陸格格，郝廣凱，魏 祎，雷 鳴，汪思冒

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

0 引 言

數(shù)傳子系統(tǒng)作為航天器的重要組成部分，其主要功能是對(duì)航天器數(shù)據(jù)完成動(dòng)態(tài)調(diào)度、組幀、信道編碼、加擾、存儲(chǔ)、調(diào)制以及放大等處理后，由天線進(jìn)行輻射傳輸。數(shù)傳發(fā)射機(jī)作為數(shù)傳子系統(tǒng)的重要組成單機(jī)，其主要作用是完成從基帶產(chǎn)品傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)調(diào)制、接收、編碼等[1]。隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)傳發(fā)射機(jī)的傳輸需求越來(lái)越多樣，除了需要完成對(duì)地傳輸?shù)娜蝿?wù)，還需要完成星間通信傳輸及對(duì)中繼通信傳輸?shù)娜蝿?wù)，因此發(fā)射機(jī)的調(diào)制方式需要相應(yīng)的多樣化。目前，數(shù)傳發(fā)射機(jī)的一種傳統(tǒng)做法是采用模擬調(diào)制的星載編碼調(diào)制技術(shù)，該類設(shè)計(jì)方法只具備一種數(shù)據(jù)調(diào)制能力，不能適應(yīng)數(shù)傳發(fā)射機(jī)多調(diào)制的傳輸需求，因此本文提出了一種采用全數(shù)字調(diào)制的星載編碼調(diào)制系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)多樣化調(diào)制、多樣化編碼、多樣化數(shù)據(jù)速率的傳輸[2,3]。

1 數(shù)傳發(fā)射機(jī)技術(shù)介紹

在通信系統(tǒng)中，待傳輸?shù)男盘?hào)大多都具有較低的頻率成分，直接進(jìn)行傳輸容易產(chǎn)生信道的衰減和失真，因此需要將待傳輸?shù)男盘?hào)轉(zhuǎn)換成適合傳輸?shù)男问?，即調(diào)制。對(duì)于連續(xù)波，已調(diào)信號(hào)可表示為：

式中：ω為角頻率；θ（t）為相位；A(t)為振幅。控制任何一個(gè)參數(shù)都可以對(duì)待傳輸信號(hào)實(shí)現(xiàn)調(diào)制，使之成為攜帶信息的信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用。

1.1 模擬調(diào)制技術(shù)

模擬調(diào)制是指用模擬基帶信號(hào)（連續(xù)信號(hào)）對(duì)載波的某個(gè)參數(shù)（如角頻率、相位、幅度）進(jìn)行控制，使這個(gè)參數(shù)與基帶信號(hào)相對(duì)應(yīng)。根據(jù)控制參數(shù)的不同分為頻率調(diào)制（Frequency Modulation，F(xiàn)M）、相位調(diào)制（Phase Modulation，PM）以及幅度調(diào)制（Amplitude Modulation，AM），由于頻率調(diào)制、相位調(diào)制都是對(duì)相角進(jìn)行改變，因此統(tǒng)稱為角度調(diào)制。

采用模擬調(diào)制的數(shù)傳發(fā)射機(jī)典型框圖如圖1所示，主要包括電源變換器、晶振、倍頻器、編碼調(diào)制器等部分。晶振產(chǎn)生頻率的輸出信號(hào)經(jīng)65次倍頻器后進(jìn)入調(diào)制器與基帶信號(hào)進(jìn)行正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）調(diào)制，后經(jīng)過(guò)隔離器輸出。

圖1 模擬調(diào)制原理

1.2 數(shù)字調(diào)制技術(shù)及應(yīng)用

為了滿足日益復(fù)雜的信道需求，且降低現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）和數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，DSP）成本，調(diào)制技術(shù)數(shù)字化成為發(fā)展趨勢(shì)。相比于模擬調(diào)制，數(shù)字調(diào)制技術(shù)的抗干擾性能更優(yōu)越，信道損耗也更低。數(shù)字調(diào)制中的調(diào)制信號(hào)為符號(hào)或脈沖的時(shí)間序列，其中每個(gè)符號(hào)可以用nbit表示，且每個(gè)符號(hào)可以有m種有限狀態(tài)[4]。根據(jù)控制參數(shù)的不同主要分為頻移鍵控（Frequency Shift Keying，F(xiàn)SK）、幅移鍵控（(Amplitude Shift Keying，ASK）、相移鍵控（Phase Shift Keying，PSK）以及多進(jìn)制相移鍵控（Multibase Phase Shift Keying，MPSK）。

數(shù)字調(diào)制用于對(duì)I、Q兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字中頻調(diào)制，原理如圖2所示。擴(kuò)頻后的I路數(shù)據(jù)和Q路數(shù)據(jù)分別與載波相乘后合路，調(diào)制信號(hào)與衰減系數(shù)相乘可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（Digital to Analog converter，DAC)輸出信號(hào)幅度可調(diào)，實(shí)現(xiàn)基帶輸出功率控制。

圖2 數(shù)字調(diào)制原理

2 全數(shù)字調(diào)制的星載編碼調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)基本架構(gòu)

基于上面對(duì)模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制兩種調(diào)制方式的分析，本文設(shè)計(jì)了一種全數(shù)字調(diào)制的星載編碼調(diào)制系統(tǒng)，如圖3所示，本系統(tǒng)包括電源變換電路、中頻處理電路、高速DAC電路、接口電路、FPGA電路、配置電路等。

圖3 一種星載編碼調(diào)制系統(tǒng)架構(gòu)

