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軟件無線電在小衛星多功能地面站中的應用
摘要：介紹一個SDR Software Defined Radio?多功能地面站發射系統的設計與實現。關鍵詞：SDR 地面站 數字上變頻器 Inverse-SINC預補償濾波
隨著Ａ／Ｄ／Ａ器件與ＤＳＰ處理器的迅速發展，使得軟件無線電技術廣泛地應用于陸上移動通信、衛星移動通信與全球定位系統等。本文利用軟件無線電的思路，針對中科院創新一號低軌移動小衛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射機設備。該地面站發射系統數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，可同時處理三路信號。該設備具有以下三個優點：多模工作；無線通信系統可升級；發射配置動態更改。該設備可根據實際需要靈活配置系統，適用范圍大大擴展。
１ 系統構成
ＳＤＲ地面站發射系統如圖１所示。該系統的發射速率為２．４ｋｂｐｓ窄帶、２．４ｋｂｐｓ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。發射系統中ＦＰＧＡ實現ＦＩＦＯ、信道編碼、擴頻、內插濾波、數字上變頻、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。
圖1 FPGA發射機功能模塊圖
２ ＦＰＧＡ部分功能模塊
２．１ ＦＩＦＯ模塊
ＦＩＦＯ完成數據緩存功能。為了節省不必要的資源，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，此時數據還在不斷地讀出。這樣就實現了用最少的資源實現數據緩存。
２．２ 信道編碼
在實際信道上傳輸數字信號時，由于信道傳輸特性不理想及加性噪聲的影響，所收到的數字信號不可避免地會發生錯誤。采用信道編碼可以將誤碼率降低。本系統主要采用性能較優的卷積編碼和差分編碼等。
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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恒，能改善幀同步和自適應時域均衡等子系統的性能。
對于擴頻信號還有擴頻編碼。在直擴系統中，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，提高了系統的抗干擾能力。
編碼過程在ＤＳＰ的控制下進行，數據從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。
表1 各信道濾波器指標
濾波器性能要求
19.2kbps窄帶收信機 在f0±80kHz外，雜散小于50dBc；諧波（二、三次）小于40dBc 2.4kbps窄帶發信機 在f0±10kHz外，雜散小于50dBc；諧波（二、三次）小于40dBc 2.4kbps擴展發信機 在f0±1.25MHz外，雜散小于50dBc；諧波（二、三次）小于40dBc為了以最少的濾波器階數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。先用ＭＡＴＬＡＢ把濾波器階數和系數確定下來，這樣可以用移位加運算代替乘法以節省大量硬件資源。在ＦＰＧＡ實現時，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的固定指令系統結構，但是用ＦＰＧＡ實現卻是個好的選擇——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，并可處理任意大的數據率變換。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，從節省資源的角度考慮，各信道內插濾波器分為兩步實現：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。
圖3 19.2kbps窄帶內插濾波器頻率響應
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 數字上變頻
數字上變頻器的主要功能是對輸入數據進行各種調制和頻率變換，即在數字域內實現調制和混頻。筆者設計了三個單路數據ＤＵＣ。
在ＢＰＳＫ調制模式中，內插濾波器把數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字上變頻后經過一個加法器變為一路信號送至ＤＡＣ，這樣只需要一個ＲＦ模塊就可完成發射功能。如圖５給出了發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。實現衛星地面站，具有很大的靈活性及現實意義。根據“創新一號”小衛星對多功能地面站的研制要求，自行開發了一個軟件無線電多信道發射機系統，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。
圖7 窄帶19.2kbps信道的星座圖與眼圖
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