宽带信号记录仪

宽带信号记录仪

清华大学微波与数字通信国家重点实验室（100084）

徐韦　李汉强　倪祖耀　陈国安　王京

无线信号的实时采集和分析是验证和优化系统算法、研制无线通信设备以及优化无线移动通信网络的重要辅助手段，如何无失真地获得无线信号成为诸多研究人员和工程技术人员普遍关注的问题。本文提出的宽带信号纪录仪成功地解决了无线信号的记录和回放问题，能够同时对无线信道I、Q两路信号(传输速率为3.84Mbps)实时纪录2个小时，并已经成功应用在第三代移动通信系统的无线信道测量中。

1 总体方案

宽带信号纪录仪主要的功能是无线信号的实时、连续采样和存储，并可以回放，以便进行非实时的信号分析和处理。为了使宽带信号纪录仪具有更高的通用性和灵活性，系统采用模块化设计，各模块功能相对独立，相互间通过接口电路及简单的指令联系。系统主要功能模块有：射频模块、模数转换模块、数据分流电路、基本存储模块和控制板。其中射频模块完成无线信号的接收，模数转换模块对采样信号进行二进制补码14bit变换，数据分流电路完成高速数据流的分频缓冲，基本存储模块把数据存储到硬盘介质，控制板完成PC控制命令的解析及硬盘数据的回放处理。

宽带信号记录仪的采样频率必须达40MSPS，从而满足第三代移动通信系统5MHz带宽和未来无线移动通信系统20MHz带宽的需要。因此，对高速数据流的大容量存储无疑是宽带信号记录仪的设计难点。由于数据采集系统是经PCI插卡与PC机连接的，直接采用PC机做控制系统的方案不能满足速度要求。在实际设计中，宽带信号记录仪采用分布式设计来解决这个问题，即对高速采样数据进行串并转换，将其分为若干路，然后对分路后的每一数据流各提供一个存储通道分别存储。综合考虑性价比因素，存储介质采用容量大而成本低的硬盘，并由DSP进行控制。

2 关键模块设计

下面针对宽带信号记录仪主要功能模块的设计思路和工作原理进行介绍。

2.1 射频模块

宽带信号记录仪的前端模拟电路与后端数据存储电路相互独立，因此仅需变换射频模块就可以实现不同调制信号的基带采集，使系统适应多种制式的要求。目前系统主要用于测试WCDMA信道，故选用了WCDMA制式的模拟前端射频模块。该射频模块的工作本振频率为2300MHz~2360MHz，中频本振为760MHz，模块内部有2个锁相环、9个寄存器，通过设置寄存器来实现锁相环的主要功能。 射频模块的工作流程如图1所示，其中控制板按pc发出的指令完成初始参数设置，并监测射频模块的工作情况，实现实时控制。

无线信道在整个频谱范围内具有衰落特性，因此信号记录仪必须采用较宽的带宽，采样器件必须具有较高的分辨率。模数变换模块中的采样器件选择了Analog公司出品的高端A/D变换器AD6644，该器件可保证65MSPS的采样速率，采样点的误差扰动小于300fs，数字输出14bit二进制补码格式。

2.3 数据分流电路

数据分流电路的设计如图2所示。次分频单元将ADC送来的数据组装成word方式，再轮流送到后端的两路基本存储电路中。这分频过程中为了避免高频信号对系统的影响，输出到后端的两路数据不采用总线方式。1/2分流单元的硬件设计基本上位于基本存储支路上，其功能与次分频单元相同，但是后端两分流支路的数据总线采用总线共享方式，因为此时数据的速率已被降了下来。为了使系统适应不同的采样速率，数据存储部分设计成以基本存储支路为单位可自由扩展方式，通过增加或减少基本存储支路板来完成不同速率的适配需要。

WCDMA信道中的码片速率达3.84Mcps(兆码片每秒)，经4倍采样14bit二进制补码格式输出后(结果以word格式存储)，数据流速率达30.72Mcps(3.84×4×2)，但是经过分频电路后到达缓冲FIFO的数据流平均速度只有4Mcps。

