段小龍 許光飛 解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，江蘇南京 210007

衛(wèi)星手持站的實現(xiàn)方案研究

段小龍 許光飛 解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，江蘇南京 210007

分析了衛(wèi)星手持站的實現(xiàn)原理及設(shè)計難點，提出了手持站的軟硬件實現(xiàn)方案，給出了手持站硬件實現(xiàn)的主要芯片選型以及軟件實現(xiàn)的具體體系結(jié)構(gòu)，為衛(wèi)星手持站的設(shè)計實現(xiàn)提供了有效的參考。

衛(wèi)星手持站；軟硬件；實現(xiàn)方案

引言

隨著數(shù)字化戰(zhàn)場技術(shù)的發(fā)展和信息化戰(zhàn)爭理論的不斷深入研究，衛(wèi)星手持式終端作為數(shù)字化戰(zhàn)場數(shù)字通信系統(tǒng)的重要組成部分，其重要性得到了國內(nèi)外的一致認同。外國、外軍尤其是一些軍事強國非常重視對手持式終端的研究，已進行了大量的研究和開發(fā)，并且得到了很好的應(yīng)用和發(fā)展。

由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)受地面環(huán)境影響小，對通信距離不敏感，對大范圍快速移動通信的支持能力強，覆蓋范圍廣，所以在現(xiàn)代戰(zhàn)爭環(huán)境衛(wèi)星通信的重要性日益突出。如美軍近年的幾次局部戰(zhàn)爭的通信暢通無一不依賴于其龐大的衛(wèi)星群的保障能力。我國手持衛(wèi)星站的發(fā)展還相對比較落后，因此研究衛(wèi)星手持站的具體實現(xiàn)方案具有重要的意義。有平臺上調(diào)整或增加功能往往需要對整個接收機做很大的改動甚至重新設(shè)計，因此擴展、升級顯得極不靈活。軟件無線電概念的一經(jīng)提出，就引起了全世界無線通信領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，并成為未來無線通信技術(shù)的發(fā)展方向。其中心思想是：軟件無線電作為一個系統(tǒng)，是將寬帶A/D變換盡可能地靠近射頻天線，即盡可能早地將接收到的模擬信號數(shù)字化，并在體系結(jié)構(gòu)上構(gòu)造一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，最大限度地將各種功能用軟件來完成，以實現(xiàn)具有高度靈活性、開放性的新一代無線通信系統(tǒng)。通過運行不同的算法，軟件無線電可以實時地配置信號波形，使其能夠靈活實現(xiàn)各種工作頻段、調(diào)制解調(diào)方式、信道編譯碼方式、話音和數(shù)據(jù)處理、加密模式、通信協(xié)議等無線電通信功能。

理想的軟件無線電是直接對整個感興趣的信號進行寬帶數(shù)字化，但在目前硬件技術(shù)條件下，軟件無線電接收機主要是基于中頻帶通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)的接收機，即在采樣前將射頻信號通過一級或幾級變頻，將其變?yōu)闃藴实闹蓄l信號，以適應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換的需要，然后進行中頻數(shù)字化和相應(yīng)的后端數(shù)字處理。

對手持衛(wèi)星地球站的設(shè)計，為了使硬件平臺具有更強的通用性，便于軟件的靈活升級、擴展，基帶信號處理單元直接對與射頻接口的收、發(fā)中頻信號進行數(shù)字化處理，通過軟、硬件編程實現(xiàn)終端的各種功能。其硬件體系結(jié)構(gòu)圖2所示，基帶單元的主要芯片選型如表1所示。

1.衛(wèi)星手持站的實現(xiàn)原理及設(shè)計難點

衛(wèi)星手持站主要由天線單元，射頻單元，基帶處理單元以及電源組成。其模塊構(gòu)成框圖如圖1所示。

天線單元通過饋線與射頻單元相連，發(fā)射信號時將射頻單元輸出的射頻信號以電磁波形式輻射出去；接收信號時，將相應(yīng)的電磁波信號轉(zhuǎn)化為電信號，送至射頻單元。

