1前言:
无线通信技术与网络技术的迅猛发展推动了无线网络技术深入应用,针对能够满足军事应用需要的、可快速展开、高抗毁性的移动信息系统产生了无线自组织网络。这种网络没有绝对的控制中心,所有节点的地位平等,网络中的节点通过分布式算法来协调彼此的行为,无需人工干预和任何其它预置的网络设施,可以在任何时刻任何地方快速展开并自动组网。要实现这样的功能,对无线终端有着很高的要求,根据这种应用需求,本文设计并实现了一种适合无线网络的移动终端硬件平台。
移动网络终端的组成主要有两部分:移动终端硬件平台(以下简称硬件平台)和主机。其中硬件平台主要由射频单元、基带模拟单元、物理层基带处理单元和MAC层处理单元组成,主要完成基于UTRA-TDD LCR的物理层协议的数据的发送和接收以及纯无线网络的MAC层的数据处理功能;主机部分主要由接口驱动单元、网络层处理单元和应用层处理单元组成,主要完成网络层以及网络层以上的处理数据处理功能。
其中移动网络终端硬件平台主要完成以下功能:能够完成射频信号的收发功能;能够完成基带模拟、数字信号的相互转换功能;完成物理层基带处理算法功能;MAC层、路由和主控的全部处理功能。目前实现该硬件平台的方法主要有三种:OMAP+DSP+FPGA结构、OMAP+DSP或OMAP+FPGA结构以及主机+DSP+FPGA结构。其中OMAP是TI公司以2.5代及第3代手机为应用目标推出的开放式多媒体应用平台,其内核采用ARM及DSP相结合,具有很高的技术特性,同时具备支持3G标准。是目前通讯、PDA等厂家开发智能手机等通讯终端理想的开发实验平台。
2 移动终端硬件平台总体设计方案
上述的三种实现方案各有优缺点,对于第一种方案,优点是:能够做成一个相对完整的移动终端;电路设计相对简单。缺点主要有:如果所有物理层基带处理算法都放到一个FPGA或者DSP中实现,那么对FPGA或者DSP的处理能力的要求则会非常的高: 开发难度和复杂度要求非常高,开发周期长。对于第二种方案,优点和方案一一样,移动终端的结构相对完整;
并且采用DSP+FPGA结构能够较好的分配物理层基带发送和接收算法,大大降低所需DSP和FPGA的处理能力。但其缺点是:对OMAP芯片的开发难度和复杂度依然很高,开发周期长;电路板设计的难度和复杂度提高,因为上面除了射频和基带模拟部分以外,还要有DSP、FPGA、OMAP以及外围器件。第三种方案,优点是:能够很好的分配物理层基带算法,大大降低对DSP和FPGA的处理能力的要求;
并且将OMAP的功能放在了主机上,不仅简化了电路设计的复杂度,而且也进一步降低了开发成本和开发难度以及复杂度,同时缩短了开发周期。但缺点是设备不够整体化,移动终端将分为物理层收发设备和主机设备,不便于移动。经过分析比较,综合考虑开发复杂度、成本等因素以后我们最后决定采用方案三的结构设计。
移动终端做更具体的设计是根据所确定的总体方案制定的。方案中的结构分为两部分:一部分是主机,负责MAC、路由和主控等,一部分是物理层收发设备。主机部分无需硬件设计,考虑的核心是物理层收发硬件平台的设计。经过分析,我们将物理层基带处理算法在FPGA和DSP之间进行了分配:FPGA主要完成基带数据接口、AGC处理、基带发送、除主径载频估计外的Midamble码搜索及多径分离、解扰、解扩、RAKE合并以及相关控制功能的算法实现;FPGA的配置程序存储在配置芯片中。DSP主要完成主径载频估计、载频精确估计、解速率适配、信道译码和CRC校验部分算法实现。DSP的运行程序存储在FLASH芯片中,启动时由FLASH将程序加载至DSP。硬件平台与主机之间的接口采用常用的USB2.0的接口方式。具体结构框图如下:
图 一:硬件平台最终方案框图
3 DSP及FPGA芯片的选择
首先是对DSP芯片的选取,DSP主要完成载频估计、频精确估计、速率适配、信道译码和CRC校验等算法的实现功能,经过初步估算,这些算法所需实乘103120次;实加230752次。上面的运算量评估没有考虑程序运行中一些大量的数据的读写和搬移的操作。DSP单元做完上面的运算处理使用半个slot时间,那么对DSP的处理能力要求大约为1000 MIPS。
存储量分析如下:这里存储量包括载频估计中包括本地训练序列的存储、CZT运算参数的存储、中间变量的存储和CZT运算结果的存储,频偏信号表的存储,载频重置后数据的存储,交织图样和解速率适配图样的存储等,我们估计出总共需要存储空间:231K字节。根据上面的资源评估,我们需要一个处理能力超过1000MIPS,存储超过300K字节的DSP,最后我们选择了TI公司的TMS320C64167E3作为移动终端硬件平台的DSP。
DSP6416是 TI公司的TMS320C6000系列DSP中一款性能极高的32位定点DSP芯片。它是TI公司基于第二代、高性能的超常指令集结构(VelociTI.2TM)而研发的一款DSP。在工作时钟为720MHz时,其最高处理能力能够达到5760MIPS,并且具有极强的并行处理能力,内部RAM存储也能达到1M字节。