電源變換電路的作用是將外部的輸入電源電壓轉(zhuǎn)換為配置電路、時(shí)鐘電路、接口電路以及FPGA電路。通過(guò)采用4片MPD23774HKSH/EM能夠?qū)⑤斎氲?5 V電源轉(zhuǎn)換成+3.3 V、+1.8 V、+1.2 V及+1.0 V中頻處理電路和高速DAC電路所要的工作電壓值。高速DAC電路的作用是根據(jù)時(shí)鐘電路的主時(shí)鐘產(chǎn)生中頻信號(hào)，然后將中頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后給中頻處理電路進(jìn)行處理。FPGA電路的作用是將外部輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字調(diào)制、編碼、加擾及變速濾波處理后傳輸給高速DAC電路。配置電路起輔助作用，主要是對(duì)FPGA電路進(jìn)行刷新、數(shù)據(jù)加載及控制操作，首先將存儲(chǔ)在FLASH芯片中的配置信息加載至K7系列電路，然后對(duì)K7系列電路的FPGA配置信息完成動(dòng)態(tài)刷新，同時(shí)模塊的遙測(cè)信息采集和遙控功能也同步完成，再通過(guò)串口電纜傳輸回FPGA電路。接口電路的作用是對(duì)外部前端單機(jī)發(fā)來(lái)的不同速率的并行或串行AOS數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，并轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)發(fā)給FPGA電路。中頻處理電路的作用比較簡(jiǎn)單，主要將DAC電路輸出的中頻信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理后傳輸給外部后端單機(jī)。

2.2 FPGA電路

FPGA電路如圖4所示，該電路的硬件組成是Xilink公司的XC7K410T410T-1FFG900I產(chǎn)品。編碼調(diào)制FPGA軟件主要由時(shí)鐘生成與監(jiān)控、幀頭判斷、數(shù)字調(diào)制、數(shù)據(jù)自發(fā)與接收、指令接收處理、多速率成型濾波、多模式信道編碼與映射以及數(shù)據(jù)輸出等多重功能組成。先判斷和檢索輸入數(shù)據(jù)幀頭的幀長(zhǎng)，檢索正確后再完成數(shù)據(jù)加擾、信道編碼、星座映射（形成I、Q兩路數(shù)據(jù)），最后進(jìn)行數(shù)字調(diào)制、多速率成型濾波后輸出到高速DAC電路。編碼調(diào)制FPGA硬件電路不僅可以接收來(lái)自接口電路的并行AOS數(shù)據(jù)而且可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，其中兩個(gè)接口電路數(shù)據(jù)源可實(shí)行選一接收，還可在指令控制下實(shí)現(xiàn)內(nèi)部數(shù)據(jù)源和外部數(shù)據(jù)源的切換，從而完成模塊自檢功能，而且可在指令控制下完成里德-索羅蒙（Reed Solomon，RS）、低密度校驗(yàn)（Low Density Parity Check，LDPC）、卷積等多種信道編碼功能以及正交相移鍵控（Quadrature phase shift keying，QPSK）、成形正交相移鍵控（Shaped Quadrature phase shift keying，SQPSK）、PCM-CDMA-QPSK等多種調(diào)制方式。編碼調(diào)制FPGA通過(guò)硬件和軟件的配合從而保證信道實(shí)現(xiàn)任意輸入數(shù)據(jù)速率但同一采樣數(shù)據(jù)速率輸出，為多編碼方式、多速率傳輸提供保障[5]。

圖4 FPGA電路

2.3 高速DAC電路

高速DAC電路如圖5所示，主要由BALUN組件和高速DAC芯片兩部分組成。高速DAC芯片選用的是E2V公司的企業(yè)V級(jí)芯片，具體規(guī)格是EV10DS130AMGS9NB1，BALUN選用的是Marki公司的產(chǎn)品，具體規(guī)格是BAL-0003SMG。高速DAC芯片電路先接收FPGA電路的高速差分?jǐn)?shù)據(jù)，然后通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換為差分模擬信號(hào)，接著通過(guò)BALUN組件轉(zhuǎn)換成2.25 GHz的中頻模擬信號(hào)，最后通過(guò)8分頻接收工作時(shí)鐘并輸出至FPGA電路實(shí)現(xiàn)。通過(guò)接收配置電路輸出的幅度控制電平，從而控制輸出的中頻模擬信號(hào)功率的值。BALUN組件的作用是將高速DAC電路輸入的工作時(shí)鐘轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，即DAC芯片的工作時(shí)鐘。

圖5 高速DAC電路

3 全數(shù)字調(diào)制的星載編碼調(diào)制系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)2.1節(jié)圖3所示原理框圖完成發(fā)射機(jī)單機(jī)電路設(shè)計(jì)，該發(fā)射機(jī)功能包括對(duì)地傳輸、星間通信傳輸及對(duì)中繼通信傳輸?shù)娜蝿?wù)，由于通信任務(wù)占用頻段不同，編碼調(diào)制FPGA會(huì)根據(jù)通信傳輸需求適應(yīng)性更改成相應(yīng)的調(diào)制方式。通過(guò)信號(hào)源生成單載波輸入單機(jī)，采用704接收機(jī)設(shè)備進(jìn)行接收，滿足用戶多種通信模式需求，驗(yàn)證本文星載編碼調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的全數(shù)字調(diào)制星載編碼調(diào)制系統(tǒng)已成功應(yīng)用在某衛(wèi)星中，實(shí)現(xiàn)了多種編碼方式、多種調(diào)制方式以及多種數(shù)據(jù)傳輸速率等，且性能良好，具有較高的擴(kuò)展性和可靠性，對(duì)于宇航工程的發(fā)展具有重要意義。