《電子技術應用》
您所在的位置:首頁 > 模擬設計 > 業(yè)界動態(tài) > 軟件無線電在創(chuàng)新一號小衛(wèi)星多功能地面站中的應用

軟件無線電在創(chuàng)新一號小衛(wèi)星多功能地面站中的應用

2008-08-27
作者:漆莊平 李國通 楊根慶

  摘? 要: 介紹一個SDR(Software Defined Radio)多功能地面站發(fā)射系統(tǒng)" title="發(fā)射系統(tǒng)">發(fā)射系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。

  關鍵詞: SDR? 地面站? 數(shù)字上變頻器? Inverse-SINC預補償濾波

?

  隨著A/D/A器件與DSP處理器的迅速發(fā)展,使得軟件無線電" title="軟件無線電">軟件無線電技術廣泛地應用于陸上移動通信、衛(wèi)星移動通信與全球定位系統(tǒng)等。本文利用軟件無線電的思路,針對中科院創(chuàng)新一號低軌移動小衛(wèi)星多功能地面站設計的具體要求,研制了一套基于軟件無線電技術的多信道發(fā)射機設備。該地面站發(fā)射系統(tǒng)數(shù)字基帶部分采用全軟件化設計,核心部件是可編程的DSP及FPGA,可同時處理三路" title="三路">三路信號。該設備具有以下三個優(yōu)點:多模工作;無線通信系統(tǒng)可升級;發(fā)射配置動態(tài)更改。該設備可根據實際需要靈活配置系統(tǒng),適用范圍大大擴展。

1 系統(tǒng)構成

  SDR地面站發(fā)射系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)的發(fā)射速率為2.4kbps窄帶、2.4kbps擴頻" title="擴頻">擴頻、19.2kbps窄帶或它們混合的速率。中頻分別為18.45MHz、20MHz、21.85MHz。DAC的采樣頻率為78.336MHz。發(fā)射系統(tǒng)中FPGA實現(xiàn)FIFO、信道編碼、擴頻、內插" title="內插">內插濾波、數(shù)字上變頻、信道合成、DAC預補償濾波器等功能。這些功能都集成在一片Xilinx VirtexII芯片中。

?

?

2 FPGA部分功能模塊

2.1 FIFO模塊

  FIFO完成數(shù)據緩存功能。為了節(jié)省不必要的資源,設計了一個長度為32、深度為2的FIFO。即當一個寄存器32位取完時發(fā)出中斷給DSP,同時讀、寫寄存器指針變換,DSP響應中斷向FIFO寫數(shù),此時數(shù)據還在不斷地讀出。這樣就實現(xiàn)了用最少的資源實現(xiàn)數(shù)據緩存。

2.2 信道編碼

  在實際信道上傳輸數(shù)字信號時,由于信道傳輸特性不理想及加性噪聲的影響,所收到的數(shù)字信號不可避免地會發(fā)生錯誤。采用信道編碼可以將誤碼率降低。本系統(tǒng)主要采用性能較優(yōu)的卷積編碼和差分編碼等。

  對于窄帶信號還有擾碼(CCITT V.35)。擾碼能改善位定時恢復的質量,還能使信號頻譜彌散而保持穩(wěn)恒,能改善幀同步和自適應時域均衡等子系統(tǒng)的性能。

  對于擴頻信號還有擴頻編碼。在直擴系統(tǒng)中,用偽隨機序列將傳輸信息擴展,在接收時又用它將信號壓縮,并使干擾信號功率擴散,提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

  編碼過程在DSP的控制下進行,數(shù)據從DSP送出,并標識信道特征,FPGA識別后進入相應的編碼通道,這樣三路信道可以分時進行編碼處理。由于硬件速度快的特點,可視為同時處理。

2.3 信道合成

  信道合成模塊由內插濾波器、數(shù)字上變頻、信道復接三部分組成。

2.3.1 內插濾波器

  各信道濾波器性能指標如表1所示。

?

  為了以最少的濾波器階數(shù)得到較低的符號間干擾和高阻帶衰減,成形濾波器采用一個根升余弦濾波器,滾降系數(shù)0.4。其頻域表達式為:

  

  式中α為滾降因子,取0.4。

  成形濾波器設計采用頻率采樣技術,這樣可以得到階數(shù)較低、性能較好的濾波器。成形濾波器一般采用4倍或8倍的內插系數(shù)。先用MATLAB把濾波器階數(shù)和系數(shù)確定下來,這樣可以用移位加運算代替乘法以節(jié)省大量硬件資源。在FPGA實現(xiàn)時,采用DA(Distribute Algorithm)技術。DA技術提出了二十多年,廣泛應用于線性時不變信號處理,已被證明不適用于可編程DSP的固定指令系統(tǒng)結構,但是用FPGA實現(xiàn)卻是個好的選擇——DA電路中沒有直接的乘法器,乘法可由查找表得到。

  CIC濾波器是一種靈活的無乘法濾波器,適合于硬件實現(xiàn),并可處理任意大的數(shù)據率變換。由此,第二級內插濾波采用CIC濾波器是最佳選擇。

  在不降低性能的前提下,從節(jié)省資源的角度考慮,各信道內插濾波器分為兩步實現(xiàn):第一級FIR成形濾波器,第二級內插濾波器采用五級CIC濾波器。各信道濾波器內插分解為兩級,大內插系數(shù)濾波器由CIC完成,其結構如圖2所示。實驗結果表明這樣做并不影響性能。

?

