］ 【本文献信息】姜浩，张治． 基于 AD9361 的软件无线电平台设计与实现［ ． 电视技术， J 2015 ( ， 39 ) ． 15 基于 AD9361 的软件无线电平台设计与实现 姜 浩，张 治 ( 北京邮电大学 泛网无线通信教育部重点实验室，北京 100876) 摘要: 基于新一代软件无线电平台的研制，采用 AD9361 集成射频捷变收发器代替分立器件射频收发端的搭建，该平台在 Linux 操作系统下实现以满足更好的实时性要求。介绍了此软件无线电平台的设计架构，阐述了 SPI 数据接口与控制接口 设计，并针对性地做了系统测试。该系统使用 AD9361 集成射频收发器来搭建软件无线电平台，真正实现了软件可编程的 无线电系统。 关键词: AD9361; 软件无线电; Linux; SPI 中图分类号: TN919. 5 DOI: 10. 16280 / j. videoe. 2015. 15. 012 文献标志码: A Study on Software Defined Ｒadio System Based on AD9361 JIANG Hao ， ZHANG Zhi ( Wireless Technology Innovation Institute ， Beijing University of Posts and Telecommunications ， Beijing 100876 ， China ) : Abstract For design of the next generation of the software radio system ， a new method is studied based on the highly integrated ra- dio frequency agile transceiver instead of the separate device. This platform is implemented in Linux operating system to meet the higher real－time requirement. The design architecture ， the SPI data interface and the control interface of the system are intro- duced ， then the system is tested. This system pioneered the use of the AD9361 integrated ＲF transceiver to build a software radio system ， which truly realizes the programmable software radio system. Key words : ; AD9361 software radio system ; ; Linux SPI 1 ］， 。 年 在 SDＲ 1992 J. Mitole 月的美国全国电信会议上［ 首次 5 提出软件无线电( ) ，之后便受到广泛的关注和研究，软件 无线电的基本思想是数字化在靠近天线的前端进行，所需要的 然而，在 处理都通过高速数字信号处理单元中的软件来实现 实际应用中，由于其要求极高的软硬件处理能力，因此，直到现 在，纯粹的软件无线电概念并没能在实际产品中得到广泛应用 。 如今，大多软件无线电平台用离散器件搭建，但离散器件 功耗大，系统成本高，需要设计人员有很丰富的硬件设计和射 频信号处理经验，另外，对软件方面的要求门槛也很高，并且， 两大通信标准 和 随着 多个，传统的软件无线 共存，全球所需要支持的频段多达 电设计方案需要设计不同的硬件平台来支持不同的制式和频 段，开发周期长，设计成本高，需要投入大量的人力 物力，给 、 软件无线电的商业化提出了挑战 技术的发展， FDD－LTE TD－LTE LTE 。 然而，随着集成技术的发展， 集成射 频捷变收发器为上述问题提供了解决方案，引起了软件无线电 领域研究人员的极大关注，被称为 应用领域的革命性解 决方案［ 在此背景下，本文提出了一种基于 推出的 的软件 AD9361 SDＲ ADI 40 ］ 2 AD9361 。 