软件无线电在小卫星多功能地面站中的应用

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。

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±80kHz外，杂散小于50dBc；谐波（二、三次）小于40dBc2.4kbps窄带发信机在f0±10kHz外，杂散小于50dBc；谐波（二、三次）小于40dBc2.4kbps扩展发信机在f0±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。

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