标准实验报告八 小型软件无线电系统SSFSDR综合实验.docx

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标准实验报告八小型软件无线电系统SSFSDR综合实验

电子科技大学

实验报告

学生姓名：

学号：

指导教师：

一、实验室名称：

通信信号处理及传输实验室

二、实验项目名称：

小型软件无线电系统SSF-SDR综合实验

三、实验原理

1.SSF-SDR软件无线电平台的硬件系统及工作原理

SSF-SDR软件无线电平台的硬件系统采用三层架构：

射频板、数字化板以及基带板。

射频板包括了收端和发端两个部分，分别使用独立的天线完成收发功能。

RF模块的工作频带：

360MHz~960MHz，带宽可选择5MHz或者20MHz。

数字化板ADACMasterIII包括了一块TIADS5500,125-MSPS,14-bit双通道模数转换器以及两块TIDAC5687,500-MSPS,16-bit双通道模数转换器，并由一块XilinxVirtex4作为控制器。

基带板包括一块TITMS320DM6446DSP片上系统，其中包括了C64x+DSP核（594MHz），一个ARM926核（297MHz）以及丰富的外围设备，包括串口，USB，EMAC，DDR2EMIF，以及视频端口。

此外，在几代板上还提供了一块XilinxVirtex-4SX35FPGA芯片。

基带板中DSP以及FPGA之间通过16位VPSS总线进行通信，支持最高速率为37.5MHz。

射频模块、ADACMasterIII等块的配置都是通过DSP完成的。

SSF-SDR软件无线电平台的硬件系统结构如下图所示：

图1软件无线电平台硬件系统结构

2.家庭无线电系统的工作原理

　　I.发射部分：

　　锁相环和压控振荡器（VCO）产生发射的射频载波信号，经过缓冲放大，激励放大、功放，产生额定的射频功率，经过天线低通滤波器，抑制谐波成分，然后通过天线发射出去。

　　II.接收部分：

　　接收部分为二次变频超外差方式，从天线输入的信号经过收发转换电路和带通滤波器后进行射频放大，在经过带通滤波器，进入一次混频，将来自射频的放大信号与来自锁相环频率合成器电路的第一本振信号，在第一混频器处混频并生成第一中频信号。

第一中频信号通过晶体滤波器进一步消除邻道的杂波信号。

滤波后的第一中频信号进入中频处理芯片，与第二本振信号再次混频生成第二中频信号，第二中频信号通过一个陶瓷滤波器滤除无用杂散信号后，被放大和鉴频，产生音频信号。

音频信号通过放大、带通滤波器、去加重等电路，进入音量控制电路和功率放大器放大，驱动扬声器，得到人们所需的信息。

　　III.调制信号及调制电路：

　　人的话音通过麦克风转换成音频的电信号，音频信号通过放大电路、预加重电路及带通滤波器进入压控振荡器直接进行调制。

　　IV.信令处理：

CPU产生数字亚音频CTCSS/DTCSS信号经过放大调整，进入压控振荡器进行调制。

CTCSS（ContinuousToneControlledSquelchSystem）连续语音控制静噪系统，俗称亚音频，是一种将低于音频频率的频率（67Hz-250.3Hz）附加在音频信号中一起传输的技术。

