shí)現(xiàn)設(shè)備上電后程序自動(dòng)加載和運(yùn)行,通過更換SD 卡里的Boot.bin 文件內(nèi)容,可使設(shè)備工作于不同的功能,實(shí)現(xiàn)了設(shè)備軟件便捷升級(jí)。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件無線電設(shè)計(jì)

根據(jù)ADRV9009 芯片工作原理,其對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行模擬直接下變頻和低通濾波后,形成相互正交的I/Q 兩路基帶信號(hào),隨后進(jìn)行ADC 采樣。這種零中頻處理方式相對(duì)于超外差結(jié)構(gòu)接收機(jī)去除了中頻處理環(huán)節(jié),可節(jié)省較多濾波和變頻組件,使得通道集成化程度進(jìn)一步提升。缺點(diǎn)為模擬變頻存在I、Q 幅相不一致以及零頻漂移問題,特別是零頻漂移問題對(duì)弱信號(hào)接收解調(diào)產(chǎn)生不利影響,易產(chǎn)生誤碼。

為了降低零頻漂移對(duì)小信號(hào)的不利影響,可以采用數(shù)字中頻的方式進(jìn)行載波偏置。設(shè)置本地接收載頻和真實(shí)信號(hào)頻率存在一個(gè)頻率偏差ωd,使用零中頻直接下變頻的物理結(jié)構(gòu)后會(huì)形成殘留載頻,數(shù)值為ωd,后續(xù)所有的信號(hào)處理環(huán)節(jié)均在中心頻率為ωd的數(shù)字域內(nèi)進(jìn)行,通過增加少量的PL 邏輯資源開銷,可在保留零中頻接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)外同時(shí)額外獲取超外差接收機(jī)的優(yōu)秀特性。

對(duì)于發(fā)射端,設(shè)Ir(t)、Qr(t)信號(hào)為接收到的基帶信號(hào),則ADRV9009 下變頻后輸出給Zynq7100 的基帶信號(hào)IB(t)、QB(t)形式為:

對(duì)于接收端,輸入信號(hào)S(t)可表示為正交復(fù)信號(hào),即公式(7),其中,A(t)為基帶信號(hào)波形,θ為殘留相差。

因此,正交下變頻結(jié)構(gòu)如圖2 所示。對(duì)正交下變頻后的信號(hào)再進(jìn)行濾波、積分清零、載波同步、位同步、幀同步等處理,可恢復(fù)出原始PCM 數(shù)據(jù)。

圖2 正交下變頻結(jié)構(gòu)Fig.2 Orthogonal downconversion block diagram

4.2 PS 軟件設(shè)計(jì)

設(shè)備加電初始運(yùn)行后,自動(dòng)從SD 卡中讀取Boot.bin 文件加載到程序運(yùn)行空間中,從Main 函數(shù)開始執(zhí)行代碼,程序執(zhí)行過程如圖3 所示。

圖3 PS 程序執(zhí)行流程Fig.3 PS program execution flow chart

程序首先初始化Zynq GPIO 實(shí)例,明確相應(yīng)管腳功能及輸入、輸出方向;然后初始化SPI 接口,明確時(shí)鐘及協(xié)議類型,針對(duì)不同對(duì)象配置相應(yīng)SPI 數(shù)據(jù);初始化LMK04610 鎖相環(huán)實(shí)例,對(duì)其進(jìn)行SPI 配置,設(shè)置對(duì)外輸出的時(shí)鐘頻率,為板載各器件分配時(shí)鐘;隨后對(duì)兩片ADRV9009 分別進(jìn)行初始化,包括配置頻率特性、通道特性、FIR 濾波器特性、JESD204B 接口配置等內(nèi)容,SPI 配置完成后回讀查詢配置狀態(tài),若狀態(tài)符合則初始化成功,若不符合則復(fù)位芯片重新配置,最大允許重復(fù)配置次數(shù)255次,若始終無法完成正確配置則程序跳轉(zhuǎn)至打印錯(cuò)誤日志,程序退出。

ADRV9009 芯片配置完成后,進(jìn)行Zynq 中斷系統(tǒng)配置,分配中斷編號(hào)和關(guān)聯(lián)處理函數(shù);初始化各通道DMA 并使能通道傳輸;為設(shè)備指定IP 地址及端口,初始化LWIP 協(xié)議棧,作為Server 端監(jiān)聽端口連接,關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收、發(fā)處理函數(shù);用戶自定義程序段根據(jù)任務(wù)需要配置有網(wǎng)絡(luò)指令解析、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理等功能。初始化正確結(jié)束后進(jìn)入While(1)循環(huán),在循環(huán)體內(nèi)部不斷進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)收發(fā)處理、DMA 數(shù)據(jù)傳輸、狀態(tài)監(jiān)視等內(nèi)容。

5 測(cè)試結(jié)果

研制的設(shè)備最終實(shí)物尺寸為30 cm×23 cm×3 cm,重量?jī)H1.9 kg,通道主要功能測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 便攜式測(cè)控?cái)?shù)傳測(cè)試設(shè)備測(cè)試情況Tab.2 Test of portable telecontrol telemetry and data transmission test equipment

遙控通道和遙測(cè)模擬源輸出頻譜截圖如圖4 所示,數(shù)傳信號(hào)頻譜圖和星座圖如圖5 所示。各發(fā)射通道指標(biāo)優(yōu)于-30 dBm,帶外抑制優(yōu)于40 dB 指標(biāo)要求,接收靈敏度優(yōu)于-75 dBm,功能指標(biāo)符合使用要求。

圖5 數(shù)傳遙測(cè)模擬源頻譜圖和星座圖Fig.5 Data transmission simulated source spectrum &planisphere

6 結(jié)束語

通過軟硬件結(jié)合的設(shè)計(jì)形式,采用ADRV9009 +Zynq7100 系統(tǒng)架構(gòu),實(shí)現(xiàn)了遙控、遙測(cè)和數(shù)傳通道測(cè)試功能,并預(yù)留了后續(xù)功能、性能進(jìn)一步升級(jí)的空間。實(shí)物測(cè)試表明,設(shè)備重量和體積相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)大幅減小,通道性能符合指標(biāo)要求。該設(shè)備已應(yīng)用于某型號(hào)外場(chǎng)天地對(duì)接測(cè)試和地面測(cè)試,在外場(chǎng)任務(wù)期間,設(shè)備工作穩(wěn)定、鏈路質(zhì)量良好。