软件无线电在小卫星多功能地面站中的应用

摘要：介绍一个SDR Software Defined Radio多功能地面站发射系统的设计与实现。 关键词：SDR 地面站 数字上变频器 Inverse-SINC预补偿滤波 随着Ａ／Ｄ／Ａ器件与ＤＳＰ处理器的迅速发展，使得软件无线电技术广泛地应用于陆上移动通信、卫星移动通信与全球定位系统等。本文利用软件无线电的思路，针对中科院创新一号低轨移动小卫星多功能地面站设计的具体要求，研制了一套基于软件无线电技术的多信道发射机设备。该地面站发射系统数字基带部分采用全软件化设计，核心部件是可编程的ＤＳＰ及ＦＰＧＡ，可同时处理三路信号。该设备具有以下三个优点：多模工作；无线通信系统可升级；发射配置动态更改。该设备可根据实际需要灵活配置系统，适用范围大大扩展。 １ 系统构成 ＳＤＲ地面站发射系统如图１所示。该系统的发射速率为２．４ｋｂｐｓ窄带、２．４ｋｂｐｓ扩频、１９．２ｋｂｐｓ窄带或它们混合的速率。中频分别为１８．４５ＭＨｚ、２０ＭＨｚ、２１．８５ＭＨｚ。ＤＡＣ的采样频率为７８．３３６ＭＨｚ。发射系统中ＦＰＧＡ实现ＦＩＦＯ、信道编码、扩频、内插滤波、数字上变频、信道合成、ＤＡＣ预补偿滤波器等功能。这些功能都集成在一片Ｘｉｌｉｎｘ ＶｉｒｔｅｘＩＩ芯片中。 图1 FPGA发射机功能模块图 ２ ＦＰＧＡ部分功能模块 ２．１ ＦＩＦＯ模块 ＦＩＦＯ完成数据缓存功能。为了节省不必要的资源，设计了一个长度为３２、深度为２的ＦＩＦＯ。即当一个寄存器３２位取完时发出中断给ＤＳＰ，同时读、写寄存器指针变换，ＤＳＰ响应中断向ＦＩＦＯ写数，此时数据还在不断地读出。这样就实现了用最少的资源实现数据缓存。 ２．２ 信道编码 在实际信道上传输数字信号时，由于信道传输特性不理想及加性噪声的影响，所收到的数字信号不可避免地会发生错误。采用信道编码可以将误码率降低。本系统主要采用性能较优的卷积编码和差分编码等。 对于窄带信号还有扰码（ＣＣＩＴＴ Ｖ．３５）。扰码能改善位定时恢复的质量，还能使信号频谱弥散而保持稳恒，能改善帧同步和自适应时域均衡等子系统的性能。 对于扩频信号还有扩频编码。在直扩系统中，用伪随机序列将传输信息扩展，在接收时又用它将信号压缩，并使干扰信号功率扩散，提高了系统的抗干扰能力。 编码过程在ＤＳＰ的控制下进行，数据从ＤＳＰ送出，并标识信道特征，ＦＰＧＡ识别后进入相应的编码通道，这样三路信道可以分时进行编码处理。由于硬件速度快的特点，可视为同时处理。 ２．３ 信道合成 信道合成模块由内插滤波器、数字上变频、信道复接三部分组成。 ２．３．１ 内插滤波器 各信道滤波器性能指标如表１所示。 表1 各信道滤波器指标 　 滤波器性能要求 19.2kbps窄带收信机 在f0%26;#177;80kHz外，杂散小于50dBc；谐波（二、三次）小于40dBc 2.4kbps窄带发信机 在f0%26;#177;10kHz外，杂散小于50dBc；谐波（二、三次）小于40dBc 2.4kbps扩展发信机 在f0%26;#177;1.25MHz外，杂散小于50dBc；谐波（二、三次）小于40dBc 为了以最少的滤波器阶数得到较低的符号间干扰和高阻带衰减，成形滤波器采用一个根升余弦滤波器，滚降系数０．４。其频域表达式为： 式中α为滚降因子，取０．４。 成形滤波器设计采用频率采样技术，这样可以得到阶数较低、性能较好的滤波器。