射頻單元主要實現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)化以及對信號功率和頻率的轉(zhuǎn)變和調(diào)整。在發(fā)送狀態(tài)時，射頻單元從基帶接收低中頻信號，經(jīng)過變頻、放大等處理后向天線單元發(fā)送較大功率的射頻信號；在接收狀態(tài)時，射頻單元從天線單元接收小功率的射頻信號，經(jīng)過放大、變頻處理，輸出低中頻信號到基帶處理單元；同時，射頻單元還接收控制中心的信道控制指令、網(wǎng)絡(luò)控制指令以及接收和發(fā)送的轉(zhuǎn)換控制指令等，并和基帶信號處理單元進行一些參數(shù)和狀態(tài)的交互。

基帶信號處理單元主要實現(xiàn)信號處理和系統(tǒng)控制的功能，其主要由信號處理芯片和CPU芯片組成，加上DAC，ADC完成數(shù)字信號和模擬信號的轉(zhuǎn)換，顯示和鍵盤完成信息、控制指令以及終端工作狀態(tài)的輸入輸出，語音接口完成語音信號的輸入輸出，保密模塊完成信息加密解密，以及其他的輔助擴展接口實現(xiàn)擴展功能。CPU負責整個手持終端的運行、控制和管理，信號處理芯片實現(xiàn)信息比特流與中頻信號之間的相互轉(zhuǎn)化。基帶信號處理單元是整個手持終端的核心，直接決定了整個系統(tǒng)的性能，是設(shè)計的重點難點。

電源負責整個系統(tǒng)的供電。

手持衛(wèi)星地球站的設(shè)計重點及難點包括：

天線單元設(shè)計方案。手持衛(wèi)星地球站天線工作頻率范圍很大，在每一頻段天線都需要滿足寬波束、較高增益等指標，同時作為手持終端，天線尺寸受限；

射頻通道的一體化。射頻單元中，信號頻率多并且高，模擬成分多，必須保證頻率之間不產(chǎn)生互調(diào)和其他干擾，并要求通道具有高的靈敏度、較強的選擇性和很大的動態(tài)范圍；

硬件平臺和軟件體系結(jié)構(gòu)。手持衛(wèi)星地球站可通過不同的信號樣式工作，硬件平臺和信號處理方案必須兼顧各種工作模式，軟件結(jié)構(gòu)應(yīng)適合軟、硬件及功能的擴展和更新，系統(tǒng)應(yīng)具有良好的靈活性和開放性；

小型化及低功耗設(shè)計。作為手持設(shè)備，必須考慮整個終端的體積大小和功耗，這就對手持衛(wèi)星地球站的方案設(shè)計提出了更高的要求。

圖1 手持衛(wèi)星地球站功能模塊構(gòu)成框圖

圖2 手持衛(wèi)星地球站基帶處理單元的硬件體系結(jié)構(gòu)圖

2.衛(wèi)星手持站的硬件方案設(shè)計

2.1 基帶單元的一體化硬件平臺設(shè)計方案及主要芯片選型

傳統(tǒng)的通信終端，都是根據(jù)特定業(yè)務(wù)模式開發(fā)的，大部分設(shè)備都是非模塊設(shè)計，沒有采用開放式的體系結(jié)構(gòu)，因此在現(xiàn)

表1 基帶單元的主要芯片選型

2.2射頻單元的實現(xiàn)方案及主要芯片選型

2.2.1 射頻單元上行通道的實現(xiàn)方案

如圖3所示，上行通道設(shè)計將來自基帶的D/A信號，經(jīng)過一次混頻變頻，通過聲表帶通濾波器取出392.5±2.5M H z的射頻信號，經(jīng)前級放大后，再加一級聲表濾波器以進一步降低發(fā)射通道對接收通道的噪聲影響，然后送往功放輸出，經(jīng)雙工器和天線發(fā)射。