因其频率范围在标准音频以下，故称为亚音频。

当对讲机对接收信号进行中频解调后，亚音频信号经过滤波、整形，输入到CPU中，与本机设定的CTCSS频率进行比较，从而决定是否开启静音。

接收鉴频后得到的低频信号，一部分经过放大和亚音频的带通滤波器进行滤波整形，进入CPU，与预设值进行比较，将其结果控制音频功放和扬声器的输出。

如果与预置值相同，则打开扬声器，若不同，则关闭扬声器。

3.基于SSF-SDR软件无线电平台的家庭无线电系统

SSF-SDR软件无线电平台中，系统开发是在DSP和FPGA中分别完成的。

DSP中主要完成射频板、数字化板以及其他一些外设的配置，并完成发射端CTCSS信号的产生以及接收端音频信号的回复。

FPGA中接收来自DSP的CTCSS信号，完成调制并将调制完的信号发送至数字化板；同时接收来自数字化板的中频数字信号，将其调制至基带，并完成信号的解调。

图2所示的为系统的总体界面，可以看出开发是在DSP与FPGA中分别完成的。

图2软件无线电平台系统开发界面

双击FPGA就可以打开FPGA开发的界面，如图3所示。

FPGA开发是基于XilinxSystemGenerator完成的。

在FPGA开发界面中，左上方的四个图标为系统配置模块，其余部分为FPGA的算法模块。

从图3中可以发现，以ADACMasterIII为界，FPGA算法分为了发射端（TX）和接收端（RX）两个部分。

其中发射端从VPSS总线接收来自DSP的CTCSS信号，完成调制，并将调制完的信号发送至DA。

而接收端接收来自AD的中频采样信号，完成解调，将解调后的信号通过VPSS总线发送至DSP。

双击TX模块即可打开发射子系统，如图4所示。

发射子系统模块接收来自VPSS的CTCSS音频信号，并进行2560倍过采样，加上通道信息之后送入直接数字频率合成器（DDS）中进行调制，调制好的信号在发送信号（TX_ON）的控制下发送至DA。

图3FPGA开发界面

图4FPGA中的TX子系统

接收子系统（RX）模块接收来自AD的30M中频数字信号，首先通过Demodulator进行下变频至基带，之后进行抗混叠滤波以及抽取（DecimationandFiltering）降低数据率，然后通过Channelizer（信道化滤波）滤出对应通道，再送至FM解调器解调。

解调出的信号再发送至VPSS总线。

图5FPGA中的RX子系统

DSP模块主要实现接收语音信号并编码实现CTCSS信号，接收CTCSS信号，在其控制下还原语音信号，以及各种外设的配置等，其开发界面如图6所示。

在DSP开发界面中上面两排图标为配置模块，剩下部分为算法模块。

DSP的算法模块同样也是分为接收端和发送端，进行分别搭建。

发送端接收来自音频外设的语音数字，进行CTCSS滤波，将低频部分滤除，再与产生的CTCSS信号合成完整的信号，通过VPSS总线发送至FPGA。

接收端将已经解调信号分离出CTCSS信号，在CTCSS信号的控制下解码恢复出语音信号，并送至音频输出口。

图6DSP开发界面

四、实验目的：

1.了解SSF-SDR（SmallFormFactorSoftwareDefineRadiod，小型化软件无线电系统）软件无线电平台的硬件架构，包括DSP模块、FPGA模块、射频板和数字化板，以及各部分的功能实现。

2.熟悉SSF-SDR软件无线电平台的应用软件：

XilinxISE、TICCS、LyrtechADP、MatlabSimulink。

3.熟悉基于SSF-SDR平台的系统开发流程。

4.掌握SSF-SDR软件无线电平台中射频模块、ADACmaster模块和Audio模块的功能及配置方式；掌握DSP与FPGA之间的VPSS（videoprocessingsubsystem，图像处理子系统）总线通信方式。

5.通过实际的家庭无线电系统（FamilyRadioSystem）（即对讲机系统），体会软件无线电在具体应用中的作用，加深对完整通信过程的理解。

五、实验内容

1．打开SSF-SDRFRS例程；

2．生成FPGA的bitstream下载文件；

3．完成DSP部分的配置；

4．启动软件无线电平台；

5．连接到SSF-SDR软件无线电平台；

6．进行仿真，观察仿真结果，完成实时通话过程。

六、实验器材（设备、元器件）

装有SSF-SDR软件开发环境的计算机，SSF-SDR平台开发板，电源，手持对讲机。

所需主要元器件及耗材：

网线、串口线。

七、实验步骤及实验结果：

1．打开SSF-SDRFRS例程

SSF-SDR软件无线电平台的开发是在MatlabSimulink下完成的。

打开Matlab（双击桌面Matlab图标，或从开始菜单—>程序中启动），在命令行中输入demos，如图7所示，打开help中的demos标签，如图8所示。

选择其中的：

Blocksets->SSFSDRDPExamples->ApplicationExamples->FRSDemostration（withboardversionC），在右侧的窗口中双击“Openthismodel”即可打开家庭无线电系统实例，步骤如图9—图12所示。

