作者：漆莊平 ， 李國通 ， 楊根慶

隨著A/D/A器件與DSP處理器的迅速發(fā)展，使得軟件無線電技術(shù)廣泛地應(yīng)用于陸上移動通信?衛(wèi)星移動通信與全球定位系統(tǒng)等?本文利用軟件無線電的思路，針對中科院創(chuàng)新一號低軌移動小衛(wèi)星多功能地面站設(shè)計的具體要求，研制了一套基于軟件無線電技術(shù)的多信道發(fā)射機設(shè)備?該地面站發(fā)射系統(tǒng)數(shù)字基帶部分采用全軟件化設(shè)計，核心部件是可編程的DSP及FPGA，可同時處理三路信號?該設(shè)備具有以下三個優(yōu)點：多模工作;無線通信系統(tǒng)可升級;發(fā)射配置動態(tài)更改?該設(shè)備可根據(jù)實際需要靈活配置系統(tǒng)，適用范圍大大擴展?

1 系統(tǒng)構(gòu)成

從SDR地面站發(fā)射系統(tǒng)如圖1所示?該系統(tǒng)的發(fā)射速率為2.4kbps窄帶?2.4kbps擴頻?19.2kbps窄帶或它們混合的速率?中頻分別為18.45MHz?20MHz?21.85MHz?DAC的采樣頻率為78.336MHz?發(fā)射系統(tǒng)中FPGA實現(xiàn)FIFO?信道編碼?擴頻?內(nèi)插濾波?數(shù)字上變頻?信道合成?DAC預(yù)補償濾波器等功能?這些功能都集成在一片Xilinx VirtexII芯片中?

2 FPGA部分功能模塊

2.1 FIFO模塊

FIFO完成數(shù)據(jù)緩存功能?為了節(jié)省不必要的資源，設(shè)計了一個長度為32?深度為2的FIFO?即當(dāng)一個寄存器32位取完時發(fā)出中斷給DSP，同時讀?寫寄存器指針變換，DSP響應(yīng)中斷向FIFO寫數(shù)，此時數(shù)據(jù)還在不斷地讀出?這樣就實現(xiàn)了用最少的資源實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存?

2.2 信道編碼

在實際信道上傳輸數(shù)字信號時，由于信道傳輸特性不理想及加性噪聲的影響，所收到的數(shù)字信號不可避免地會發(fā)生錯誤?采用信道編碼可以將誤碼率降低?本系統(tǒng)主要采用性能較優(yōu)的卷積編碼和差分編碼等?

對于窄帶信號還有擾碼（CCITT V.35）?擾碼能改善位定時恢復(fù)的質(zhì)量，還能使信號頻譜彌散而保持穩(wěn)恒，能改善幀同步和自適應(yīng)時域均衡等子系統(tǒng)的性能?

對于擴頻信號還有擴頻編碼?在直擴系統(tǒng)中，用偽隨機序列將傳輸信息擴展，在接收時又用它將信號壓縮，并使干擾信號功率擴散，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力?

編碼過程在DSP的控制下進行，數(shù)據(jù)從DSP送出，并標(biāo)識信道特征，F(xiàn)PGA識別后進入相應(yīng)的編碼通道，這樣三路信道可以分時進行編碼處理?由于硬件速度快的特點，可視為同時處理?

2.3 信道合成

信道合成模塊由內(nèi)插濾波器?數(shù)字上變頻?信道復(fù)接三部分組成?

2.3.1 內(nèi)插濾波器

各信道濾波器性能指標(biāo)如表1所示?

為了以最少的濾波器階數(shù)得到較低的符號間干擾和高阻帶衰減，成形濾波器采用一個根升余弦濾波器，滾降系數(shù)0.4?其頻域表達(dá)式為：

式中α為滾降因子，取0.4?

成形濾波器設(shè)計采用頻率采樣技術(shù)，這樣可以得到階數(shù)較低?性能較好的濾波器?成形濾波器一般采用4倍或8倍的內(nèi)插系數(shù)?先用MATLAB把濾波器階數(shù)和系數(shù)確定下來，這樣可以用移位加運算代替乘法以節(jié)省大量硬件資源?在FPGA實現(xiàn)時，采用DA（Distribute Algorithm）技術(shù)?DA技術(shù)提出了二十多年，廣泛應(yīng)用于線性時不變信號處理，已被證明不適用于可編程DSP的固定指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但是用FPGA實現(xiàn)卻是個好的選擇--DA電路中沒有直接的乘法器，乘法可由查找表得到?

