王蘇君,平一帆,文 偉,楊 麗,馬定坤,楊偉超

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

隨著信號處理、衛(wèi)星通信等技術(shù)的迅猛發(fā)展，對硬件平臺的輕量化、通用化要求顯著增加[1-4]。傳統(tǒng)衛(wèi)星通信中，往往預(yù)先設(shè)定好系統(tǒng)工作的頻帶、信道數(shù)量、信息傳輸速率以及信號調(diào)制方式和信號波形，然后以此為指標(biāo)，設(shè)計(jì)、研制衛(wèi)星通信系統(tǒng)。因此傳統(tǒng)的硬件處理平臺一般功能固化,不能滿足功能多、快速響應(yīng)的需求，嚴(yán)重地限制了產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用。

為了解決傳統(tǒng)通訊衛(wèi)星面臨的問題，本文針對微納衛(wèi)星發(fā)展趨勢和方向，將具備核心功能的載荷微小型化，使設(shè)備重量和功耗都控制在合理范圍內(nèi)，提高載荷的集成度和功能密度，通過一體化設(shè)計(jì)有效實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星高功能密度，大幅度地降低成本，縮短研制周期。

基于以上目標(biāo)，本文提出了一種寬頻段一體化平臺設(shè)計(jì)方案。通過部組件產(chǎn)品模塊化、接口標(biāo)準(zhǔn)化，制定即插即用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，搭建的平臺具有功耗低、集成度高、可重構(gòu)等特性。

1 平臺方案設(shè)計(jì)

整個(gè)平臺具備高功能密度、輕小型化的特點(diǎn)，因此其設(shè)計(jì)思想不能停留在傳統(tǒng)的衛(wèi)星設(shè)計(jì)模式：多個(gè)單機(jī)組成分系統(tǒng)、再由分系統(tǒng)組成一個(gè)完整衛(wèi)星系統(tǒng)，而是截然不同的一體化設(shè)計(jì)思想。打破傳統(tǒng)分系統(tǒng)的功能界限，通過一體化設(shè)計(jì)可以有效實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星高功能密度，大幅度地降低成本，縮短研制周期。

系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)主要包括射頻一體化天線、數(shù)字信號處理平臺、控制配電3部分[5-9]。天線射頻通道一體化，即收發(fā)天線和收發(fā)射頻通道集成；基于軟件無線電的數(shù)字處理平臺小型化，即通過模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)微小型化。并將它們進(jìn)行有機(jī)、有效地結(jié)合，形成一個(gè)緊湊的整體，與具備相同功能的傳統(tǒng)設(shè)備相比，其體積、重量、功耗都會大幅度地下降，實(shí)現(xiàn)高功能密度，輕小型化，圖1為傳統(tǒng)系統(tǒng)組成圖，圖2為本文系統(tǒng)組成圖。

圖1 傳統(tǒng)系統(tǒng)組成圖Fig.1 Traditional system composition diagram

圖2 本文系統(tǒng)組成圖Fig.2 System composition diagram of this paper

1.1 射頻一體化天線單元

射頻一體化天線單元考慮到微納衛(wèi)星電子對天線的要求是具有輕質(zhì)、寬角、寬帶、高增益等特性，因此輕質(zhì)的可重構(gòu)高增益天線是最好的選擇[10]?？芍貥?gòu)天線能夠根據(jù)應(yīng)用需求實(shí)時(shí)地重構(gòu)天線的頻率、增益、波束、掃描范圍等特性，使天線適應(yīng)不同的功能需求。對于接收通道采用基于軟件無線電的處理平臺時(shí)，不能對天線接收的信號進(jìn)行直接采樣，須通過可重構(gòu)的射頻通道將模擬信號先從射頻搬移到固定的中頻頻率，對中頻信號進(jìn)行帶通采樣后，在高性能的硬件平臺上實(shí)現(xiàn)后續(xù)的數(shù)字處理；對于發(fā)射通道，采用全數(shù)字化的信號合成與成形方法，通過軟件實(shí)現(xiàn)將形成的數(shù)字信號通過高速ADRV9009器件變換到相應(yīng)的工作頻段發(fā)射?？紤]到收發(fā)不同時(shí)，通過射頻通道重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)收發(fā)通道時(shí)分復(fù)用。

如圖3所示，開關(guān)1為雙刀雙擲開關(guān)，開關(guān)2為單刀雙擲開關(guān)，連通特性如下：

發(fā)送時(shí)：開關(guān)1：AC連通，BD連通；開關(guān)2：AC連通；

接收時(shí)：開關(guān)1：AB連通，CD連通；開關(guān)2：AB連通；

收發(fā)通道主要任務(wù)包括接收信號和發(fā)送信號，接收時(shí)：對信號進(jìn)行低噪聲放大、濾波混頻后，直通輸出至寬帶接收處理器中，主要由限幅器、低噪放、可變本振、混頻器、濾波器等組成。

