基于軟件無線電的衛(wèi)星通信模擬源的實現(xiàn)

O 引言
    通信中普遍采用基帶信號對載波波形的某些參量(如振幅、頻率以及相位等)進行調(diào)制，以滿足系統(tǒng)發(fā)射和接收的需要。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，器件工藝越來越先進，器件功能越來越強，實現(xiàn)信號調(diào)制的方法也越來越多，實現(xiàn)信號調(diào)制的穩(wěn)定度和可靠性都在不斷提高。尤其在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，信號調(diào)制的應用越來越廣泛，要求也不斷提高。采用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)實現(xiàn)的調(diào)制方法，各種信號的產(chǎn)生依靠軟件操作來確定，同一信號經(jīng)過數(shù)字化后可由不同的軟件模塊來實現(xiàn)各種調(diào)制功能。這使得硬件電路結(jié)構(gòu)變得更加簡單，操作更加方便，穩(wěn)定度更高，可靠性更強。而且結(jié)合相應的數(shù)字信號處理軟件及控制軟件可以加載新的調(diào)制方式，形成一個通用的數(shù)字調(diào)制器，能夠方便靈活地進行通信調(diào)制方式的擴展。
    軟件無線電是一種基于寬帶模數(shù)／數(shù)模轉(zhuǎn)換器件、高速數(shù)字信號處理芯片，以軟件為核心(Software-Oriented)的嶄新的體系結(jié)構(gòu)。軟件無線電技術(shù)的發(fā)展為衛(wèi)星通信系統(tǒng)提供了良好的發(fā)展基礎(chǔ)。由于FPGA具有高度的靈活性和重配置性，其在基于軟件無線電的通信系統(tǒng)中應用越來越廣泛。該設(shè)計是基于軟件無線電，采用FPGA實現(xiàn)全數(shù)字調(diào)制的通用衛(wèi)星信號源模塊，數(shù)據(jù)協(xié)議及調(diào)制方式任意可變，可以靈活地應用于各種衛(wèi)星通信系統(tǒng)中。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計
    軟件無線電技術(shù)要求靠近天線的地方盡可能使用寬帶的數(shù)模／數(shù)模轉(zhuǎn)換器，盡早地完成信號的數(shù)字化，從而使得無線電臺的功能盡可能地用軟件來定義和實現(xiàn)。但是由于受寬帶天線、高速A／D，D／A及DSP等技術(shù)水平的限制，實現(xiàn)一個理想的軟件無線電平臺的條件目前還不具備。因此，現(xiàn)在對軟件無線電的研究一方面集中在上述關(guān)鍵技術(shù)的研究上，另一方面更多地是在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，研究如何最大程度地實現(xiàn)軟件無線電所要求的通用性和靈活性，將軟件化、通用化的設(shè)計思想體現(xiàn)到具體的應用實踐中。雖然目前基于軟件無線電的直接射頻收發(fā)系統(tǒng)的實現(xiàn)還有些難度，但基于中頻數(shù)字信號處理的中頻收發(fā)技術(shù)已相當成熟。本衛(wèi)星通信模擬源就是采用基于軟件無線電的中頻發(fā)送技術(shù)，以高速DAC和高端FPGA為硬件載體，給出了模擬中頻信號的輸出。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示(完整的發(fā)送系統(tǒng)還需要混頻器、放大器及天線等，這不在本文的討論范疇內(nèi))，F(xiàn)PGA對數(shù)據(jù)進行編碼調(diào)制后再送給DAC，以產(chǎn)生中頻輸出。