无线电平台设计方案，并实现了基于此芯片的软件无线电系统 平台的研制开发，且对其部分性能进行了测试 实践表明， 。 AD9361 捷变收发器在软件无线电领域有着良好的应用前景 。 1 AD9361 结构与特点 1. 1 AD9361 芯片结构 ADI 公司推出的一款面向 是 4G 高 集 成 度 的 射 频 捷 变 收 发 器，采 用 引脚芯片级球栅阵列封装［ 3G 和 10 mm × ］，芯片的内部结构如 基站应用 3 、 AD9361 的高 性 能 10 mm、144 图 所示 。 1 4 的 和 、12 DAC ADC 位的 芯片采用了零中频架构［ ］，将整个射频以及中频信号电 路集成在一个芯片中，包括射频放大器 模拟滤波器 混频器 、 、 、 收发器，另外还集成 解调器 了收发通道的频率合成器，同时为每个接收子系统集成了独 立的自动增益控制( 正交校正和数字 ］，消除了数字基带中提供这些功能的必要性，每个 滤波电路［ 信号 信号和 通道搭载两个高动态范围 进行数字化处理，然后将其传过可配置抽取滤波器和 直流失调校正 ，先将收到的 ＲF2 × 2 ADC AGC 、 、 Q I ) 5 抽 128 投稿网址 http: www．pvacn．com |《电视技术》第 39 卷第 15 期( 总第 468 期) 51 

图 2 软件无线电系统架构 与 AD9361 2. 2 SPI 接口设计 FPGA 之间的数据交互通过 ) 信号和 差分( LVDS 样速率可达 的接口分为数据接口和控制接口，芯片 路 接口传输，支持 的 12 bit DAC / ADC 6 12 路单端( ; CMOS 对 ) 信号， IQ 单路最大采 的控制信息通过 转 61. 44 MHz 的控制接口进行传输， FPGA AD9361 与上位机通过 SPI FPGA PCIE PCIE 接口传输信息，配置过程中上位机对射频端的寄存器控制通 过 接 口传给射频端，射频段完成配置，实现实时的射频参数和工作 状态的配置 接口写到内存( ) 中， 通过 FPGA PCIE PCIE DDＲ SPI 转 。 7 3 PCIE ］，再通过读 端通 过 ) 队列中［ 数据的发射过程主要分为两个阶段，如图 所示，第一阶 接 口 将 数 据 和 控 制 信 息 写 入 先 进 先 出 中，第二 再 从 读数据传给射频段完成发射配置功能，过程中使用了 同样，接收链路也分两个阶段， 作为数据的缓冲机制 机 。 模块将接收到的数据通过 FIFO 中读数据到另一个 所示，第一阶段 将数据读到 中，之 后 FPGA FIFO DDＲ DDＲ PC 段 ( FIFO 阶段从 FIFO FIFO 如图 4 FIFO ＲX 制依次写入 中的数据 。 DDＲ 中，阶段二上位机通过 DMA 传输读取 DDＲ 图 3 数据接口发射过程 2. 3 ENSM 状态机设计 AD9361 换，因此，该系统通过使用 状态的实时切换，系统支持 收发器包含有使能状态机，允许状态的实时切 接口实时更改寄存器值来实现 两种通信模式，可以 SPI 与 FDD TDD 图 1 AD9361 芯片架构图 头有限脉冲响应( 输出信号 6 FIＲ 此外，完全集成的锁相环( ) 滤波器［ ］，以相应的采样率生成 路 ) 可为所有收发通道 分频频率合成功能，并且芯片集成了频分双工 PLL 12 。 ) 系统需要的通道隔离，还集成了 VCO 和环路滤波器件 。 N 提供低功耗的 ( FDD 1. 2 AD9361 性能特点 的工作频率为 4 AD9361 70 MHz ～ 6 GHz 200 kHz ～ 56 MHz ，涵盖了大部分特 许执照和免执照频段，支持可调谐 的通道 带宽，且具有高度的可编程能力，发射器采用了直接变频架 ］，可实现较高的调制精度和较低的噪声，在接收通道，接 构［ 可以 收噪声系数可以做到小于 ，可为外部功率放大器的选择留出客观的系 自动增益和更加灵活的手动 ，此外，该芯片的 做到小于 统裕量，并且，芯片还支持 增益模式，支持外部控制 － 40 dB 2. 5 dB EVM AGC 。 2 基于 AD9361 的软件无线电系统的 设计 2. 1 软件无线电系统 软件无线电系统的设计如图 所示，该系统射频端采用 2 片 4 AD9361 使单系统支持 高速背板上搭载了 8 × 8 MIMO ，背板通过 4 ，该系统在一块 PXIE 块数字板，每块数字板上 接口与数字 PCIE 接口完成控制通 提供数据接 SPI 通过 和一块 与 FPGA FPGA AD9361 Hybrid 8 slots 搭载一块 AD9361 板和主控相连， 信 口，以及通过 。FPGA PCIE 主要功能是完成时序控制，为 AD9361 与背板连接于上位机完成交互 。 52 《电视技术》第 39 卷第 15 期( 总第 468 期) |投稿网址 http: www．pvacn．com 