?

????三路信道內插濾波器分別描述如下:

  (1)2.4kbps窄帶信號:編碼后信號采樣率為4.8kHz,要用78.336MHz進行采樣,必須經過78336/4.8=16320倍內插。第一級采用75階8倍內插成形FIR濾波器,第二級采用2040倍五級CIC內插濾波器。

??? (2)19.2kbps窄帶信號:編碼后信號采樣率為38.4kHz,要用78.336MHz進行采樣,必須經過2040倍內插。第一級采用75階8倍內插成形FIR濾波器,第二級采用255倍五級CIC內插濾波器。該路信道所有內插濾波器頻率響應如圖3所示。

?

  (3)2.4kbps擴頻信號:編碼后信號采樣率為1.224MHz,要用78.336MHz進行采樣,必須經過64倍內插。第一級采用25階4倍內插成形FIR濾波器,第二級采用16倍五級CIC內插濾波器。

2.3.2 數(shù)字上變頻

  數(shù)字上變頻器的主要功能是對輸入數(shù)據進行各種調制和頻率變換,即在數(shù)字域內實現(xiàn)調制和混頻。筆者設計了三個單路數(shù)據DUC。

  在BPSK調制模式中,內插濾波器把數(shù)據流采樣頻率升至時鐘頻率后,通過載波NCO進行混頻。DUC設計取22位累加器,SIN/COS的分辨率為12位。其頻率輸出調諧精度為18.68Hz。NCO簡單結構如圖4所示。

?

2.3.3 信道復接

  三路信道分別完成數(shù)字上變頻后經過一個加法器變?yōu)橐宦沸盘査椭罝AC,這樣只需要一個RF模塊就可完成發(fā)射功能。如圖5給出了發(fā)射機信道復接后的頻譜。

?

?

2.4 Inverse-SINC預補償濾波器

  Inverse-SINC預補償濾波器用于補償發(fā)射時由DAC采樣保持工作導致的頻率響應的失真。該偏差在21.85MHz時為-1.142dB。為了達到性能最優(yōu)化,采用頻率采樣的方法設計了一個11階的補償濾波器,該濾波器頻率響應如圖6所示。

?

????為了分析發(fā)射機的性能,用矢量信號分析儀畫出各信道的星座圖與眼圖。圖7所示為窄帶19.2kbps信道的星座圖與眼圖,其性能可以滿足多功能地面站的要求。

?

  本文采用了軟件無線電技術。實現(xiàn)衛(wèi)星地面站,具有很大的靈活性及現(xiàn)實意義。根據“創(chuàng)新一號”小衛(wèi)星對多功能地面站的研制要求,自行開發(fā)了一個軟件無線電多信道發(fā)射機系統(tǒng),具有功能強、功耗低、體積小、靈活性大等特點,極大地方便了用戶。

?

參考文獻

1 楊小牛,樓才義,徐建良.軟件無線電原理與應用. 北京:電子工業(yè)出版社,2001

2 Sophocles J. Orfanidis. Introducion to Signal?Processing. Prentice Hall International, Inc.,1998

3 Mitola J. The Software radio architecture.?IEEE Communication Magazine, 1995;(5)

4 Les Mintzer.Soft Radios and Modems on FPGAs.Communication System Design, February, 2000

5 Yasu SUZUKI. Software Radio Base and Personal Station Protypes. IEICE TRANS. COMMUN., VOL. E83-B,NO.6 JUNE 2000

6 Roel Schiphorst. The Exploration of the SDR?Concept by Protyping Transmitter and Receiver Functions on a Digital Signal Processer. PROGRESS 2000 Workshop on Embedded?System, October 2000

7 Henry Samueli. The Design of Mutiplierless?FIR Filter for Compensating D/A Converter?Frequency Response Distortion. IEEE?TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS,1998;35(8)

本站內容除特別聲明的原創(chuàng)文章之外,轉載內容只為傳遞更多信息,并不代表本網站贊同其觀點。轉載的所有的文章、圖片、音/視頻文件等資料的版權歸版權所有權人所有。本站采用的非本站原創(chuàng)文章及圖片等內容無法一一聯(lián)系確認版權者。如涉及作品內容、版權和其它問題,請及時通過電子郵件或電話通知我們,以便迅速采取適當措施,避免給雙方造成不必要的經濟損失。聯(lián)系電話:010-82306118;郵箱:aet@chinaaet.com。