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軟件無線電在小衛(wèi)星多功能地面站中的應(yīng)用

時間:2023-02-21 00:10:04 電子通信論文 我要投稿
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軟件無線電在小衛(wèi)星多功能地面站中的應(yīng)用

摘要:介紹一個SDR Software Defined Radio?多功能地面站發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。

    關(guān)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,使得軟件無線電技術(shù)廣泛地應(yīng)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(shè)計的具體要求,研制了一套基于軟件無線電技術(shù)的多信道發(fā)射機設(shè)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(shè)計,核心部件是可編程的DSP及FPGA,可同時處理三路信號。該設(shè)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(shè)備可根據(jù)實際需要靈活配置系統(tǒng),適用范圍大大擴展。

1 系統(tǒng)構(gòu)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、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(nèi)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。

圖1 FPGA發(fā)射機功能模塊圖

2 FPGA部分功能模塊

2.1 FIFO模塊

FIFO完成數(shù)據(jù)緩存功能。為了節(jié)省不必要的資源,設(shè)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(yīng)中斷向FIFO寫數(shù),此時數(shù)據(jù)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(jù)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。
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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(zhì)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(yīng)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(jù)從DSP送出,并標識信道特征,FPGA識別后進入相應(yīng)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(nèi)插濾波器、數(shù)字上變頻、信道復接三部分組成。

2.3.1 內(nèi)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(fā)信機 在f0±10kHz外,雜散小于50dBc;諧波(二、三次)小于40dBc 2.4kbps擴展發(fā)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(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(shè)計采用頻率采樣技術(shù),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(nèi)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(shù)。DA技術(shù)提出了二十多年,廣泛應(yīng)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(jié)構(gòu),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(jù)率變換。由此,第二級內(nèi)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(nèi)插濾波器分為兩步實現(xiàn):第一級FIR成形濾波器,第二級內(nèi)插濾波器采用五級CIC濾波器。各信道濾波器內(nèi)插分解為兩級,大內(nèi)插系數(shù)濾波器由CIC完成,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。實驗結(jié)果表明這樣做并不影響性能。

圖3 19.2kbps窄帶內(nèi)插濾波器頻率響應(yīng)

    三路信道內(nèi)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(jīng)過78336/4.8=16320倍內(nèi)插。第一級采用75階8倍內(nèi)插成形FIR濾波器,第二級采用2040倍五級CIC內(nèi)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(jīng)過2040倍內(nèi)插。第一級采用75階8倍內(nèi)插成形FIR濾波器,第二級采用255倍五級CIC內(nèi)插濾波器。該路信道所有內(nèi)插濾波器頻率響應(yīng)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(jīng)過64倍內(nèi)插。第一級采用25階4倍內(nèi)插成形FIR濾波器,第二級采用16倍五級CIC內(nèi)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(jù)進行各種調(diào)制和頻率變換,即在數(shù)字域內(nèi)實現(xiàn)調(diào)制和混頻。筆者設(shè)計了三個單路數(shù)據(jù)DUC。

在BPSK調(diào)制模式中,內(nèi)插濾波器把數(shù)據(jù)流采樣頻率升至時鐘頻率后,通過載波NCO進行混頻。DUC設(shè)計。玻参焕奂悠,SIN/COS的分辨率為12位。其頻率輸出調(diào)諧精度為18.68Hz。NCO簡單結(jié)構(gòu)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(jīng)過一個加法器變?yōu)橐宦沸盘査椭粒模粒,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(yīng)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(shè)計了一個11階的補償濾波器,該濾波器頻率響應(yīng)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(shù)。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(jù)“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。

圖7 窄帶19.2kbps信道的星座圖與眼圖


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