摘? 要: 介紹一個(gè)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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞: SDR? 地面站? 數(shù)字上變頻器? Inverse-SINC預(yù)補(bǔ)償濾波
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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(shù)廣泛地應(yīng)用于陸上移動(dòng)通信、衛(wèi)星移動(dòng)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(duì)中科院創(chuàng)新一號(hào)低軌移動(dòng)小衛(wèi)星多功能地面站設(shè)計(jì)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(jī)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(jì),核心部件是可編程的DSP及FPGA,可同時(shí)處理三路" title="三路">三路信號(hào)。該設(shè)備具有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn):多模工作；無線通信系統(tǒng)可升級(jí)；發(fā)射配置動(dòng)態(tài)更改。該設(shè)備可根據(jù)實(shí)際需要靈活配置系統(tǒng),適用范圍大大擴(kuò)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(kuò)頻" title="擴(kuò)頻">擴(kuò)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(shí)現(xiàn)FIFO、信道編碼、擴(kuò)頻、內(nèi)插" title="內(nèi)插">內(nèi)插濾波、數(shù)字上變頻、信道合成、DAC預(yù)補(bǔ)償濾波器等功能。這些功能都集成在一片Xilinx VirtexII芯片中。
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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(jì)了一個(gè)長度為32、深度為2的FIFO。即當(dāng)一個(gè)寄存器32位取完時(shí)發(fā)出中斷給DSP,同時(shí)讀、寫寄存器指針變換,DSP響應(yīng)中斷向FIFO寫數(shù),此時(shí)數(shù)據(jù)還在不斷地讀出。這樣就實(shí)現(xiàn)了用最少的資源實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存。
2.2 信道編碼
在實(shí)際信道上傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí),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(hào)不可避免地會(huì)發(fā)生錯(cuò)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(duì)于窄帶信號(hào)還有擾碼(CCITT V.35)。擾碼能改善位定時(shí)恢復(fù)的質(zhì)量,還能使信號(hào)頻譜彌散而保持穩(wěn)恒,能改善幀同步和自適應(yīng)時(shí)域均衡等子系統(tǒng)的性能。
對(duì)于擴(kuò)頻信號(hào)還有擴(kuò)頻編碼。在直擴(kuò)系統(tǒng)中,用偽隨機(jī)序列將傳輸信息擴(kuò)展,在接收時(shí)又用它將信號(hào)壓縮,并使干擾信號(hào)功率擴(kuò)散,提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。
編碼過程在DSP的控制下進(jìn)行,數(shù)據(jù)從DSP送出,并標(biāo)識(shí)信道特征,FPGA識(shí)別后進(jìn)入相應(yīng)的編碼通道,這樣三路信道可以分時(shí)進(jìn)行編碼處理。由于硬件速度快的特點(diǎn),可視為同時(shí)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(fù)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(biāo)如表1所示。
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為了以最少的濾波器階數(shù)得到較低的符號(hào)間干擾和高阻帶衰減,成形濾波器采用一個(gè)根升余弦濾波器,滾降系數(shù)0.4。其頻域表達(dá)式為:
式中α為滾降因子,取0.4。
成形濾波器設(shè)計(jì)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(yùn)算代替乘法以節(jié)省大量硬件資源。在FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí),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(shí)不變信號(hào)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(shí)現(xiàn)卻是個(gè)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(shí)現(xiàn),并可處理任意大的數(shù)據(jù)率變換。由此,第二級(jí)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(shí)現(xiàn):第一級(jí)FIR成形濾波器,第二級(jí)內(nèi)插濾波器采用五級(jí)CIC濾波器。各信道濾波器內(nèi)插分解為兩級(jí),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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這樣做并不影響性能。
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????三路信道內(nèi)插濾波器分別描述如下:
(1)2.4kbps窄帶信號(hào):編碼后信號(hào)采樣率為4.8kHz,要用78.336MHz進(jìn)行采樣,必須經(jīng)過78336/4.8=16320倍內(nèi)插。第一級(jí)采用75階8倍內(nèi)插成形FIR濾波器,第二級(jí)采用2040倍五級(jí)CIC內(nèi)插濾波器。
??? (2)19.2kbps窄帶信號(hào):編碼后信號(hào)采樣率為38.4kHz,要用78.336MHz進(jìn)行采樣,必須經(jīng)過2040倍內(nèi)插。第一級(jí)采用75階8倍內(nèi)插成形FIR濾波器,第二級(jí)采用255倍五級(jí)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。
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(3)2.4kbps擴(kuò)頻信號(hào):編碼后信號(hào)采樣率為1.224MHz,要用78.336MHz進(jìn)行采樣,必須經(jīng)過64倍內(nèi)插。第一級(jí)采用25階4倍內(nèi)插成形FIR濾波器,第二級(jí)采用16倍五級(jí)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(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行各種調(diào)制和頻率變換,即在數(shù)字域內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)制和混頻。筆者設(shè)計(jì)了三個(gè)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?xí)r鐘頻率后,通過載波NCO進(jìn)行混頻。DUC設(shè)計(jì)取22位累加器,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。
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2.3.3 信道復(fù)接
三路信道分別完成數(shù)字上變頻后經(jīng)過一個(gè)加法器變?yōu)橐宦沸盘?hào)送至DAC,這樣只需要一個(gè)RF模塊就可完成發(fā)射功能。如圖5給出了發(fā)射機(jī)信道復(fù)接后的頻譜。
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2.4 Inverse-SINC預(yù)補(bǔ)償濾波器
Inverse-SINC預(yù)補(bǔ)償濾波器用于補(bǔ)償發(fā)射時(shí)由DAC采樣保持工作導(dǎo)致的頻率響應(yīng)的失真。該偏差在21.85MHz時(shí)為-1.142dB。為了達(dá)到性能最優(yōu)化,采用頻率采樣的方法設(shè)計(jì)了一個(gè)11階的補(bǔ)償濾波器,該濾波器頻率響應(yīng)如圖6所示。
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????為了分析發(fā)射機(jī)的性能,用矢量信號(hào)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。
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本文采用了軟件無線電技術(shù)。實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星地面站,具有很大的靈活性及現(xiàn)實(shí)意義。根據(jù)“創(chuàng)新一號(hào)”小衛(wèi)星對(duì)多功能地面站的研制要求,自行開發(fā)了一個(gè)軟件無線電多信道發(fā)射機(jī)系統(tǒng),具有功能強(qiáng)、功耗低、體積小、靈活性大等特點(diǎn),極大地方便了用戶。
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參考文獻(xiàn)
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