一种基于NB-IoT的高精度解调装置

作者简介：刘小刚（1987—），男，工程师，研究方向：网络测试技术。

0   引言

万物互联的概念已经兴起，主要特点就是物与物之间协作连接，而通信是实现万物互联的必要条件。现有的5G、4G、3G、2G 通信协议无法满足低功耗、低成本、广覆盖和大容量的需求，一些低功耗标准协议，如LoRa、Sigfox、Wifi，在信息安全、移动性和容量等方面存在缺陷。因此，经过全球业界超过50 家公司的积极参与和一年多的努力，NB-IoT 标准协议宣告诞生^[1]。本文介绍一种基于NB-IoT 的高精度解调装置，从射频、中频、物理层、主控各模块联合协作的角度，构造了一种基于NB-IoT 的高精度解调装置。

1   总体设计

本装置主要由射频模块、中频模块、物理层模块、主控模块联合完成。信号源的数据首先经过射频模块进行混频，统一混频到153.6MHz 的频率上，然后进入中频模块。中频模块的FPGA 进行下变频变换到数字信号，通过SRIO 传输给DSP，DSP 调用物理层模块进行211、212 过程，最终计算出原始码流01 比特，然后通过TCP 协议将原始码流传递给主控模块。主控模块进行时域、频域、调制域、原始码流的计算和显示。具体过程如图1 所示：

2   模块设计

2.1 射频模块

射频模块主要完成功率控制、混频的功能。功率控制：射频模块内部含有放大器、衰减器，并通过EISA 总线与主控模块进行交互，从而实现功率的控制。

混频：射频模块通过混频将原始的高频载波信号混频到153.6 MHz 频点上，供给中频模块使用。

2.2 中频模块

中频主要包括FPGA 和DSP，FPGA 负责基带信号下变频，DSP 负责物理层解调。

FPGA 通过AD 转换得到NB-IoT 的基带信号，然后进行下变频，最终通过SRIO 将基带信号传递给DSP。下变频过程如图2 所示。

DSP 主要从主控通过网口获得物理层参数，然后调用物理层的lib 库计算基带信号的解调过程，最终得到原始码流。其中进行部分测试例计算，并将结果通过网口传递给主控。为了能够使解调速度高效快捷，DSP 充分利用了VCP^[2]、TCP^[3]、EDMA^[4] 等硬件加速器，为了便于升级更新，使用了EMAC^[5] 自启动方式，并使用sysbios^[6]、ndk^[7] 等TI 公司的工具实现了TCP 协议，保证了数据的稳定传输。TCP 协议的实现过程如图3 所示。

2.3 物理层模块

物理层主要完成NB-IoT 从基带信号到原始码流的解调过程。

基带信号到调制信号的解调过程，也就是协议的211 过程，主要包括FFT、解资源映射、解调^[8] 等过程，如图4 所示。

调制信号到原始码流，也就是协议的212 过程，主要包括译码、解速率匹配、CRC 校验 ^[9] 等过程，如图5所示。

2.4 主控模块

主控程序主要完成功率和频率的校准、对射频的控制、与中频的交互、测试例的计算等。

功率和频率的校准：对单音和调制信号，需要对功率和频率进行定标校准，通过GPIB 卡或LAN 线与第三方标准仪表互连进行定标校准。

对射频的控制：在校准过程中，需要进行送数从而进行实现对射频的控制，并将校准数据保存。

与中频的交互：基带信号解调的一些必要参数，如小区ID、信道带宽等参数，需要通过网口传递给中频。中频解调成功后，将原始码流、EVM、FOE 等结果通过网口传递给主控进行显示绘图。

测试例的计算：对一些时频域计算的测试例主控程序完成，如基带信号的功率、峰均比、占用带宽、ACLR 等测试例。

3   结论

使用信号源发送、仪表解调的方式对NB-IoT 的解调进行测试。测试方法为罗德的SMW200 发送NB-IoT在独立测试模式下的信号，自研的5264B 通信矢量信号分析仪进行EVM 解调。EVM 值为0.48%，证明本方案可以满足NB-IoT 高精度解调的需求。解调结果如图6 所示。

图6 解调结果

参考文献：

[1] 戴波.窄带物联网(NB-IoT)标准与关键技术[M].北京:人民邮电出版社,2016.

[2] TMS320TCI648x/9x DSP Viterbi-Decoder Coprocessor2 (VCP2) (SPRUE09E)[EB/OL].(2006-05).[2009-12].http://www.ti.com.

[3] TI Inc. TMS320TCI648x DSP Turbo-Decoder Coprocessor2 (TCP2 ) (SPRUE10A)[EB/OL].(2006-05).[2008-06].http://www.ti.com.

[4] TI Inc. TMS320C6472/TMS320TCI648x DSP EnhancedDMA (EDMA3) Controller (SPRU727E)[EB/OL].(2005-12).[2011-01].http://www.ti.com.

[5] TI Inc. TMS320TCI6487/88 DSP Ethernet Media Access Controller (EMAC)/Management Data Input/Output (MDIO) User’s Guide(SPRUEF0B)[EB/OL].(2006-04).[2010-02].http://www.ti.com.

[6] TI Inc. TI-RTOS Kernel (SYS/BIOS) User’s Guide(SPRUEX3U)[EB/OL]. [2018-02].http://www.ti.com.

[7] TI Inc. TMS320C6000 Network Developer’s Kit (NDK) Software User’s Guid e (SPRU523G)[EB/OL].(2001-05).[2009-01].http://www.ti.com.

[ 8 ] 3 r d G e n e r a t i o n Pa r t n e r s h i p Pr o j e c t ; T e c h n i c a l Specification Group Radio Access Network;Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Physical channels and modulation(Release 14)[S] .3GPP TS 36.211 V14.14.0 (2020-03).

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年2月期）