其二对于FPGA芯片,主要完成基带数据接口、AGC处理、基带发送、除主径载频估计外的Midamble码搜索及多径分离、解扰、解扩、RAKE合并以及相关控制功能的算法实现。对于FPGA而言,处理速度基本都能满足要求,重要的是芯片所含的资源能否满足要求。经过估算,这些算法大概需要500000门左右的资源,我们最终选择了Altera公司Stratix系列的EP1S25B672芯片。该芯片包括有25660个LEs(逻辑单元)合600000左右个逻辑门,还含有10个高速DSP模块和6个PLLs等资源。
4 主要硬件电路的设计
由于电路中的元器件比较多(包括FPGA、DSP、GPS模块、射频模块、A/D、D/A等),而且FPGA和DSP都是5、6百个管脚的BGA封装,再加上一些外围芯片,要想在一块电路板上设计所有的电路会很难将电路板做的很小,而且数字基带电路比模拟部分的电路复杂的多,电路板的层数也会增加,如果把数字和模拟设计在一块电路板上,模拟部分的多出的电路板层数就会显得有些浪费。为缩小电路板的面积,降低设计成本,我们将硬件平台分为两部分,一部分是基带数字部分,包括所有与基带数字解调有关的电路;另一部分是模拟部分,包括数字/模拟、模拟/数字的转换电路和射频模块。两块电路板之间靠双排插针连接,模拟射频电路板在数字基带板的上面。
硬件平台中各器件所需电压的种类比较多,一共有4种:DSP核电压1.4V、FPGA核电压1.5V、射频模块供电电压3.6V以及其它器件所需电压3.3V。因此电源模块的设计是一个重点部分,如果用线性稳压模块,由于输入电压12V与电路板上所需电压之间的压差较大,稳压模块将消耗大部分电压,造成供电功耗的浪费。
因此我们选择了基于PWM脉宽调制的DC/DC稳压模块(凌特公司的LT1940)。该芯片支持3.6~25V的直流电压输入,提供两个最大1.4A的直流稳压输出。我们使用了3片LT1940来提供这4种电压,其中一片专门提供3.3V的电压,因为这是电路板中80%元器件的供电电压(包括DSP和FPGA的I/O电压、它们的外围器件的供电电压以及A/D、D/A的供电电压等),消耗的电流较大,大约为1.5~2A左右;还有一片提供FPGA和DSP的核电压,其中DSP内核最高消耗900mA电流,FPGA内核最高消耗450mA电流;第三片用来给射频模块提供3.6V的电压,因为射频模块消耗的电流也较大,最高可达2A。
另外,时钟网络是电路板设计中十分重要的环节之一。在本硬件平台中,晶振是WINTRON的10.24MHz TCXO型的(稳定度是±3Hz,电流消耗小余2mA,TTL输出)。晶振将10.24MHz的时钟输入到FPGA,然后FPGA产生出自己内部和其它器件的工作时钟。整个硬件平台的时钟网络如下图所示:
输出与差分运放AD8138之间,这样既能够使其较小的输入阻抗适合D/A的电流输出,也能够有效的限制输出频带,同时AD8138起到了低通网络与射频模块之间的阻抗隔离作用。
信号经过低通网络以后,阻抗特性或多或少带有一些容性或者感性,直接接到射频模块上信号就会有所失真,而差分运放能够起到很好的隔离作用,使输出的信号阻抗具有较纯的阻性,提高输入射频模块的信号质量,其电路图如图三所示。对于接收而言,由于射频模块自带有接收的低通滤波器,因此电路较发送要简单许多,只需在接收A/D之间接一个差分运放起隔离驱动作用即可。
图 三:模拟基带发送电路原理图
另外,在PCB板设计过程中还应采取一些必要的措施,尽可能地避免或减少一些干扰因素的产生。比如,在PCB布板时,电路各部按模块分区,各分区模块内相对集中,分区模块之间相对独立,这样能减少相互间干扰。此外PCB板的布局时首先要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时,印制线条长,阻抗增加,抗噪声能力下降,成本也增加;过小,则散热不好,且邻近线距过小易受干扰。在确定PCB尺寸后,先确定特殊元件的位置。最后,根据对电路的各功能模块分区,对电路的全部元器件进行布局。
5 创新点总结
本文的创新点是通过分析选取并实现了一种基于DSP的移动网络终端硬件平台的设计方案,在总体结构方案确定以后的对分析了主要元器件的选型依据。接下来重点阐述了硬件电路的原理图设计,包括各个主要部分的具体设计,最后讲述了PCB电路板的实际设计中需要注意的一些实际问题。
参考文献:
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编辑:jq
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对比2018年北京联通移动网络优化,2019年移动网络优化项目增加了NB和5G的网格单元集中优化,可见北京联通物联网“平台+”生态战略及5G部署均已经有所建树。
发表于 04-11 10:27
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与现存移动网络相比,5G网络架构最大的特点是“去中心化”,MEC(Mobile Edge Computing,移动边缘计算)技术是实现5G网络去中心化的关键。
发表于 05-01 11:26
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与现存移动网络相比,5G网络架构最大的特点是“去中心化”,MEC(Mobile Edge Computing,移动边缘计算)技术是实现5G网络去中心化的关键。