上行通道大約需要50d B的固定增益，發(fā)射通道的功率調(diào)整由數(shù)字處理板負責調(diào)整。

圖3 手持站射頻單元信道設(shè)計方案（發(fā)射通道）

2.2.2 射頻單元下行通道的實現(xiàn)方案

在系統(tǒng)設(shè)計中，用戶段前向鏈路是TDM/DS體制，下行通道相當于是7M H z帶寬噪聲電平放大器。鏈路計算可知，衛(wèi)星到達LNA入口處的7MH z帶寬的噪聲電平為-105d Bm左右，至中頻口電平約為-15d Bm，整個通道放大增益約為90dB，信道動態(tài)調(diào)整由基帶板處理。

圖4 手持站射頻單元信道設(shè)計方案（接收通道）

2.2.3 射頻單元主要芯片選型

（1）混頻器選用M in icircu its公司的ADE-1L，其工作頻率為2～500MH z，包含了手持衛(wèi)星地球站的所有工作頻率，其實現(xiàn)差損、頻率隔離度、線性度均較好，體積小，能夠滿足終端射頻單元設(shè)計要求，

（2）低噪聲放大器選用H E 3 9 3 A。HE393A是一種寬帶低壓放大器，工作頻率為10～500MHz，采用有源偏置設(shè)計提供溫度補償，具有良好的50歐阻抗匹配，易于級聯(lián)使用。其采用標準全密封管殼封裝，微波薄膜電路結(jié)構(gòu)，電性能穩(wěn)定可靠。

（3）頻率合成器部分主要由鎖相環(huán)電路、環(huán)路濾波器、分頻器和壓控振蕩器組成。鎖相環(huán)電路選用A D公司的集成鎖相環(huán)芯片ADF4252，分頻器選用Motorola公司的m c12093D。集成電路ADF4252是一個具有小數(shù)分頻功能的雙環(huán)頻率合成器芯片。其小數(shù)分頻部分采用三級Σ-Δ調(diào)制器實現(xiàn)，性能穩(wěn)定可靠。主要由低噪聲鑒相器、輸出電流可設(shè)置的精確電荷泵、可控的參考信號倍頻器、可編程的R分頻器、可編程的分數(shù)N分頻器等部件組成，對芯片內(nèi)部的所有控制及編程均通過三線串口給相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器置數(shù)來實現(xiàn)。

（4）小型化雙工器采用4階腔體濾波器，插損、帶外抑制等指標都非常理想。經(jīng)驗估計，考慮到生產(chǎn)、制作過程中切割精度、電路設(shè)計帶來的影響，雙工器的插損將惡化1～2d B，兩個腔體合并后帶外抑制將比仿真結(jié)果惡化約10dB。

（5）功放ASIC的設(shè)計采用兩級級聯(lián)的功率放大方案，由于二極管在電路中等效為電阻與電容的并聯(lián)，使電路中產(chǎn)生相位預(yù)失真的效應(yīng)，當輸入信號增強時，由于等效電阻和等效電容的非線性作用，使信號隨著增益變大而呈現(xiàn)相位滯后的效應(yīng)，從而對放大器的AM/AM和AM/PM效應(yīng)進行預(yù)補償，達到級間匹配和放大器線性放大的目的。另外還可以采用二極管并聯(lián)或偏壓式線性補償方案達到級間匹配的目的。該器件具有：高線性，高效率，低泄漏電流的特點，采用7腳LGA封裝。

3.衛(wèi)星手持站的軟件方案設(shè)計

圖5 手持衛(wèi)星地球站基帶處理單元的硬件體系結(jié)構(gòu)圖

軟件體系結(jié)構(gòu)以硬件平臺為底層支持，以操作系統(tǒng)和驅(qū)動程序為基礎(chǔ)，結(jié)合各種圖形庫以及中間件，并最終形成為用戶提供各種業(yè)務(wù)服務(wù)的應(yīng)用層程序。

3.1 用戶接口部分的操作系統(tǒng)選擇

幾種操作系統(tǒng)相關(guān)的特性對比如表2。

開放源碼的操作系統(tǒng)，由于能夠完全的對系統(tǒng)的各個方面進行控制和調(diào)整，對于開發(fā)產(chǎn)業(yè)來說，這點尤為重要，以此為基礎(chǔ)，再結(jié)合以上對多種操作系統(tǒng)進行比較，衛(wèi)星手持終端采用Linux操作系統(tǒng)。

