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摘 要

本文用基于模型化的设计方法研究了一个软件无线电平台的快速原型创作，其中硬件是基于AD9361射频收发器和ZYNQ-7000所构成高性能平台，而关于平台的构建与通信算法的设计则全部由MATLAB/SIMULINK来完成。

从一个通信系统的概念到电路实现之间存在很多步骤，要缩短开发周期通常都要几组来自各领域的开发人员进行合作。不过在软件无线电发展迅速的今天，硬件开发平台和软件工具等技术的进步使开发人员能够快速进行通信系统的原型开发。本文将结合AD9361射频前端与ZYNQ处理系统的优势特点，论述这两个芯片对软件无线电平台的实现起到的重要作用。另一方面，将详细描述在MATLAB和Simulink中用基于模型化的方法来设计软件无线电平台。我们将通过一个具体的例子来说明硬件在环仿真的便捷性与优越性，并在此基础上搭建一个完整的通信接收机系统。

最后，可以得到一个能够在适合生产的硬件上实现的射频软件无线电设计，我将把这个基于模型化构建平台放在所配置好的硬件上进行仿真测试，以检验代码的正确性并观测平台的性能。

关键词：软件无线电，模型设计，ZYNQ芯片，AD9361射频芯片，硬件在环仿真

RESEARCH OF USING MODEL-BASED DESIGN FOR SOFTWARE-DEFINED RADIO

04012323 Guangyao Peng

Advisor He Huang

Abstract

In this thesis, it using model-based design in order to form a rapid prototyping platform for SDR. In the hardware side, the platform which possesses high performance is based on AD9361 RFIC and ZYNQ-7000 provided by Xilinx. In the other side, communication algorithm and architecture is designed by Matlab.

There is a significant gap between the concept of a wireless system and the realization of that working design. Bridging this gap typically involves teams of engineers with a variety of different skill sets. With SDR developed rapidly, the advances in platforms and tools that allow developers to quickly simulate and prototype wireless systems while establishing and maintaining a deployable path to production. Firstly, we will introduce the advance of RF front-end and processing system which is the foundation for the implementation of SDR. Then we will describe the model-based SDR platform’s logic design idea in detail.

Finally, we will testify the powerful performance of the SDR platform by using an integrated communication system configured in HIL simulation.

Keywords: SDR, Modeling Design, ZYNQ SoC, AD9361 RFIC, HIL

目 录

摘 要 I

Abstract III

第一章 绪 论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 本设计方案的特点与优势 1

1.3 本文的章节安排和内容分布 2

第二章 软件无线电理论与实现 4

2.1 软件无线电理论 4

2.2 软件无线电实现的技术难点 4

2.2.1 宽频带的天线 4

2.2.2高速率的A/D,D/A转换 5

2.2.3高速的信号处理能力 5

2.2.4开放式总线结构 5

2.3目前主流的软件无线电平台 6

2.3.1微软的Sora平台 6

2.3.2 国家仪器公司USRP平台 6

2.3.3 基于ZYNQ SoC的软件无线电平台 7

第三章 基于Zedboard和AD9361的SDR平台设计 8

3.1平台组成 8

3.1.1 Zedboard 8

3.1.2 Xilinx Zynq-7000 9

3.1.3 AD9361射频收发器 9

3.1.4 AD-FMCOMMS3-EBZ 10

3.2 平台的搭建、启动与配置 10

3.2.1 Zedboard运行Linux 10

3.2.2 LINUX IIO系统 12

3.2.3 AD9361 Simulink模型 12

3.3平台功能例举 13

3.3.1实现FIR滤波器 13

3.3.2 通过FMCOMMS3-EBZ输入/输出自定义数据 14

3.3.3部署HDL和C代码 16

第四章 基于MATLAB的硬件在环仿真 18

4.1 单载波调制QPSK 18

4.1.1 QPSK的设计原理 18

4.1.2 基于Simulink的在环仿真 18

4.2多载波调制的LTE系统 21

4.2.1 OFDM简介 21

4.2.2 MATLAB的LTE模型与验证 22

4.2.3在Simulink中对系统模型仿真 25

第五章 总结 27

5.1 工作总结 27

5.2 技术展望 27

致谢 29

参考文献（References） 30

第一章 绪 论

软件无线电是以通用硬件平台运行通信系统，以软件中通信算法来完成传统专用电路的工作，软件包括了控制计算机系统的一系列命令和对数据进行操作和处理的各种函数。种平台最大的特点就是硬件设备具有通用性。本章将从软件无线电的背景引出这个概念的产生和发展现状。

1.1 课题研究背景

在数字通信中常用的无线电硬件通常要分为时分复用和频分复用，不同的设备都有特定的工作频段，甚至在有的接收机中的滤波模式、增益控制和信道均衡模块都是用专用集成电路实现的[^[1]]。这些通信设备往往功能比较单一，应用有着明显的局限性，随着新一代通信技术的应用，这些专用设备都只能被替换已达到新技术的工作要求。这种硬件通用性较低的设备，造成极大的资源浪费，增加了通信运行商的成本，同时也降低了通信技术更新的效率。所以开发具有通用性，开放性的通信平台是未来通信的技术发展的重点领域。

软件无线电最早应用于军事邻域。除了军事需求外，当今社会对通信容量的需求日益增长，通信技术的革新与应用的步伐将不断前进，快速高效地对通信电设备进行维护升级和而不更换硬件成为一项重要的业务。在这样的背景下，软件无线电技术有了很多的应用场所，因为将通信技术软件化使得通信设备具有了高度灵活性，这意味着高性价比、功能更强大的通信设备平台将应运而生。软件无线电系统的目的是在处理器系统和可编程逻辑中运行计算量巨大的调制/解调和数据处理算法，以便通信系统能够在不更改硬件平台的情况下通过更新软件的算法进行通信系统的升级和改造，这可以让硬件平台的制造能具有集成化、规模化、通用化的特点，从而在降低设备成本的同时增加设备的灵活性。

1.2 本设计方案的特点与优势

本文将结合现有的硬件平台和软件工具的优势来开发一个通信系统模型。具体来说，硬件平台的进步让宽频段的射频信号能够被接受的同时还能够说转为数字信号，复杂的信号处理算法能够更快速地执行操作。而软件的进步一方面保证了用于模型创作的上位机系统与运行控制和操作算法的硬平台能够互联互通，又能让运行软件无线电平台中的操作系统方便而高效的控制可编程逻辑。这条路径具有的优势不仅仅是设计与测试周期的大大缩短，在精简团队的同时还能保证HDL代码生成的正确性，这种优势是以往其他平台所不具有的。这就意味着，一个通信系统的设计者往往只需要把精力放在基于模型化的通信系统原型创作中，这可以确保效率和产品质量的最优化[^[2]]。

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