发表于 05-01 20:03
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索尼、英特尔和NTT(日本电话电报公司)星期四宣布,它们将合作开发6G移动网络技术。预计6G移动网络将于2030年左右推出。
发表于 11-04 15:03
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利用规模小, 由IPV4向IPV6进化,从网络端到端的全面改造,关联网络,支撑,应用,终端等各个环节, 终端数量不能够支撑应用平台使用的投入,面临技术与安全的双重挑战。 专业化程度高, 根据最新的研究,多数企业都缺少足够的安全技术
发表于 01-06 14:22
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移动网络上网与WiFi连接上网,是移动设备上的两大高手。一个主室外, 一个主室内。WiFi上网是移动网络的室内覆盖补充。WiFi迟早将被淘汰的言论层出不穷。下面我们从耗电、速度、经济、安全等方面来说说。
发表于 03-21 15:06
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“在过去的五年里,全球移动网络的流量以每年50%以上的速度在增长,我们也相信在未来的五年时间里还会持续保持在每年50%以上。如此快的增速意味着网络需要提供更多的容量,否则整张网络就会拥塞,相当于
发表于 09-24 09:11
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会上,中国信息通信研究院副院长王志勤发布《2020年十大城市重点场所移动网络质量评测排名》。旨在评估全国各地移动网络发展水平,通过有效监管手段提升移动网络质量、用户体验和满意度。测试的重点应用场景包括地铁、机场、高铁、学校、医疗机构以及高密集住宅和商务楼宇等。
发表于 10-17 09:27
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有选购苹果产品或使用iPhone经历的朋友应该留意了,苹果对手机移动网络(3G、4G)使用的是蜂窝移动网络这样的说法。
发表于 10-20 09:56
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随着智能手机的普及,我们日常生活几乎离不开使用手机上网,但有没有发现,有的手机(比如苹果 iPhone)将手机移动网络称为 蜂窝移动网络(3/4G 网络),那么,为什么要叫 蜂窝呢?本周,中国移动
发表于 10-22 16:29
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随着世界的不断无线化,世界也变得更加有线化。当今移动网络的背后是数十万英里的光纤,将移动网络与地面设备相连,最终确保企业用户可以从任何地方进行通信。在急于满足5G的移动炒作和整个套餐预期带来的用例中,这种 “隐形光纤 ”往往仍未得到赞扬。
发表于 11-30 15:25
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年终岁首,捷报频传。2020年12月,西安地铁5、6、9号三条地铁线路全线贯通,运营里程83公里,西安电信率先实现2/4/5G移动网络全面覆盖,其中5G网络下载速率高达1.54Gbps,为每日150
发表于 12-27 10:38
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相比增长了差不多 7 倍。 工信部称,我国现在已经初步建成了全球最大规模的 5G 移动网络,目前为止,5G 手机终端连接数已经达到了 2.6 亿。 从之前三大运营商的月度经营报告看到,到 2 月底,我国的 5G 套餐用户已经突破了 3.5 亿,并且
发表于 04-20 18:08
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的身份证信息通过如:刷票、刷信誉、刷流量、批量注册、批量签到、批量抽奖、伪造业务、伪造退款、网络水军等欺诈行为牟取暴利。 企业希望通过对MAC地址、IMEI号的获取实现用户身份和移动设备的绑定,但在移动终端,传统的设备ID如手机的IMEI、IMSI、MAC地址易被篡改,基于
发表于 06-17 09:41
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数字孪生世界将催生更多新的移动网络应用场景,如通感互联网、全息交互、数字孪生人、智能交互、智能交通、精准医疗等。如图2所示,这些场景需要更高的网络能力,如更高的数据速率、更低的延迟、更精确的定位、更确定的服务质量(QoS)等
发表于 02-01 10:23
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