發(fā)送時(shí)：將中頻信號放大，濾波、混頻等處理變成射頻信號發(fā)送，主要由濾波器、混頻、本振電路、功放等組件組成。

微型射頻一體化通道，利用多層電路集合多芯片微組裝技術(shù)，合理配置各單元電平，盡量減少冗余設(shè)計(jì)，以有效降低整機(jī)的體積和功耗，實(shí)現(xiàn)整機(jī)寬帶、小型化設(shè)計(jì)。

圖3 射頻一體化框圖Fig.3 Radio frequency integration block diagram

1.2 數(shù)字信號采集處理單元

數(shù)字信號采集處理平臺主要完成對目標(biāo)輻射信號進(jìn)行接收，根據(jù)任務(wù)配備通信/雷達(dá)信號檢測、參數(shù)估計(jì)、原始信號采樣、雷達(dá)信號的PDW獲取，通信信號的檢測與處理，處理后信息格式打包、調(diào)制及發(fā)送等功能[11]，需要包括模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC模塊、時(shí)鐘管理模塊、主處理模塊等組成。

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊及數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊由收發(fā)一體的ADRV9009 芯片及其前端電路構(gòu)成，主要完成信號的采集及發(fā)送功能；時(shí)鐘管理模塊主要為多片ADRV9009及FPGA提供工作時(shí)鐘，保證時(shí)鐘具有良好的一致性及抖動指標(biāo)；信號主處理模塊由Zynq系列的FPGA構(gòu)成，可完成參數(shù)估計(jì)、原始信號采樣、雷達(dá)信號的PDW獲取，通信信號的檢測與處理等相關(guān)功能。

數(shù)字處理平臺主要由Zynq系列的FPGA芯片、ADRV9009、存儲芯片DDR3、Norflash、外圍LVDS、接口芯片、供電芯片等器件組成。其硬件處理平臺實(shí)現(xiàn)方案如圖4所示。

圖4 數(shù)字信號處理平臺方案Fig.4 Digital signal processing platform scheme

下面本文對選用的芯片進(jìn)行詳細(xì)介紹：

1)Zynq系列FPGA芯片

數(shù)字信號處理平臺選用的Zynq系列FPGA芯片Zynq-7000是全可編程片上系統(tǒng)，具有處理器和FPGA雙重特性，特別適用于軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)[11]?？删幊踢壿嬁捎捎脩襞渲?，并通過“互連”模塊連接在一起，擴(kuò)展處理系統(tǒng)的性能及功能?？蓴U(kuò)展處理平臺芯片硬件的核心本質(zhì)就是將通用基礎(chǔ)雙ARMCortex-A9MPCore處理器系統(tǒng)作為“主系統(tǒng)”，結(jié)合低功耗28 nm工藝技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)高度的靈活性、強(qiáng)大的配置功能和高性能。

2)ADRV9009芯片

選用的ADRV9009芯片是一款高集成度射頻、捷變收發(fā)器，最大接收帶寬200 MHz，最大可調(diào)諧發(fā)射器合成帶寬450 MHz，調(diào)諧范圍75～6 000 MHz。完整的接收子系統(tǒng)擁有自動和手動衰減控制、直流失調(diào)校正、正交誤差校正和數(shù)字濾波功能，從而消除了在數(shù)字基帶中提供這些功能的必要性。相比較傳統(tǒng)的中頻接收器，直接變頻構(gòu)架組合不會出現(xiàn)帶外鏡像混頻或缺少混疊，可降低對RF濾波器的要求。發(fā)射器采用創(chuàng)新的直接變頻調(diào)制器，可實(shí)現(xiàn)高調(diào)制精度和極低的噪聲。隨著ADC/DAC采樣速率的不斷提高，數(shù)據(jù)的吞吐量越來越大，對于500 MSPS以上的ADC/DAC，動輒就是幾十個(gè)G的數(shù)據(jù)吞吐率，而采用傳統(tǒng)的CMOS和LVDS已經(jīng)很難滿足設(shè)計(jì)要求，而ADRV9009具有高速的JESD204B接口，且接口速率支持高達(dá)12.288 Gbps的通道速率。JESD204B接口好處在于：a)不再使用數(shù)據(jù)接口，時(shí)序控制簡單；b)不用擔(dān)心信道偏移；c)不再使用大量IO口，布線簡單；d)多片IC同步方便；e)減少了PCB布板空間；f)減小了器件的引腳和封裝大小。

3)時(shí)鐘管理芯片

選用的時(shí)鐘管理芯片是ADI公司的AD9528芯片，AD9528是一款雙級PLL，集成JESD204B SYSREF發(fā)生器，可用于多片器件同步。是一款低抖動、低相位噪聲時(shí)鐘分配器，14路輸出，可配置為HSTL或LVDS。

另外平臺上還集成了2個(gè)DDR4芯片和若干接口芯片，為單板提供存儲和對外交互功能。

數(shù)字信號處理單元大規(guī)模使用商用貨架產(chǎn)品，采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、小型化的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行全局考慮與優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低數(shù)字信號處理單元的功耗與重量。

