0 引言

    軟件無線電(Software Defined Radio，SDR)^[1]的基本思想是利用盡可能靠近天線的寬帶A/D和D/A將傳統的模擬信號進行數字化處理，構造一個通用的可編程硬件平臺并通過加載軟件的方式來實現或改變相應功能^[2]。

    本文基于軟件無線電技術構造了一個具有開放性、模塊化、可軟件重構的通用衛星跟蹤平臺，平臺功能可以進行擴展、升級，并滿足不同衛星跟蹤任務的需要。

1 跟蹤平臺組成

    本文提出的衛星跟蹤平臺的設備組成如圖1所示。衛星跟蹤平臺主要由通用計算處理平臺和綜合數字信號處理板卡組成。

    通用計算處理平臺與綜合數字信號處理板卡具有PCI總線接口，主要完成設備狀態監視、數據處理以及對平臺硬件的控制，可通過網絡完成與監控子系統或操作控制中心的快速信息交換。

    綜合數字信號處理板卡（HXI_2）包括接收通道、發送通道。根據信號處理需要占用的硬件端口和FPGA門數需求量，可以在一臺工控機系統內配置多塊綜合信號處理板卡。

    對外連接的接口功能包括：

    (1)輸入10 MHz標準頻率源(CLK)；

    (2)外部輸入70 MHz中頻信號(單載波、擴頻數據、寬帶調制數據)；

    (3)輸出角度誤差直流電壓信號(俯仰、方位)；

    (4)輸出AGC控制電壓；

    (5)通過以太網口和地面站監控連接，完成對參數的配置及工作狀態監測；

    (6)基帶時鐘輸入、時統時鐘輸入(CLK_M、1PPS)；

    (7)基帶時鐘輸出(CLK_M)；

    (8)邏輯分析儀測試，包括RS422、TTL和LVDS數據接口等。

    跟蹤平臺接收時統送來的10 MHz和1 PPS信號，用于數據解調時鐘基準和對解調處理后的數據進行加時標處理。

2 軟硬件功能劃分

    跟蹤平臺軟硬件模塊功能如圖2所示。硬件完成對輸入中頻跟蹤信號的濾波、自動增益控制、A/D采樣后送入FPGA進行角度誤差信號的提取。硬件板卡進行信息處理和解調角度誤差，然后通過緩存器傳遞誤差結果給監控計算機。監控計算機負責顯示當前工作的參數以及工作方式、工作狀態，還要將需要配置的參數寫入到FPGA中，配合硬件板卡完成角度誤差的提取。也可通過網絡將當前工作狀態發送給站管分系統以及接收站管分系統發送過來的控制命令，配置需要設定的參數。

2.1 跟蹤接收

    跟蹤平臺對來自天線的射頻信號經過和/差網絡合成處理并下變頻為70 MHz中頻跟蹤信號后進行A/D采樣。硬件平臺在主機端監控軟件的協同下，利用板上FPGA進行解擴、解調、誤差解算等處理后，通過D/A將解調誤差信號傳送給ACU，通過ACU完成對天線的閉環角度控制。

2.2 本地頻率

    跟蹤平臺的本地工作時鐘為110 MHz，采用倍頻器產生。倍頻器可以鎖定于內部高精度晶振，也可以鎖定于時統設備送來的10 MHz基準頻率。

3 軟件無線電設計

    跟蹤平臺的軟件無線電功能主要由綜合數字信號處理板卡(HXI_2)完成。HXI_2是一款集成大規模FPGA、高速A/D、上變頻器、高速D/A、基帶I/O、濾波以及自動增益控制的全功能數字中頻處理平臺，有兩片大容量的FPGA為主處理芯片，可以與高頻或者中頻電路直接接口，并在其上編程實現所需的各種通信處理算法，進而構成一個帶寬可達50 MHz以上的數字中頻和基帶處理系統。

    硬件平臺外形示意圖如圖3所示。

3.1 板卡硬件設計

    HXI_2型通用板卡的原理框圖如圖4所示。硬件板卡采用雙路14 bit分辨率、150 MS/s采樣率的ADC進行采集，具有輸入帶通濾波和自動增益控制放大功能；采用4路16 bit分辨率、500 MHz轉換速率的DAC進行上變頻，具有輸出帶通濾波和數控衰減功能；采用兩片Xilinx Virtex4 FPGA作為軟件重構和加載的核心，可即時配置；采用1 024 MB SDRAM存儲器用于數據存儲。