    衛(wèi)星通信模擬數(shù)據(jù)源既可由FPGA內(nèi)部產(chǎn)生，也可以由外部送入。為了保證硬件平臺的通用性，本衛(wèi)星通信模擬源系統(tǒng)的外部接口有TTL，422及LVDS等類型，用以滿足各種不同的接口需要。FPGA是整個系統(tǒng)的核心器件，為了保證處理速度和邏輯單元的容量，采用Altera公司Str-atixⅡ系列FPGA——EP2S90F1020。EP2S90F1020擁有72 768個寄存器和72 768個算術(shù)查找表單元，另有4 Mb存儲器單元和384個9 b乘法器，其工作速度快，資源非常豐富，可以在內(nèi)部進行絕大部分的數(shù)字中頻處理運算。
    為了保證中頻輸出信號的質(zhì)量，DAC的采樣時鐘最好大于等于載波頻率的4倍。如載波中頻為70 MHz，則DAC的采樣時鐘應為280 MHz或更高。再考慮系統(tǒng)的可編程性和升級性，采用了Analog Devices公司的超高速DAC——AD9736。AD9736的數(shù)據(jù)精度為14 b，采樣率高達1 200 MSPS，采用DDR方式LVDS數(shù)據(jù)接收器，電流型輸出，內(nèi)置同步控制電路，適合應用在寬帶通信系統(tǒng)中。
    由于硬件系統(tǒng)的工作頻率很高，需要采用高速電路設(shè)計方法，需要注意以下幾點：
    信號完整性  需要對板級系統(tǒng)進行信號完整性仿真，注意阻抗匹配，減小關(guān)鍵信號線之間的串擾，控制數(shù)據(jù)總線之間的延時；
    電源完整性  需要對板級系統(tǒng)進行電源完整性仿真，增加線和過孔上所能通過最大電流的裕量，通過在合適的位置加去耦電容，以降低電源和地平面上的交流阻抗；
    電磁兼容  由于硬件屬于模／數(shù)混合電路，在布線時需要注意模擬部分和數(shù)字部分的隔離，采用獨立的模擬電源和數(shù)字電源以及模擬地和數(shù)字地，特別要注意降低數(shù)字部分對模擬部分的干擾；
    功耗問題  隨著系統(tǒng)工作頻率的提高，系統(tǒng)的功耗也隨之增加，需要對關(guān)鍵器件進行散熱處理。

2 軟件系統(tǒng)實現(xiàn)
    軟件系統(tǒng)主要包括芯片配置、數(shù)據(jù)協(xié)議、基帶數(shù)據(jù)調(diào)制、內(nèi)插成形濾波以及正交調(diào)制等模塊。芯片配置模塊主要對DAC等芯片進行初始化配置，設(shè)置其工作方式。數(shù)據(jù)協(xié)議模塊定義了數(shù)據(jù)打包成幀的結(jié)構(gòu)，協(xié)議和調(diào)制方式相對應?；鶐?shù)據(jù)調(diào)制模塊包含各種基帶調(diào)制方式的實現(xiàn)，如BPSK，QPSK，OQPSK，MSK及BFSK等。內(nèi)插成形濾波模塊負責對基帶調(diào)制后的數(shù)據(jù)進行內(nèi)插成形濾波，以滿足系統(tǒng)帶寬和數(shù)據(jù)率的需要。正交調(diào)制模塊主要對I／Q數(shù)據(jù)進行數(shù)字上變頻(DUC)處理。調(diào)制方式和數(shù)據(jù)協(xié)議的選擇可通過譯碼器來實現(xiàn)。具體的軟件系統(tǒng)如圖2所示。

    信源數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議編碼成幀和串／并轉(zhuǎn)換后送給基帶調(diào)制模塊，這里初步選用了三種典型協(xié)議(ISOHDLC，ANSI ADCCP和JBll98．1A-2004)，用戶根據(jù)需要可以自行擴充。ISO HDLC為國際化標準組織(ISO)制定的面向比特規(guī)程的高級數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議(HDLC)。ANSI ADCCP協(xié)議幀的基本結(jié)構(gòu)與ISOHDLC基本相同，主要的區(qū)別在于前者的幀校驗序列字段(FCS)的生成多項式為。  GJ-B1198.1A-2004標準規(guī)定了航天器遙測遙控的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其遙控數(shù)據(jù)幀包括啟動序列、地址同步字、方式字、注入數(shù)據(jù)幀、開關(guān)指令幀、循環(huán)冗余檢錯碼和結(jié)束序列。
    I／Q數(shù)據(jù)在直擴模塊中選擇需要擴譜與否，擴譜所用PN碼為移位寄存器級聯(lián)生成的m序列，信息數(shù)據(jù)與PN碼直接異或就能實現(xiàn)擴譜。
    對于數(shù)字相位調(diào)制方式(如BPSK，QPSK和OQPSK等)，數(shù)據(jù)經(jīng)過成形和內(nèi)插濾波后再正交調(diào)制到中頻上，其實現(xiàn)方式遵循軟件無線電調(diào)制基本理論，如圖3所示。

