摘 要:介紹一種基于軟件無(wú)線電的衛(wèi)星通信模擬源。提出基于FPGA和高速D/A轉(zhuǎn)換器的硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法和設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。描述了軟件系統(tǒng)中各模塊的基本原理和功能，并根據(jù)軟件無(wú)線電基本理論給出了它們的具體實(shí)現(xiàn)，同時(shí)給出模擬源輸出信號(hào)的EVM測(cè)試結(jié)果。該系統(tǒng)硬件組成簡(jiǎn)單，輸出信號(hào)的調(diào)制方式和數(shù)據(jù)協(xié)議可任意切換，通用性和擴(kuò)展性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞:軟件無(wú)線電; 信號(hào)源; 成形濾波; 數(shù)字上變頻

中圖分類(lèi)號(hào):TN927文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)17-0027-03

Implementation of Simulation Source for Satellite Communication Based on SR

WU Bing， WANG Zhong-hua， GU He-fang

(East China Research Institute of Electronic Engineering， Hefei 230088， China)

Abstract: A simulation source based on software radio for satellite communication is introduced. The implementation method and design notes of the hardware system based on FPGA and high-speed D/A converter are put forward. The basic principle and function of the modules of the software system are depicted. The realization based on software radio theory and the EVM testing results of the output signal of the simulation source are presented. The structure of the system is very simple， and the modulation mode and data protocols can be switched over arbitrarily， so it has the general universality and strong expansibility.

Keywords: software radio(SR); signal source; shaping filtering; digital upper converter

0 引 言

通信中普遍采用基帶信號(hào)對(duì)載波波形的某些參量(如振幅、頻率以及相位等)進(jìn)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(lái)越先進(jìn)，器件功能越來(lái)越強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制的方法也越來(lái)越多，實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(hào)調(diào)制的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，要求也不斷提高。采用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)的調(diào)制方法，各種信號(hào)的產(chǎn)生依靠軟件操作來(lái)確定，同一信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字化后可由不同的軟件模塊來(lái)實(shí)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(jiǎn)單，操作更加方便，穩(wěn)定度更高，可靠性更強(qiáng)。而且結(jié)合相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理軟件及控制軟件可以加載新的調(diào)制方式，形成一個(gè)通用的數(shù)字調(diào)制器，能夠方便靈活地進(jìn)行通信調(diào)制方式的擴(kuò)展。

軟件無(wú)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(hào)處理芯片，以軟件為核心(Software-Oriented)的嶄新的體系結(jié)構(gòu)[1-2]。軟件無(wú)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(wú)線電的通信系統(tǒng)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。該設(shè)計(jì)是基于軟件無(wú)線電，采用FPGA實(shí)現(xiàn)全數(shù)字調(diào)制的通用衛(wèi)星信號(hào)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(yīng)用于各種衛(wèi)星通信系統(tǒng)中。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件無(wú)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(hào)的數(shù)字化，從而使得無(wú)線電臺(tái)的功能盡可能地用軟件來(lái)定義和實(shí)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(shí)現(xiàn)一個(gè)理想的軟件無(wú)線電平臺(tái)的條件目前還不具備。因此，現(xiàn)在對(duì)軟件無(wú)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(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線電所要求的通用性和靈活性，將軟件化、通用化的設(shè)計(jì)思想體現(xiàn)到具體的應(yīng)用實(shí)踐中。雖然目前基于軟件無(wú)線電的直接射頻收發(fā)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)還有些難度，但基于中頻數(shù)字信號(hào)處理的中頻收發(fā)技術(shù)已相當(dāng)成熟。本衛(wèi)星通信模擬源就是采用基于軟件無(wú)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(hào)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼調(diào)制后再送給DAC，以產(chǎn)生中頻輸出。

圖1 基于軟件無(wú)線電的衛(wèi)星通信模擬源

中頻系統(tǒng)的硬件構(gòu)架

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(tái)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(lèi)型，用以滿足各種不同的接口需要。FPGA是整個(gè)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Stratix Ⅱ系列FPGA——EP2S90F1020。EP2S90F1020擁有72 768個(gè)寄存器和72 768個(gè)算術(shù)查找表單元，另有4 Mb存儲(chǔ)器單元和384個(gè)9 b乘法器，其工作速度快，資源非常豐富，可以在內(nèi)部進(jìn)行絕大部分的數(shù)字中頻處理運(yùn)算。

為了保證中頻輸出信號(hào)的質(zhì)量，DAC的采樣時(shí)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(shí)鐘應(yīng)為280 MHz或更高。再考慮系統(tǒng)的可編程性和升級(jí)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(dá)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(yīng)用在寬帶通信系統(tǒng)中[3]。

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(jì)方法，需要注意以下幾點(diǎn):

信號(hào)完整性 需要對(duì)板級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)完整性仿真，注意阻抗匹配，減小關(guān)鍵信號(hào)線之間的串?dāng)_，控制數(shù)據(jù)總線之間的延時(shí);

電源完整性 需要對(duì)板級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行電源完整性仿真，增加線和過(guò)孔上所能通過(guò)最大電流的裕量，通過(guò)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[4];

電磁兼容 由于硬件屬于模/數(shù)混合電路，在布線時(shí)需要注意模擬部分和數(shù)字部分的隔離，采用獨(dú)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(duì)模擬部分的干擾;

功耗問(wèn)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(duì)關(guān)鍵器件進(jìn)行散熱處理。

2 軟件系統(tǒng)實(shí)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(duì)DAC等芯片進(jìn)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(duì)應(yīng)?；鶐?shù)據(jù)調(diào)制模塊包含各種基帶調(diào)制方式的實(shí)現(xiàn)，如BPSK，QPSK，OQPSK，MSK及BFSK等。內(nèi)插成形濾波模塊負(fù)責(zé)對(duì)基帶調(diào)制后的數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)I/Q數(shù)據(jù)進(jìn)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(guò)譯碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體的軟件系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)頂層示意圖