    為解決頻率混疊，在對模擬信號進行A/D采樣前，需采用低通濾波器濾除高于1/2采樣頻率的頻率成分。板卡的低通濾波器采用了模塊化設計，其可以根據具體的頻帶需求定制并且更換；并采用外接隔直電容的辦法省去了低通濾波器內部的隔直電容；同時，并對濾波器外殼進行接地處理，以提高其EMC性能。

3.2 板卡數字I/O設計

    圖5給出了數字I/O原理框圖。兩片FPGA一共引出下列I/O信號：

    (1)ComapctPCI接插件^[3]

    FPGA1和FPGA2各自引出70條I/O管腳到CPCI接插件J3和J5，其中FPGA1引出到J3，FPGA2到J5。此70條I/O信號在PCB內以差分對形式排布，可提供最多35對雙向LVDS差分信號，或者70條雙向LVTTL單端信號，用于板卡與機箱內的其他板卡或者后插卡進行數據傳輸或者控制操作。

    (2)前面板同軸電纜

    FPGA1和FPGA2各引出3條單端I/O信號到前面板的6個小型同軸電纜插座（MMCX）上。這些信號可以用來作為面向前面板的測試或者同步信號。

    (3)擴展插座

    HXI_2在靠近前面板左側的位置上定義了一個擴展插座，其上定義了40條I/O信號，一半連接到FPGA1，另一半到FPGA2。可以制作具有RS422收發器的擴展卡并將RS422接插件定義到前面板。同時，擴展插座上還定義了10條信號直接連接到CPCI J5，使得擴展板上的電路還可以通過J5與外界通信。

3.3 板卡程序設計

    硬件采用可重構的FPGA配置模式，根據任務的工作模式配置已生成的FPGA 工作文件，完成特定工作模式下的角度誤差提取。基于上述硬件平臺，劃分的硬件平臺可配置模塊文件包括：

    (1)信標、殘余載波信號的角度誤差提取可配置模塊文件；

    (2)擴頻體制跟蹤信號的角度誤差提取可配置模塊文件；

    (3)BPSK、QPSK寬帶數據跟蹤信號角度誤差提取可配置模塊文件。

3.4 動態重構方法

    如圖6所示，本文中設計將不同的FPGA配置程序和計算機應用程序保存在計算機中，當系統改變任務時，只需將相應用途的配置程序從計算機文件系統加載到FPGA中，調用相應用途的計算機處理軟件，即完成整個系統的任務轉換。這種動態可重構方式較非重構的數字系統具有任務可轉換、設備可復用、配置靈活、運行速度高等特點。在硬件平臺設計上，用現場可編程門陣列(FPGA)完成各種信號處理，FPGA的速度高、容量大。

    當終端功能和模塊組成確定后，選定電路模塊清單，計算機從電路庫調出電路模塊，然后通過總線對FPGA的運行程序進行下載，從而達到終端設計可重組。

4 結論

    本文提出的基于軟件無線電的衛星跟蹤平臺已成功應用于某國際出口衛星的跟蹤測控。其良好的模塊化設計、可重構的軟件設計，使其在衛星測控跟蹤任務^[4]中發揮了良好的作用，可以在衛星測控跟蹤領域推廣使用。

參考文獻

[1] MITOLA J.The software radio architecture[J].IEEE Communication Magazine，1995(5)：26-38.

[2] 楊小牛，樓才義，徐建良.軟件無線電原理與應用[M].北京：電子工業出版社，2001.

[3] IEEE 1101-1-1998，IEEE standard for mechanical core specifications for microcomputers using IEC 60603-2 connectors[S].1998.

[4] 李秉尚.TDRSS、USB系統兼容星載應答機的一種實現方案[J].飛行器測控學報，2001，20(3)：19-23.

作者信息:

康國棟1，薛  超2，李琳琳1，崔玉福1

(1.航天東方紅衛星有限公司，北京100094；2.航天恒星衛星有限公司，北京100086)