2.4 基本存储模块

基本存储模块结构如图3所示。8KB的FIFO用来缓冲分频电路送来的恒速数据流。中心处理DSP根据控制板送来的命令执行采集、回放数据操作以及硬盘接口访问的协议操作。数据存储器件采用大容量硬盘。

硬盘访问接口采用ATA-4硬盘访问接口PIO方式中的MODE4模式[1]。ATA-4硬盘接口的所有操作都通过对8位寄存器的访问来实现，因此可将硬盘地址空间映射到中心处理DSP的I/O空间，中心处理DSP通过I/O操作实现对ATA-4硬盘接口寄存器的访问。

硬盘数据以sector为单位进行组织，sector是访问数据的单位，每个sector包括256个word。硬盘磁介质的地址以sector为单位进行组织，通过4个地址寄存器进行寻址。在ATA-4访问协议中规定了两种地址访问方式：CHS和LBA。考虑到宽带信号记录仪对PIO的速度要求较高，在设计时对两种访问方式进行了速度测试，结果是LBA方式性能优于CHS方式。

数据的分流并行存储设计可以采用插板方式在主板上根据前端采样速度任意配置基本存储模块数目，但这同时带来各采集板的同步问题。在宽带信号记录仪的系统设计中采用一个与门来解决各支路间的同步。首先中央处理DSP的工作时钟均为80MHz，当各支路接到控制板发过来的采集命令后，完成采集准备工作并向前端发送RESET信号。将各支路发送的RESET信号通过一个与门再传到前端RESET分频电路，使得只有各支路均已准备就绪后才开始工作，从而使得数据采集保持同步。系统测试表明该方法不仅简单易行，而且可以完全保证数据的同步。

2.5 控制板

控制板是宽带信号记录仪的中心控制单元，结构如图4所示。控制板的所有中心控制都由DSP完成。控制DSP通过RS232串口解析PC传过来的存储、回放等操作命令；通过PCI接口与数据总线、地址总线连接完成数据的回放。控制DSP通过HPI接口与基本存储支路连接，基本存储支路中的中央处理DSP将HPI接口寄存器映射到控制DSP的I/O接口，这样控制DSP以I/O操作方式就可以完成与基本存储支路的通信。针对系统应用于无线通信的特点，专门建立了一条控制板与射频模块本振频率控制硬件之间的连接，这使得PC可以根据需要实时控制射频模块的本振频率。

系统加电后，控制DSP首先检查每一基本存储支路是否正常工作，给出系统工作，然后转入命令等待状态。当PC发出采集命令时，控制DSP将硬盘存储地址传递到基本存储支路的中央处理DSP，然后向各个基本存储支路发出采集命令，并监测其工作状况。当PC发出停止采集命令时，控制DSP将中止各基本存储支路的操作，并将每一支路当前存储地址回传到PC，形成数据存放的地址索引文件。当需要回放数据时，PC首先在地址索引文件中找到所需数据的存放地址，然后将回放命令发给控制DSP。控制DSP将起始地址通过HPI接口送到各个基本存储支路，并发出回放指令。各支路指定地址的数据在控制DSP中完成再组织，然后通过PCI接口送回到PC中，供后台非实时的处理分析。

3 系统应用

宽带信号记录仪不同于以往的采集系统，由于采用了并行存储及大容量的存储设备，可对无线信道中I路和Q路信号同时进行较长时间的实时记录，使得系统可以用于分析无线信道的时变特性和统计特性。作者在测试中利用宽带信号记录仪与GPS、无线工作终端相结合，成功实现了对WCDMA-FDD模式下5MHz带宽的无线信道传输特性的统计分析。测量结果可应用于实际无线通信系统中的参数优化、系统设计和性能评估等方面。宽带信号记录仪模块化的设计使其具有高度的通用性和灵活性，其在无线信道的测量、移动通信系统容量的测试、无线传输系统外场调试等诸多方面均有良好独特的应用。