Разработка модуля DSP + FPGA для беспроводных систем связи

Обзор проекта

Задача

Разработать FPGA-модуль цифровой обработки сигналов (DSP) для построения систем телекоммуникаций, передатчиков цифрового ТВ и радио, радиолокационных комплексов, систем беспроводной связи и программно определяемых радиосистем (SDR).

Обеспечить программную поддержку 17 протоколов и стандартов связи: 802.11 (b, g, n), 802.16, GSM, WCDMA, TETRA, APCO, ZigBee, WiMAX, Bluetooth, OFDM, ISM 2.4, LTE, SISO + MIMO, RFID, DVB, DRM.

Решение

Мы спроектировали программно-аппаратную платформу для беспроводных систем связи — существующих, специальных или новых стандартов. Решение создано на базе программируемой вентильной  матрицы — DSP+FPGA С6674-S6. 

В архитектуре платформы заложено три модуля:

  1. Модуль обработки сигналов на высокоскоростном DSP-процессоре Texas Instruments ТМS320C6674, он реализует алгоритмы цифровой обработки сигналов и обмен данными с внешними устройствами. Модуль представляет собой готовое устройство, его можно интегрировать в готовые решения и разрабатывать на его базе собственные SRD-системы. 
  2. Модуль приемника/передатчика для аналого-цифровых преобразований и первичной обработки низкочастотного сигнала. Включает программируемую логику Xilinx Spartan-6, высокоскоростные ЦАП и АЦП. 
  3. Приемопередатчик прямого преобразования частоты с диапазоном перестройки несущей частоты 150–2200 МГц и переменной шириной полосы до 40 МГц.

Возможные сферы применения модуля DSP+FPGA С6674-S6:

  • Системы видеонаблюдения и конференц-связи.
  • Решения для силовых структур — радиолокационные станции, комплексы постановки радиопомех, обнаружение и подавление несанкционированной работы систем беспроводной связи, комплексы радиомониторинга и пеленгации.
  • «Последняя миля» — обеспечение канала связи от абонентского устройства к узлу доступа. Платформа размещается в точке хорошего сигнала и по беспроводному каналу обеспечивает связь в нужном районе.
  • Цифровое ТВ и радио.
  • Сотовая связь.
  • Умные сети электроснабжения (smart grid).
  • Считыватели радиочастотной идентификации.
  • Мультистандартные системы.
  • Обучающие платформы.

Вот несколько примеров конкретных проектов на базе этой высокотехнологичной FPGA-платы обработки данных:

  1. Разработка высокоскоростного спутникового модема
  2. Программное обеспечение FPGA для буфера кадров HD 4K
  3. IP-ядро для эмуляции флэш-памяти QSPI

Результат для бизнеса

На базе модуля DSP+FPGA С6674-S6 можно реализовать поддержку новейших телекоммуникационных стандартов и протоколов без серьезных инвестиций в проектирование аппаратного обеспечения, ограничившись разработкой ПО и алгоритмов. 

Благодаря открытой модульной архитектуре и принципу программного определения приемопередающего тракта можно значительно сократить время на разработку, тестирование и внедрение систем связи.

Также решение можно использовать в качестве набора разработчика для моделирования и проектирования оборудования в высших образовательных учреждениях и тренинг-центрах.

Публикации о проекте в СМИ

  1. Журнал «Беспроводные технологии»: технология SDR: опыт проектирования универсальной платформы (PDF-версия)

  2. Журнал «Технологии и средства связи»: опыт коммерческого использования технологии SDR в России

Как это сделано

Архитектура FPGA-модуля цифровой обработки сигналов (DSP)

1. Модуль обработки сигналов построен на 4-ядерном DSP-процессоре Texas Instruments ТМS320C6674 с архитектурой KeyStone, которая обеспечивает высокую пропускную способность доступа ко всем процессорным ядрам, периферии, сопроцессорам и контроллерам ввода/вывода. Обеспечивает высокоскоростной обмен данными по интерфейсам Serial RapidIO, Hyperlink, PCI Express, Gigabit Ethernet, SGMII, RS-232, SPI, I2C.

Процессор TMS320C6674 1 ГГц
RAM, DDR3 512 МБ
Flash, NAND FLASH 512 МБ
Габаритные размеры 180x80 мм
Питание DC 12В±30%
Рабочая температура −30 … +55 ºC
Температура хранения −40 ... +85 ºC


2. Модуль приемника/передатчика включает программируемую логику Xilinx Spartan-6, высокоскоростные ЦАП и АЦП. Обеспечивает интерфейсы для внешнего подключения: Serial Rapid IO, SPI, аналоговый вход и выход.

FPGA Xilinx Spartan 6
Dual Channel 14 бит, 250 MSPS Dual Channel 14 бит, 250 MSPS
ЦАП DAC3283 Dual Channel 16 бит, 800 MSPS
RAM, DDR3 128 МБ
ROM, NAND FLASH 32 МБ
Интерфейсы Serial Rapid IO, RS232
Габаритные размеры 180x80 мм
Рабочая температура −30 … +55 ºC
Температура хранения −40 … +85 ºC


3. Приемопередатчик прямого преобразования частоты с диапазоном перестройки несущей частоты 150–2200 МГц и переменной шириной полосы до 40 МГц. При использовании современной элементной базы и цифровой обработки сигнала модуль позволяет добиться характеристик уровня супергетеродинной схемы, сохраняя при этом низкую потребляемую мощность.

Важным достоинством приемника прямого преобразования является возможность перестройки несущей частоты в широком диапазоне. Для сравнения, использование супергетеродинной схемы в случае переменной полосы входного сигнала требует либо разработки нескольких сложных перестраиваемых фильтров, либо применения фильтра с максимальной шириной полосы, что сводит на нет все достоинства супергетеродинной схемы. 

Мощность передатчика (не менее) 100 мВт
Чувствительность приемника
в полосе 40 МГц (не менее)
−60 дБм
Ширина полосы (не менее) 40 МГц
Разрешение по частоте 10 кГц
Частотный диапазон 150–2200 МГц
Избирательность приемника
(не менее)
40 дБ
Коэффициент шума приемника
(не более)
10 дБ
Питание DC 12В±30%
Рабочая температура −20 … +50 ºC
Температура хранения −40 … +85 ºC