3.2 基于Linux的圖形用戶界面選擇

在確定操作系統(tǒng)之后，就需要進行圖形庫的選擇，常見的面向嵌入式L inu x系統(tǒng)的圖形庫主要包括以下幾個：

（1）Q t/Em bedded

Q t/Em bed ded是著名的Q t庫開發(fā)商T ro llTech發(fā)布的面向嵌入式系統(tǒng)的Q t版本。因為Q t是KDE等項目使用的GU I支持庫，所以有許多基于Qt的XW indow程序可以非常方便地移植到Qt/Embedded版本上。因此，自從Qt/Em bedded以GPL條款形勢發(fā)布以來，就有大量的嵌入式Linux開發(fā)商轉(zhuǎn)到了Qt/Embedded系統(tǒng)上。

（2）M iniGU I

M in iGU I是國內(nèi)為數(shù)不多的自由軟件項目之一，其目標是為基于L inu x的實時嵌入式系統(tǒng)提供一個輕量級的圖形用戶界面支持系統(tǒng)。該項目自1998年底開始到現(xiàn)在，已歷經(jīng)12年的開發(fā)過程。到目前為止，已經(jīng)非常成熟和穩(wěn)定。和其他針對嵌入式產(chǎn)品的圖形系統(tǒng)相比，M in iGU I具有如下幾大技術(shù)優(yōu)勢：

輕型、占用資源少 M iniGU I本身的占用空間非常小。最新的研發(fā)成果表明，M iniGU I能夠在CPU主頻為30MH z，僅有4MRAM的系統(tǒng)上正常運行，這是其它針對嵌入式產(chǎn)品的圖形系統(tǒng)，比如M icroW indow s或者Qt/Em bedded所無法達到的。

高性能、高可靠性 M iniGU I 良好的體系結(jié)構(gòu)及優(yōu)化的圖形接口，可確保最快的圖形繪制速度。在設(shè)計之初，充分考慮到了實時嵌入式系統(tǒng)的特點，針對多窗口環(huán)境下的圖形繪制開展了大量的研究及開發(fā)，優(yōu)化了M in iGU I的圖形繪制性能及資源占有。M iniGU I在大量實際系統(tǒng)中的應(yīng)用，尤其在工業(yè)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，證明M iniGU I具有非常好的性能。

可配置 為滿足嵌入式系統(tǒng)千變?nèi)f化的需求，必須要求GU I系統(tǒng)是可配置的。和Linux內(nèi)核類似，M iniGU I也實現(xiàn)了大量的編譯配置選項，通過這些選項可指定M iniGU I庫中包括哪些功能而同時不包括哪些功能。

可伸縮性強 M iniGU I豐富的功能和可配置特性，使得它既可運行于基于龍珠的低端產(chǎn)品中，亦可運行于基于ARM 9的高端產(chǎn)品中，并使用M iniGU I的高級控件風格及皮膚界面等技術(shù)，創(chuàng)建華麗的用戶界面。

跨操作系統(tǒng)支持 理論上，M iniGU I 可支持任意一個多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)；實際已支持 Linux/uC linux、eCos、uC/OS-II、VxW orks等嵌入式操作系統(tǒng)。同時，在不同操作系統(tǒng)上的 M in iGU I，提供完全兼容的API接口。

基于上述對比，擬采用國產(chǎn)的M iniGU I來完成手持終端圖形用戶界面的支持。

因此，終端采用的軟件體系結(jié)構(gòu)如圖6所示。增加硬件功能模塊或擴展接口時，通過編寫相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)連接和交互；軟件功能擴展時，通過增加相應(yīng)的用戶接口應(yīng)用層軟件實現(xiàn)。

表2 嵌入式操作系統(tǒng)比較

圖6 終端軟件體系結(jié)構(gòu)

4.總結(jié)

本文在介紹手持站實現(xiàn)原理的基礎(chǔ)上，提出了具體的軟硬件實現(xiàn)方案并給出具體的芯片選型，具有很好的參考價值。

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