打开的实例界面如图13所示。

FPGA打开后的图形如图3所示。

FPGA部分主要完成对讲机的算法功能，以ADACMasterIII为界，FPGA算法分为了发射端（TX）和接收端（RX）两个部分。

其中VPSS总线的作用是：

发射端从VPSS总线接收来自DSP的CTCSS信号，完成调制，并将调制完的信号发送至DA。

而接收端接收来自AD的中频采样信号，完成解调，将解调后的信号通过VPSS总线发送至DSP。

TX模块的功能是：

接收来自VPSS的CTCSS音频信号，并进行2560倍过采样，加上通道信息之后送入直接数字频率合成器（DDS）中进行调制，调制好的信号在发送信号（TX_ON）的控制下发送至DA。

图7输入demos命令

图8进入demos

图9打开Blocksets

图10打开SSFSDRDPExamples

图11打开ApplicationExamples

图12打开FRS实例

图13实例开发顶层界面

RX模块的功能是：

接收来自AD的30M中频数字信号，首先通过Demodulator进行下变频至基带，之后进行抗混叠滤波以及抽取（DecimationandFiltering）降低数据率，然后通过Channelizer（信道化滤波）滤出对应通道，再送至FM解调器解调。

解调出的信号再发送至VPSS总线。

2．生成FPGA的bitstream下载文件

双击图13所示的开发界面中的FPGA图标打开FPGA开发界面，如图14所示。

双击“SystemGenerator”图标，这时会弹出两个窗口，关闭“BlockParameters”窗口，保留“SystemGenerator”窗口。

点击窗口左下的“Generate”按钮，之后系统会自动生成下载至FPGA的bitstream文件，如图15所示。

在成功生成bit文件之后可关闭FPGA开发界面。

bit文件的生成过程如图16所示。

由于包含了综合、布局布线等，所以该过程占用的时间较长，一般配置的机器大约需要30分钟。

学生在完成该步骤后，记录bit文件保存的位置和文件名，并将bit文件保存出来。

图14FPGA开发界面

3．完成DSP部分的配置

双击图13中的DSP图标，打开DSP开发界面，如图17所示。

双击“RFModule”图标，按图18中的方式配置射频模块；双击“ADACMasterIIIControl”图标，单击不同的四个标签，即可按图19中（a）—（d）的方式配置ADACMasterIII。

图15生成Bitstream文件

图16bit文件的生成过程

图17DSP开发界面

图18配置RF模块

记录RFModule配置参数：

其中RXbandwidth为20MHz；RXbasefrequency为462MHz；TXbasefrequency为432MHz；Sampletime为128/Fs_DSP。

（a）配置“ADC”选项卡

记录ADC配置参数：

ADCchannelAgain为0；ADCchannelBgain为0；ADCchannelAattenuation为31；ADCchannelBattenuation为31；

（b）配置“DAC”选项卡

记录DAC配置参数：

DACchannelAgain为10；DACchannelBgain为10；DACchannelAattenuation为0；DACchannelBattenuation为0；

（c）配置“时钟与锁相环”选项卡

记录ClockandPLL配置参数：

ADC/DACclocksource为UsePLL；PLLreferencetimebase为External；Additionalreferencetimevalue为10MHz；