2 處理平臺性能分析

2.1 平臺輕小型化分析

整個(gè)平臺具備高功能密度、輕小型化的特點(diǎn)，打破傳統(tǒng)衛(wèi)星設(shè)計(jì)模式：多個(gè)單機(jī)組成分系統(tǒng)、再由分系統(tǒng)組成一個(gè)完整衛(wèi)星系統(tǒng)，而是截然不同的一體化設(shè)計(jì)思想。打破傳統(tǒng)分系統(tǒng)的功能界限天線射頻通道一體化，即收發(fā)天線和收發(fā)射頻通道集成；基于軟件無線電的數(shù)字處理平臺小型化，即通過模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)微小型化；并將它們進(jìn)行有機(jī)有效地結(jié)合，形成一個(gè)緊湊的整體，與具備相同功能的傳統(tǒng)設(shè)備相比，其體積、重量、功耗都會大幅度地下降，實(shí)現(xiàn)高功能密度，輕小型化。

為了使處理平臺具有通用性，選用Zynq系列FPGA芯片作為主處理芯片。選用ADRV9009作為模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，且輸入頻率支持高達(dá)6 GHz。

2.2 平臺可重構(gòu)性分析

1)可重構(gòu)天線設(shè)計(jì)

微納衛(wèi)星要求天線具有輕質(zhì)、寬角、寬帶、高增益等特性，因此輕質(zhì)的可重構(gòu)高增益天線是較好的選擇?？芍貥?gòu)天線是用同一個(gè)天線口徑通過實(shí)時(shí)改變天線的電參數(shù)，使天線具有多種功能?？芍貥?gòu)天線能夠根據(jù)應(yīng)用需求實(shí)時(shí)地重構(gòu)天線的頻率、增益、波束、掃描范圍等特性，使天線適應(yīng)不同的功能需求。

2)處理平臺軟件可重構(gòu)設(shè)計(jì)

載荷的信號處理也要做到可重構(gòu)，包括處理對象(雷達(dá)信號、通信信號)，處理算法(參數(shù)測量、定位)等，通過加載存儲芯片中不同程序?qū)崿F(xiàn)不同的算法功能。通過外部指令或者內(nèi)部自動檢測，完成特定程序的載入，以實(shí)現(xiàn)不同功能[12-14]。

2.3 基于平臺的軟件實(shí)現(xiàn)

在基于Zynq+ADRV9009的硬件平臺上實(shí)現(xiàn)自適數(shù)字信道化，通過動態(tài)信道化接收設(shè)計(jì)、無盲區(qū)接收、參數(shù)估計(jì)以及偏差校正自適應(yīng)接收，在缺少信號先驗(yàn)信息的情況下，可以對通信及雷達(dá)的多路信號進(jìn)行自適應(yīng)信道化接收，有較強(qiáng)的靈活性，復(fù)雜度較低，其原理框圖如圖5所示。

圖5 處理平臺實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)數(shù)字信道化Fig.5 Adaptive digital channelization of the processing platform

在基于Zynq+ADRV9009的硬件平臺上實(shí)現(xiàn)頻譜感知的偵聽和對抗技術(shù)，獲取當(dāng)前頻段內(nèi)的頻譜信息，并對感興趣的重點(diǎn)頻段內(nèi)的信號進(jìn)行偵聽。獲取目標(biāo)信號后，根據(jù)對抗需求，選擇對抗干擾方式。更加靈活和智能地完成目標(biāo)信號的偵聽和對抗。其整體設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示，首先接收信號，對接收到的信號進(jìn)行參數(shù)分析實(shí)現(xiàn)信號偵聽；其次提取不同的信號特征，選擇或設(shè)計(jì)干擾樣式，生成干擾信號；最后從時(shí)間域、空間域、頻率域、樣式域、過程域等引導(dǎo)干擾信號發(fā)射。

圖6 處理平臺實(shí)現(xiàn)偵聽對抗Fig.6 The processing platform implements the listening confrontation

通過采用Zynq+ADRV9009軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，可將信號參數(shù)估計(jì)、信號采樣、信號檢測等流程控制部分放到硬件平臺的處理單元部分實(shí)現(xiàn)，而包含大量乘法操作和并行計(jì)算的干擾引導(dǎo)技術(shù)、數(shù)字干擾合成等技術(shù)放在計(jì)算能力強(qiáng)大的可編程邏輯部分進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。充分挖掘平臺潛能、縮小體積、降低成本、提高整體效能。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)的寬頻段一體化硬件處理平臺，具有功耗低、重量輕、體積小、硬件可重構(gòu)等特點(diǎn)，系統(tǒng)突破輕量化天線射頻一體化設(shè)計(jì)，且可動態(tài)感知空間頻譜，多信號體制信號識別與接收能力，智能靈活實(shí)現(xiàn)信號偵聽和對抗，能較好地滿足小型化衛(wèi)星需求，在新一代微小型衛(wèi)星任務(wù)中具有良好的應(yīng)用前景。