基于软件无线电的数字波束赋形电路设计

作     者：史艳高 

作者单位：南京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：钱国明

授予年度：2022年

学科分类：080902[工学-电路与系统] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：应急通信 软件无线电 天线阵列 数字波束赋形 FPGA 

摘      要：由于自然灾害种类的多样性和突发地点的不确定性,应急通信系统需要满足多种复杂环境下的信号覆盖和大带宽的需求,同时体积小、易于部署。软件无线电技术的思想是采用通用硬件来设计通信系统,在基带端使用软件的灵活处理来兼容多种信号的制式,以此缩小通信系统的整体尺寸,具有灵活性高、便携的优势。本文采用软件无线电架构来设计多天线数字波束赋形电路将充分发挥数字波束赋形在信号覆盖、提升带宽等方面具有明显的潜力,同时又能借助软件的灵活优势,大大降低通信系统的整体尺寸。使其十分适合用来解决应急灾害救援现场因复杂地形而造成的信号覆盖不足的问题。本文主要的工作如下:首先,分析了软件无线电以及数字波束赋形技术的相关原理,基于软件无线电架构设计了一个拥有4路发射和4路接收通道的多天线数字波束赋形电路,电路主要由射频收发器、发射前端电路、接收前端电路、FPGA等部分组成。并对收发前端电路的射频传输性能在2.4GHz频段进行了优化设计。其次,分析基带信号的幅度和相位控制原理,对数字波束赋形所需的基带幅相控制器进行了设计。该幅相控制器的幅相控制参数配置采用了AXI-Lite总线的方式,将该控制器挂载到ARM处理器的AXI总线上,使用ARM控制器对其进行实时的幅相参数调节。最后,进行数字波束赋形电路的软件设计并且对电路发射端数字波束成形中幅相调节的关键功能进行测试。分别在450MHz、900MHz、2400MHz三个频段,对数字波束赋形子阵电路的功率调节、相位调节功能进行了测试。测试发现,在上述三个频段内,在基带侧对各通道的信号幅度以0.125为步进在0至1范围内进行衰减时,射频端的输出信号功率同样呈现下降趋势。同时,在基带侧对各通道的信号相位以11.25°为步进,在0至180°内进行相对相位偏移时,射频端的输出信号相位也具有明显的递增趋势。测试结果表明,本文所设计的数字波束赋形电路具有发射端数字波束成形的主要功能。