LabVIEW FPGA 实时处理 2 GHz 通感信号

用一套覆盖 71 至 76 GHz 的 mmWave 收发系统做 6G 通感一体的波形验证实时带宽 2 GHz信号由板载 FPGA 实时处理。从公开招标到把结果写进同行评审论文这条路走的不是定制硬件而是通用硬件加软件框架。01 要做什么背景与技术难点理论上无线通信和雷达感知基于同一个物理现象——电磁波的传播因此可以共用同一套波形、同一段频谱和同一套硬件。但在实践中这需要大量研究与原型验证才能确定新的波形和硬件设计是否可行。在 6G 的设想里这两项功能会被集成到一起共用同一套波形。这样可以更高效地利用硬件和频谱资源提升两种业务各自的效率并打开许多新的应用可能。这种做法被称为通感一体JCS也叫通信感知一体化ISAC愿景是在通信网络中按需提供雷达即服务RaaS复用同一套无线资源只用一套硬件平台。在 5G 之后B5G的网络中通感一体被预期为关键特性之一。自动驾驶车辆网络等场景本身就已同时包含雷达感知和无线通信。但传统做法是雷达和通信各占一段频段、各用一套硬件平台。要合到一起就需要成本更低、功耗也更低的收发信机。要研究的正是能同时高效、低成本服务这两种用途的新波形与信号处理技术。为通感一体系统寻找新波形需要基于 OFDM正交频分复用或 FMCW调频连续波提出新方案。02 难在哪射频复杂度与同步指标这个项目的难点不在单点指标而在整条链路上每一环都要同时满足。第一是频段与带宽。mmWave 频段的前端硬件本身就很复杂要在 71 至 76 GHz 上工作还要有 2 GHz 的实时带宽意味着基带、中频、射频三级都得跟上。系统还需要足够宽的模拟增益调节范围以及 TX 和 RX 两条通路各三种工作模式。第二是实时性。2 GHz 带宽的通道信号必须在 FPGA 上实时处理不能等搬回主机再算。第三是同步。系统由两套 PXI 组成要求既能各自独立运行又能同步工作。同步模式下两套系统需要共享发射触发和两个接收机的触发相干工作模式下还要共享本振。触发抖动的指标要求是 25 ns。第四是抽象程度。研究人员的专长在波形和算法不在 mmWave 射频硬件的接口细节上。如果每验证一个想法都要先啃一遍硬件原型迭代的速度就无从谈起。第五是可扩展性。招标要求远程仪器控制也要求架构能通过 API 扩展支持新的软件环境。03 方案通用平台加三个软件模块硬件平台选的是一套带射频头的 mmWave 收发系统。它的工作频率覆盖 71 至 76 GHz实时带宽 2 GHz模拟增益范围 55 dB。系统包含基带和中频硬件射频前端的选择上有灵活性也可以只用中频或基带信号。它支持最高 3.072 GSps 的 I/Q 采样率I/Q 数据分辨率为 12 bit。板载的 FlexRIO FPGA 可用来实时处理 2 GHz 通道或实现各种数字信号处理算法。同步方面在系统的基础配置上增加了一块 PXIe-6674T 定时与同步模块。两套 PXI 系统可以共享发射触发和两个接收机的触发也可以在相干模式下共享本振。系统初始化完成后同步稳定度触发抖动小于 1 ns——远优于 25 ns 的要求。系统分成两部分A 系统是收发信机支持用自定义 IQ 样本相干收发射频信号主要用于雷达信号分析B 系统是接收机主要用于通信信号部分。软件侧是三个模块mmWave 仪器控制程序、命令服务程序、Python API。按招标要求远程仪器控制通过 Python API 实现。跑在 mmWave 系统上的模块用 LabVIEW 实现。模块之间通过 ZeroMQZMQTCP 库通信在多目标、多语言混用的场景里这是常见的连接管理方式。此外还做了一套运行在 PXI 系统本地的用户界面用于调试并提供仿真模式即使没有硬件也能用 API 做测试。04 LabVIEW 里的程序FPGA 加法与数据通路拿到的是一套货架式软件无线电自带 LabVIEW API 支持和基础的样本流式传输工程。真正要补的是让这套通用平台装得下通感一体波形。这部分工作在 LabVIEW FPGA 里完成。利用 LabVIEW FPGA 模块可以在参考 FPGA 代码的基础上做扩展把 TX 和 RX 两条通路的数字基带覆盖进去。更关键的一处改动是打开板载 DRAM更大的样本量、以及信号校正都需要更大的存储和更灵活的数据搬运。这些 FPGA 上的加法是把通信测试平台变成通感一体原型平台的核心。架构上也留了口子模块化、可扩展的设计允许通过 API 扩展去支持新的软件环境。研究人员的日常操作被收敛到一个简单的 Python API 上硬件那层的复杂交互被框架挡在后面设备利用率也更容易做满。05 结果用这套 mmWave 测试系统很快取得初期进展。这个带 Python API 和 FPGA 扩展的模块化平台让他们能测试通信算法并验证自己的构想。至于最终在汽车或其他场景中落地还取决于这套通感一体系统在成本上是否划算。06 这个案例说明什么第一点是硬件的抽象层次被主动设计过。射频前端、板载 FPGA、同步模块这些复杂部件被封装在框架之后留给研究人员的只有一个 Python API。测量系统的价值不只是指标还在于它让使用者把时间花在哪里。第二点是 FPGA 的位置。2 GHz 实时带宽这条指标之所以有意义是因为它落在了 FPGA 上而不是落在主机的算力上。实时性要求高的场合把处理放到离射频最近的地方是可复用的思路。第三点是同步被当成系统级指标来验收。1 ns 的触发抖动和 25 ns 的要求之间留了足够余量这类余量在后期扩展通道数、增加接收机时往往就是空间。第四点是模块化与仿真模式。软件拆成三个模块、通过标准消息库通信还能在没有硬件时跑仿真这两件事降低了使用门槛也让后续替换部件时不至于牵一发动全身。最后一点这套平台从货架式软件无线电起步增量投入集中在 FPGA 扩展和 API 这两处软件工作上而不是重做一套硬件。07 写在最后通感一体这类前沿方向前期最缺的往往不是想法而是能快速把想法变成实测数据的验证平台。这类平台的门槛通常不在某一台仪器而在硬件抽象、实时处理、同步和软件接口这几件事能不能一起做对。我们专注 LabVIEW 软件开发与测试测量系统集成从硬件选型、方案设计到现场交付调试提供一站式服务。无论是 mmWave 收发系统的 FPGA 实时处理与同步还是 Python API 与上位机软件的对接都可以聊。欢迎在评论区留言身边朋友有类似项目也欢迎帮忙引荐。