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(ISO HDLC，ANSI ADCCP和GJB1198.1A-2004)，用戶(hù)根據(jù)需要可以自行擴(kuò)充。ISO HDLC為國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)制定的面向比特規(guī)程的高級(jí)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ISO HDLC基本相同，主要的區(qū)別在于前者的幀校驗(yàn)序列字段(FCS)的生成多項(xiàng)式為G(x)=x16+x15+x2+1。GJB1198.1A-2004標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了航天器遙測(cè)遙控的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其遙控?cái)?shù)據(jù)幀包括啟動(dòng)序列、地址同步字、方式字、注入數(shù)據(jù)幀、開(kāi)關(guān)指令幀、循環(huán)冗余檢錯(cuò)碼和結(jié)束序列。

I/Q數(shù)據(jù)在直擴(kuò)模塊中選擇需要擴(kuò)譜與否，擴(kuò)譜所用PN碼為移位寄存器級(jí)聯(lián)生成的m序列， 信息數(shù)據(jù)與PN碼直接異或就能實(shí)現(xiàn)擴(kuò)譜。

對(duì)于數(shù)字相位調(diào)制方式(如BPSK，QPSK和OQPSK等)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)成形和內(nèi)插濾波后再正交調(diào)制到中頻上，其實(shí)現(xiàn)方式遵循軟件無(wú)線電調(diào)制基本理論，如圖3所示[1]。

為了將信號(hào)頻譜限制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行成形濾波。平方根升余弦滾降濾波器是無(wú)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(jì)的困難。其過(guò)渡帶平滑，通過(guò)引入滾降系數(shù)來(lái)改變傳輸信號(hào)的成形波形，可以減小抽樣定時(shí)脈沖誤差所帶來(lái)的影響。基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)成形濾波以后，在進(jìn)行數(shù)字上變頻之前，為了提高信號(hào)的采樣速率，需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行內(nèi)插，同時(shí)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(gè)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(chǔ)在FPGA的ROM中，使用時(shí)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(yùn)算，無(wú)乘法運(yùn)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[5-6]。

圖3 正交調(diào)制的實(shí)現(xiàn)框圖

從理論上來(lái)說(shuō)，各種通信信號(hào)都可以用正交調(diào)制方法加以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)圖1，可以寫(xiě)出時(shí)域表達(dá)式為:

S(t)=I(t)cos(2πfct)+Q(t)sin(2πfct)

(1)

式中:fc為載波頻率。調(diào)制信號(hào)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(hào)的都是在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)的，故在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)時(shí)要對(duì)上式進(jìn)行數(shù)字化:

S(n)=I(n)cos(2nπfc/fs)+Q(n)sin(2nπfc/fs)

(2)

式中:fs為采樣頻率。當(dāng)采樣頻率為載波角頻率的4倍時(shí)，式(2)中cos和sin項(xiàng)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(jiǎn)化[1]。

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(hào)，又可用來(lái)輸出FM和FSK調(diào)制信號(hào)。一種常用的實(shí)現(xiàn)NCO的方法是采用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算方法(CORDIC)算法[7]。CORDIC的基本思想是采用逐次逼近的算法實(shí)現(xiàn)三角函數(shù)的計(jì)算，其優(yōu)點(diǎn)是只進(jìn)行加減運(yùn)算和移位操作，結(jié)合并行處理和加流水線，可以實(shí)現(xiàn)每一個(gè)時(shí)鐘周期輸出一個(gè)經(jīng)過(guò)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(lái)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(gè)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(biāo)測(cè)試

安捷倫公司的矢量信號(hào)分析儀89641A可分析各種模擬和數(shù)字調(diào)制信號(hào)，作為接收機(jī)可顯示調(diào)制信號(hào)的各種信息(如時(shí)域波形、頻譜以及星座圖等)，作為測(cè)試儀表可定量分析被測(cè)信號(hào)的調(diào)制精度(如EVM、相位誤差和載波頻率誤差等)。采用89641A對(duì)本衛(wèi)星通信模擬源中頻輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，不同調(diào)制方式下的矢量幅度誤差(EVM)如表1所示?？梢钥闯觯鞣N調(diào)制方式下的EVM指標(biāo)均良好。目前該信號(hào)源已成功應(yīng)用到某衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，工作正常。

表1 各種調(diào)制方式下輸出信號(hào)的EVM

調(diào)試方式BPSKOQPSKQPSKMSKBFSKDSSSBPSK

EVM /%1.0~1.10.9~1.00.9~1.11.8~1.91.2~1.61.0~1.1

4 結(jié) 語(yǔ)

基于軟件無(wú)線電構(gòu)架的衛(wèi)星通信模擬源以軟件無(wú)線電基本理論為依據(jù)，以FPGA為基本實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，具有很強(qiáng)的適用性與兼容性，無(wú)需改動(dòng)硬件就可按用戶(hù)要求進(jìn)行軟件升級(jí)，可靠性高。它既可應(yīng)用于國(guó)防軍事上(如軍用衛(wèi)星通信和電子戰(zhàn)系統(tǒng))，又可應(yīng)用于和平時(shí)期國(guó)民生產(chǎn)的各個(gè)方面(如GSM，衛(wèi)星電視，3G通信等)，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和推廣價(jià)值，對(duì)雷達(dá)通信一體化技術(shù)、衛(wèi)星對(duì)抗技術(shù)都具有巨大的推動(dòng)和發(fā)展作用，有著良好的社會(huì)效益。

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