    為了將信號頻譜限制在一個合理的范圍內(nèi)，需要對信號進行成形濾波。平方根升余弦滾降濾波器是無線通信中最常用的一種成形濾波器，它可以消除理想低通濾波器設(shè)計的困難。其過渡帶平滑，通過引入滾降系數(shù)來改變傳輸信號的成形波形，可以減小抽樣定時脈沖誤差所帶來的影響?；鶐盘柦?jīng)過成形濾波以后，在進行數(shù)字上變頻之前，為了提高信號的采樣速率，需要對輸入信號進行內(nèi)插，同時需要濾波器以濾除高頻鏡像。成形濾波器和內(nèi)插濾波器可以合并為一個FIR濾波器，其系數(shù)可由Matlab中的rcosine()函數(shù)生成。濾波器系數(shù)可存儲在FP-GA的ROM中，使用時以查找表方式讀出，由于數(shù)據(jù)為單比特串行輸入，成形內(nèi)插濾波操作僅為濾波器系數(shù)之間的加減運算，無乘法運算。這樣既提高了系統(tǒng)的處理速度，又節(jié)省了乘法器資源。
    從理論上來說，各種通信信號都可以用正交調(diào)制方法加以實現(xiàn)。根據(jù)圖1，可以寫出時域表達式為：
   
    式中：fc為載波頻率。調(diào)制信號的信息包含在I(t)和Q(t)內(nèi)，各種調(diào)制方式下的I／Q數(shù)據(jù)由基帶數(shù)據(jù)調(diào)制模塊生成。由于各種調(diào)制信號的都是在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)的，故在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)時要對上式進行數(shù)字化：
   
    式中：fs為采樣頻率。當采樣頻率為載波角頻率的4倍時，式(2)中cos和sin項變?yōu)?或±1，可省去混頻乘法器和數(shù)控振蕩器(NCO)，使調(diào)制模塊大為簡化。
    NCO在軟件系統(tǒng)中作用非常重要，它既可產(chǎn)生混頻用的本振(LO)信號，又可用來輸出FM和FSK調(diào)制信號。一種常用的實現(xiàn)NCO的方法是采用坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算方法(CORDIC)算法。CORDIC的基本思想是采用逐次逼近的算法實現(xiàn)三角函數(shù)的計算，其優(yōu)點是只進行加減運算和移位操作，結(jié)合并行處理和加流水線，可以實現(xiàn)每一個時鐘周期輸出一個經(jīng)過n位迭代的結(jié)果。該NCO模塊的基本功能是由相位控制字來產(chǎn)生正弦和余弦分量輸出。數(shù)據(jù)源控制NCO的相位控制字就可產(chǎn)生FM調(diào)制數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)源控制NCO相位控制字在兩個常數(shù)頻率中選擇切換，便可產(chǎn)生2FSK調(diào)
制數(shù)據(jù)。

3 模擬源的指標測試
    安捷倫公司的矢量信號分析儀89641A可分析各種模擬和數(shù)字調(diào)制信號，作為接收機可顯示調(diào)制信號的各種信息(如時域波形、頻譜以及星座圖等)，作為測試儀表可定量分析被測信號的調(diào)制精度(如EVM、相位誤差和載波頻率誤差等)。采用89641A對本衛(wèi)星通信模擬源中頻輸出信號進行測試，不同調(diào)制方式下的矢量幅度誤差(EVM)如表1所示。可以看出，各種調(diào)制方式下的EVM指標均良好。目前該信號源已成功應用
到某衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，工作正常。

4 結(jié)語
    基于軟件無線電構(gòu)架的衛(wèi)星通信模擬源以軟件無線電基本理論為依據(jù)，以FPGA為基本實現(xiàn)平臺，具有很強的適用性與兼容性，無需改動硬件就可按用戶要求進行軟件升級，可靠性高。它既可應用于國防軍事上(如軍用衛(wèi)星通信和電子戰(zhàn)系統(tǒng))，又可應用于和平時期國民生產(chǎn)的各個方面(如GSM，衛(wèi)星電視，3G通信等)，具有很大的經(jīng)濟效益和推廣價值，對雷達通信一體化技術(shù)、衛(wèi)星對抗技術(shù)都具有巨大的推動和發(fā)展作用，有著良好的社會效益。