图 4 数据接口接收过程 通过更改寄存器 0x013 ［ ］的值来实现两种模式的切换，当 0 时，系统进入 模 所示，灰色框图表示 模式，值为 时进入 FDD 1 值为 0 TDD 0x013 式，两种模式下系统状态切换分别如图 会自动进入的状态，为了进入 为 WAIT 或 ，同样，若要进入 ＲX、TX ，而进入睡眠模式需要在 FDD 0 5 为 1 状态，需设置 模式，设置 TO_ALEＲT TO _ALEＲT 模式前提下，禁用 WAIT 在默认状态下， SPI 为 的时钟和锁相环 化过程中，设置 状态，之后通过配置相应寄存器值使设备进入上述各状态 Force Alert State AD9361 控制是被禁用的，初始 ，设备强制进入 ALEＲT 。 1 。 图 5 TDD 与 FDD 使能状态图 2. 4 接口软件设计 Linux 首先，基于 操作系统较 系统有相对简单 ］，可 稳定的系统架构，丰富的开源资源以及更好的实时性［ 以更好地满足系统平台的要求，降低开发难度，因此该系统软 件设计选用基于 的开发环境 Windows 8 Linux 。 AD9361 接口软件主要实现的功能是完成对 芯片的初始 化配置以及实时性的控制，并为用户提供一个简单的控制界 面，界面 用 ］ 编 写，接 口 软 件 主 要 实 现 的 功 能 有 等工作状态的切 采样频率等关键射频参数的配置， 、 自动增益控制的切换，单 双音信号 、 的初始化，通信模式休眠 AD9361 换，信道带宽 手动增益控制与 本振频率 、 、FDD、TDD 语 言［ QT 9 ＲX 及文件信号的发送 AGC 软件界面接口如图 所示 。 6 。 图 6 控制界面( 截图) 3 系统测试 3. 1 单音波通信试验 首先，对软件控制性能实施测试，通过用户界面对衰减 、 带宽等参数进行配置，通过参数返回值 发射频率 、 以及频谱仪来观察系统的控制情况，结果显示，能正确的对系 统进行配置 采样频率 、 之后，对系统进行了单音信号的发送测试，频率为 所示，实验表明单音信号能正常发送 的单音信号如图 2 MHz 。 。 7 图 7 单音信号( 截图) 3. 2 QPSK 通信试验 之后，对系统文件发送进行测试，发送已知 数据文 QPSK ，通过频谱仪接收数据与 MATLAB 仿 为 实 际 接 收 到 频 谱，综 合 对 比 得 出 图 。 8 为 MATLAB 仿真 通 信 QPSK 2. 5 GHz 件，中心频率为 真数据进行对比，大致判断通信效果 频谱，图 成功 3. 3 LTE 通信试验 用系统发送长度为 ，采用 。 9 LTE－TDD 数据，通过频谱仪选件接收数据并对数据进行解调分析，图 为解调结果，通过参数对比，虽然其性能还有待进一步提 64QAM 40 ms 10 高，但总体来说验证了 通信成功 。 LTE 调制的 投稿网址 http: www．pvacn．com |《电视技术》第 39 卷第 15 期( 总第 468 期) 53 

4 结语 AD9361 本文详细介绍了基于 的新一代软件无线电平台 的结构及实现过程，本系统通过使用 集成收发器代 替分立器件射频段搭建，降低了软件无线电系统的开发周期 与成本，并对系统的初步性能进行了验证，证明了 捷 变收发器在软件无线电领域良好的应用前景，随着系统的进 一步开发，本系统性能还有很大的提升空间 AD9361 AD9361 。 图 8 MATLAB 仿真信号频率( 截图) 参考文献: ］ 杨小牛，楼才义，徐建良 ［ 1 软件无线电技术与应用［ M ］ ． . 北京: 北 京理工大学出版社， 2010 OL ］ 冯超 ［ 2 ］ ． ［ ］ 余莲 3 ］ ［ J ． 