CIC濾波器是一種靈活的無乘法濾波器，適合于硬件實現(xiàn)，并可處理任意大的數(shù)據(jù)率變換?由此，第二級內(nèi)插濾波采用CIC濾波器是最佳選擇?

在不降低性能的前提下，從節(jié)省資源的角度考慮，各信道內(nèi)插濾波器分為兩步實現(xiàn)：第一級FIR成形濾波器，第二級內(nèi)插濾波器采用五級CIC濾波器?各信道濾波器內(nèi)插分解為兩級，大內(nèi)插系數(shù)濾波器由CIC完成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示?實驗結(jié)果表明這樣做并不影響性能?

三路信道內(nèi)插濾波器分別描述如下：

（1）2.4kbps窄帶信號：編碼后信號采樣率為4.8kHz，要用78.336MHz進行采樣，必須經(jīng)過78336/4.8=16320倍內(nèi)插?第一級采用75階8倍內(nèi)插成形FIR濾波器，第二級采用2040倍五級CIC內(nèi)插濾波器?

（2）19.2kbps窄帶信號：編碼后信號采樣率為38.4kHz，要用78.336MHz進行采樣，必須經(jīng)過2040倍內(nèi)插?第一級采用75階8倍內(nèi)插成形FIR濾波器，第二級采用255倍五級CIC內(nèi)插濾波器?該路信道所有內(nèi)插濾波器頻率響應(yīng)如圖3所示?

（3）2.4kbps擴頻信號：編碼后信號采樣率為1.224MHz，要用78.336MHz進行采樣，必須經(jīng)過64倍內(nèi)插?第一級采用25階4倍內(nèi)插成形FIR濾波器，第二級采用16倍五級CIC內(nèi)插濾波器?

2.3.2 數(shù)字上變頻

數(shù)字上變頻器的主要功能是對輸入數(shù)據(jù)進行各種調(diào)制和頻率變換，即在數(shù)字域內(nèi)實現(xiàn)調(diào)制和混頻?筆者設(shè)計了三個單路數(shù)據(jù)DUC?

在BPSK調(diào)制模式中，內(nèi)插濾波器把數(shù)據(jù)流采樣頻率升至時鐘頻率后，通過載波NCO進行混頻?DUC設(shè)計取22位累加器，SIN/COS的分辨率為12位?其頻率輸出調(diào)諧精度為18.68Hz?NCO簡單結(jié)構(gòu)如圖4所示?

2.3.3 信道復(fù)接

三路信道分別完成數(shù)字上變頻后經(jīng)過一個加法器變?yōu)橐宦沸盘査椭罝AC，這樣只需要一個RF模塊就可完成發(fā)射功能?如圖5給出了發(fā)射機信道復(fù)接后的頻譜?

2.4 Inverse-SINC預(yù)補償濾波器

Inverse-SINC預(yù)補償濾波器用于補償發(fā)射時由DAC采樣保持工作導(dǎo)致的頻率響應(yīng)的失真?該偏差在21.85MHz時為-1.142dB?為了達(dá)到性能最優(yōu)化，采用頻率采樣的方法設(shè)計了一個11階的補償濾波器，該濾波器頻率響應(yīng)如圖6所示?

為了分析發(fā)射機的性能，用矢量信號分析儀畫出各信道的星座圖與眼圖?圖7所示為窄帶19.2kbps信道的星座圖與眼圖，其性能可以滿足多功能地面站的要求?

本文采用了軟件無線電技術(shù)?實現(xiàn)衛(wèi)星地面站，具有很大的靈活性及現(xiàn)實意義?根據(jù)“創(chuàng)新一號”小衛(wèi)星對多功能地面站的研制要求，自行開發(fā)了一個軟件無線電多信道發(fā)射機系統(tǒng)，具有功能強?功耗低?體積小?靈活性大等特點，極大地方便了用戶?

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