基于FPGA的可編程衰減器設計

引言

可編程衰減器位于基站和終端之間，通過對射頻信號的衰減控制，實現對無線信號的模擬，從而實現對測試場景的模擬。可編程衰減器提供多個數控接口，從小到大可以構建各個層次的測試網絡。所構成的衰減矩陣通過模擬空口信道實現移動、切換、覆蓋等多種測試項。

衰減矩陣可作為無線性能中心實驗室的關鍵技術平臺的關鍵設備，是實現組網小區(qū)和大量終端用戶互聯通信過程的核心單元。

本文介紹的可編程衰減器最高可支持8×8輸入輸出的矩陣結構，提供0~120dB的通道衰減范圍，精度達到0.5dB。

可編程衰減器設計

主要功能

可編程衰減器最高可支持8×8輸入輸出的矩陣結構，可對終端與基站之間的多個信道進行實時衰落控制，同時也能支持各類靜態(tài)測試場景長時間回放。

硬件結構

可編程衰減器由CPU板和IO板構成。CPU板主要由CPU小系統(tǒng)和FPGA組成，CPU板通過FPGA－CycloneII集中控制外接的IO板。IO板的功能主要是采用FPGA-LFXP10控制數控衰減器衰減量，實現對無線信道衰落的模擬，從而實現對測試場景的模擬。

每個IO板有8個衰減通道，每個衰減通道由4個衰減范圍為31.5dB的數控衰減器構成。一個CPU板可外接8個IO板，因此可對8×8個無線通道進行衰減。

圖3展示了可編程衰減器的8×8結構。本衰減器可對任一路無線信道模擬其它無線信道對其的影響。通過調節(jié)其它信道與該信道之間的衰減值，就可在實驗室模擬復雜的外場環(huán)境。

邏輯設計

可編程衰減器的核心技術在于其邏輯設計上?？删幊趟p器的邏輯結構根據其功能分為兩部分：實時衰減控制和靜態(tài)場景回放。

實時衰減控制

實時衰減控制模式是指用戶實時通過CPU下發(fā)各個通道之間的衰減值來控制不同無線信道的衰減，衰減值一旦下發(fā)，相應的無線信道的衰減器就會立即生效。

CPU與FPGA之間采用LOCALBUS進行通信。在FPGA中對0~7個IO板接口分配不同的地址，控制譯碼/通道選擇模塊通過LOCALBUS的地址線來選擇對應的IO板；每個衰減器需要8bit的衰減量，3bit的通道編碼，因此LOCALBUS數據線上共有11bit有效數據。

譯碼模塊將這11bit數據中3bit的通道編碼譯碼成對應的通道，將8bit的衰減值下發(fā)到對應通道的數控衰減器上。

靜態(tài)場景回放

靜態(tài)場景回放是用戶將某個外場環(huán)境下各個無線信道的動態(tài)衰減參數記錄下來，記錄時間可長達數周。將這些數據下發(fā)給可編程衰減器即可在實驗室內長時間模擬各類復雜的外場環(huán)境。

在該場景下，LOCALBUS的數據線除傳輸衰減值外還要傳32bit的時間數據，每一bit代表1ms的時間，32bit就可支持最長7周的場景回放。

FPGA首先將32Mbit的DDRA寫滿數據，然后定時控制自動啟動，從DDRA中讀取定時數據和衰減值，將定時數據提供給定時器。

當定時器計時到定時數據代表的時間點時將該時刻的衰減值下發(fā)到對應通道的衰減器上，實現無線信道衰減隨時間動態(tài)變化的場景；同時FPGA繼續(xù)將CPU下發(fā)的數據寫到DDRB中。當DDRB充滿后，CPU暫停下發(fā)數據，直到DDRA數據讀取完畢，此時FPGA切換到讀取DDRB的數據，繼續(xù)向DDRA寫入新的數據。

FPGA外掛的兩個DDR構成乒乓結構，使可編程衰減器能實現長時間不間斷的場景回放。

測試結果

該可編程衰減器的主要性能指標如表1：

圖7展示了可編程衰減器單通道在衰減范圍內的衰減精度。從圖中可以看到，在0~80dB的衰減范圍內衰減精度可以達到0.5dB；在80dB~120dB衰減范圍內衰減精度達到1dB。

圖8展示了靜態(tài)場景回放的某一個時間段內可編程衰減器一個無線信道內衰減變化。在該模式下本衰減器可在1ms的時間間隔內實現0~120dB的衰減跳變。

結論

本文介紹了一種衰減范圍可達120dB，衰減精度為0.5dB的可編程衰減器設計。該衰減器可在實驗室環(huán)境中實現復雜的外場環(huán)境，可大大節(jié)省終端設備測試的成本和時間。

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