推出 应用的革命性解决方案 ———AD9361 EB / ［ . ADI ［ SDＲ ］ 2015－03－28 ． http : / / home. eeworld. com. cn ， 2013． : 基于突破性技术 促 进 软 件 定 义 无 线 电 应 用 . AD9361 电子技术应用， ( ) : 1－2. 2013 电子电路基础［ M 11 ］ ． ［ ］ 刘宝玲 4 ［ ］ 高西全，丁玉美 5 . 北京: 高等教育出版社， 2013. 数字信号处理［ ］ ． M . 西安: 西安电子科技大学 图 9 实际接收频谱( 截图) 出版社， 2008. ［ ］ 刘立康，黄力宇，胡力山 6 . 微机原理与接口技术［ M ］ ． 北京: 电子 工业出版社， 2010. 鸟哥的 ［ ］ 王世江 7 ［ ］ 8 . BLANCHETTE J 私房菜［ M ］ ． Linux ， SUMMEＲFIELD M. C++ GUI Programming with 2010. 北京: 人民邮电报社， ［ ］ ． M Qt 4 北京: 电子工业出版社， 2008. ］ 张志涌，杨祖樱 ［ 9 天大学出版社， . MATLAB 2010. 教程 Ｒ2012a ［ ］ ． M 北京: 北京航空航 ? 图 10 LTE 解调结果( 截图) 作者简介: 姜 浩，硕士生，主要研究通信仪器仪表软件开发; 张 治，副教授，主要研究宽带无线通信系统新理论及技术、通 信仪器仪表设计开发。 责任编辑: 闫雯雯 收稿日期: 2015－04－02  ( 上接第 页) 45 ［ ］ 6 TＲOPP J ， GILBEＲT A. Signal recovery from random measurements ， ． IEEE Trans. Inform. Theory ［ ］ J via orthogonal matching pursuit ， 2008 ( ， 31 2 ) : view 221－239. FUJIMOTO N. Faster matrix － vector multiplication on GeForce ［ ］ 12 ( ， 12 53 ) : 2005 4655－4666. ］ 刘金硕，曾秋，邹斌，等 ［ 7 ］ ［ J ． 计算机科学， 2014 . ， 41 ( ) : 4 24－27. 快速鲁棒特征算法的 加速优化 CUDA ［ ］ 张舒，褚艳利 8 . GPU 高性能运算之 电出版社， 2009. CUDA ［ ］ ． M 北京: 中国水利水 ［ ］ 9 FAＲBEＲ Ｒ. CUDA application design and development ［ ］ M ． San 8800GTX / / Proc. IEEE International Symposium on Parallel ［ ］ C ［ ］ 13 and Distributed Processing. ［ S. l. ］: IEEE Press ， 2008 : 14－18. FANG Yong ， LIANG Chen ， WU Jiaji ， et al. GPU implementation of orthogonal matching pursuit for compressive sensing ［ ］ C / / Proc. IEEE 17th International Conference on Parallel and Distributed Sys- ( tems ICPADS ) . ［ S. l. ］: IEEE Press ， 2008 : 1044－1047. : Addison － 责任编辑: 时 雯 ? 收稿日期: 2015－01－21 ， 2011. Morgan Kaufmann ， EDWAＲD K. CUDA by Example ］ ［ M ． Boston Francisco : JASON S ， 2010. Wesley ［ ］ 10 ［ ］ 11 HAGEＲ W W. Updating the Inverse of a Matrix ． SIAM Ｒe- ［ ］ J 54 《电视技术》第 39 卷第 15 期( 总第 468 期) |投稿网址 http: www．pvacn．com