成形滤波器一般采用４倍或８倍的内插系数。先用ＭＡＴＬＡＢ把滤波器阶数和系数确定下来，这样可以用移位加运算代替乘法以节省大量硬件资源。在ＦＰＧＡ实现时，采用ＤＡ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）技术。ＤＡ技术提出了二十多年，广泛应用于线性时不变信号处理，已被证明不适用于可编程ＤＳＰ的固定指令系统结构，但是用ＦＰＧＡ实现却是个好的选择——ＤＡ电路中没有直接的乘法器，乘法可由查找表得到。 ＣＩＣ滤波器是一种灵活的无乘法滤波器，适合于硬件实现，并可处理任意大的数据率变换。由此，第二级内插滤波采用ＣＩＣ滤波器是最佳选择。 在不降低性能的前提下，从节省资源的角度考虑，各信道内插滤波器分为两步实现：第一级ＦＩＲ成形滤波器，第二级内插滤波器采用五级ＣＩＣ滤波器。各信道滤波器内插分解为两级，大内插系数滤波器由ＣＩＣ完成，其结构如图２所示。实验结果表明这样做并不影响性能。 图3 19.2kbps窄带内插滤波器频率响应 三路信道内插滤波器分别描述如下： （１）２．４ｋｂｐｓ窄带信号：编码后信号采样率为４．８ｋＨｚ，要用７８．３３６ＭＨｚ进行采样，必须经过７８３３６／４．８＝１６３２０倍内插。第一级采用７５阶８倍内插成形ＦＩＲ滤波器，第二级采用２０４０倍五级ＣＩＣ内插滤波器。 （２）１９．２ｋｂｐｓ窄带信号：编码后信号采样率为３８．４ｋＨｚ，要用７８．３３６ＭＨｚ进行采样，必须经过２０４０倍内插。第一级采用７５阶８倍内插成形ＦＩＲ滤波器，第二级采用２５５倍五级ＣＩＣ内插滤波器。该路信道所有内插滤波器频率响应如图３所示。 （３）２．４ｋｂｐｓ扩频信号：编码后信号采样率为１．２２４ＭＨｚ，要用７８．３３６ＭＨｚ进行采样，必须经过６４倍内插。第一级采用２５阶４倍内插成形ＦＩＲ滤波器，第二级采用１６倍五级ＣＩＣ内插滤波器。 ２．３．２ 数字上变频 数字上变频器的主要功能是对输入数据进行各种调制和频率变换，即在数字域内实现调制和混频。笔者设计了三个单路数据ＤＵＣ。 在ＢＰＳＫ调制模式中，内插滤波器把数据流采样频率升至时钟频率后，通过载波ＮＣＯ进行混频。ＤＵＣ设计取２２位累加器，ＳＩＮ／ＣＯＳ的分辨率为１２位。其频率输出调谐精度为１８．６８Ｈｚ。ＮＣＯ简单结构如图４所示。 ２．３．３ 信道复接 三路信道分别完成数字上变频后经过一个加法器变为一路信号送至ＤＡＣ，这样只需要一个ＲＦ模块就可完成发射功能。如图５给出了发射机信道复接后的频谱。 ２．４ Ｉｎｖｅｒｓｅ－ＳＩＮＣ预补偿滤波器 Ｉｎｖｅｒｓｅ－ＳＩＮＣ预补偿滤波器用于补偿发射时由ＤＡＣ采样保持工作导致的频率响应的失真。该偏差在２１．８５ＭＨｚ时为－１．１４２ｄＢ。为了达到性能最优化，采用频率采样的方法设计了一个１１阶的补偿滤波器，该滤波器频率响应如图６所示。 为了分析发射机的性能，用矢量信号分析仪画出各信道的星座图与眼图。图７所示为窄带１９．２ｋｂｐｓ信道的星座图与眼图，其性能可以满足多功能地面站的要求。 本文采用了软件无线电技术。实现卫星地面站，具有很大的灵活性及现实意义。根据“创新一号”小卫星对多功能地面站的研制要求，自行开发了一个软件无线电多信道发射机系统，具有功能强、功耗低、体积小、灵活性大等特点，极大地方便了用户。 图7 窄带19.2kbps信道的星座图与眼图