（d）配置“高级”选项卡

图19配置ADACMasterIII

记录Advanced配置参数：

SampleTime为128/Fs_DSP，该参数值应该与RFModule中的相同参数值保持一致

之后双击“SetBitstream”（配置bit流）图标，从列表中选择刚才生成的bit文件，点击“OK”，如图20所示。

这样当软件无线电平台运行的时候，就会将该bit文件下载到FPGA。

图20选择下载的bitstream文件

这时就完成了DSP模块的配置功能，按Ctrl+B键built（创建）该DSP工程。

4．启动软件无线电平台

将软件无线电平台连上所配的12V电源，并用平行网线将平台与路由器相连，或者用交叉网线将平台直接与计算机相连，并将耳机与话筒插头插入平台中的相应插座中。

完成连接之后将两根收发天线竖起，之后就可以开机。

开机之后平台上会出现5个LED灯会循环闪动，表示开机成功。

5．连接到SSF-SDR软件无线电平台

在DSP开发界面中将Simulink的仿真方式选择为“External”，然后点击“ConnecttoTarget”键连接到软件无线电平台。

之后系统会自动打开两个频谱窗口，分别对应收发两端的语音频谱，以及一个DSP利用率的窗口。

然后会出现“Lyrtechdevelopmentplatformdetection”（Lyrtech开发平台检测）窗口，如图21所示。

当窗口中出现了软件无线电平台的“SDREVMDM6446”以及“SDREVMDM6446-FPGA”两项之后，则可以点击“ConnecttoLytechdevelopmentplatform”按钮，自动下载工程和bitstream文件，进行仿真。

图21检测到软件无线电平台

完成连接后，就会出现DSP和FPGA程序下载和烧写的进度条，表示程序正在装载，最后完成程序装载。

6．进行仿真，观察仿真结果，完成实时通话过程

打开对讲机，按下通话键进行通话，这时可以在与软件无线电平台相连接的耳机里听到通话内容，并在RX频谱窗口中即时的看到语音频谱，记录图形如图所示。

图22RX频谱

按下软件无线电平台左下角十字按钮中间的按钮，就可以通过与软件无线电平台相连接的话筒与对讲机进行通话。

对讲机的扬声器会传出通话的声音，同时可以在TX频谱窗口中看到语音频谱，记录图形如图所示。

图23TX频谱

注意观察当进行发送和接收时，DSP利用率的变化，记录图形如图所示。

图24DSP利用率

八、实验结论：

SSF-SDR软件无线电平台以固定的硬件结构为基础，通过软件的方式，将硬件配置成可完成不同功能，实现不同算法的通信系统。

该平台的硬件系统采用三层架构，包括：

射频板、数字化板以及基带板。

本实验利用MATLAB所提供的软件环境，结合平台自身的部分配置软件，可完成对平台的功能配置，通过参数的设置，完成了一个对讲机系统的实现。

该过程体现了软件无线电技术的高性能、易开发和灵活性，使我们初步了解了软件无线电的开发设计过程。

九、思考题

简述SSF-SDR软件无线电平台的硬件结构。

答：

SSF-SDR软件无线电平台的硬件系统采用三层架构：

射频板、数字化板以及基带板。

射频板包括了收端和发端两个部分，分别使用独立的天线完成收发功能。

RF模块的工作频带：

360MHz~960MHz，带宽可选择5MHz或者20MHz。

数字化板ADACMasterIII包括了一块TIADS5500,125-MSPS,14-bit双通道模数转换器以及两块TIDAC5687,500-MSPS,16-bit双通道模数转换器，并由一块XilinxVirtex4作为控制器。

基带板包括一块TITMS320DM6446DSP片上系统，其中包括了C64x+DSP核（594MHz），一个ARM926核（297MHz）以及丰富的外围设备，包括串口，USB，EMAC，DDR2EMIF，以及视频端口。

此外，在几代板上还提供了一块XilinxVirtex-4SX35FPGA芯片。

基带板中DSP以及FPGA之间通过16位VPSS总线进行通信，支持最高速率为37.5MHz。

射频模块、ADACMasterIII等块的配置都是通过DSP完成的。

一十、总结及心得体会：

通过本次实验熟悉了SSF-SDR软件无线电平台的基本硬件结构，理解了软件无线电通信系统的基本参数的含义和配置，学习了一个完整的软件无线电系统的开发过程和实现方式，体会到了软件无线电技术的优势，对软件无线电系统的基本结构、软件实现、参数配置、硬件烧写、功能验证等方面都获得了直观的认识。

一十一、对本实验过程及方法、手段的改进建议：

报告评分：

指导教师签字：