一种基于软件无线电的卫星通信模拟源实现

　　引言

　　通信中普遍采用基带信号对载波波形的某些参量（如振幅、频率以及相位等）进行调制，以满足系统发射和接收的需要。随着现代电子技术的飞速发展，器件工艺越来越先进，器件功能越来越强，实现信号调制的方法也越来越多，实现信号调制的稳定度和可靠性都在不断提高。尤其在卫星通信系统中，信号调制的应用越来越广泛，要求也不断提高。采用现代数字信号处理技术实现的调制方法，各种信号的产生依靠软件操作来确定，同一信号经过数字化后可由不同的软件模块来实现各种调制功能。这使得硬件电路结构变得更加简单，操作更加方便，稳定度更高，可靠性更强。而且结合相应的数字信号处理软件及控制软件可以加载新的调制方式，形成一个通用的数字调制器，能够方便灵活地进行通信调制方式的扩展。

　　软件无线电是一种基于宽带模数／数模转换器件、高速数字信号处理芯片，以软件为（Software-Oriented）的崭新的体系结构。软件无线电技术的发展为卫星通信系统提供了良好的发展基础。由于FPGA具有高度的灵活性和重配置性，其在基于软件无线电的通信系统中应用越来越广泛。该设计是基于软件无线电，采用FPGA实现全数字调制的通用卫星信号源模块，数据协议及调制方式任意可变，可以灵活地应用于各种卫星通信系统中。

　　软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来。功能的软件化实现势力要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理（A/D和D/A变换）尽量靠近天线。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件更新改变硬件配置结构，实现新的功能。软件无线电采用标准的、高性能的开放式总线结构，以利于硬件模块的不断升级和扩展。

　　　　1 硬件系统设计

　　软件无线电技术要求靠近天线的地方尽可能使用宽带的数模／数模转换器，尽早地完成信号的数字化，从而使得无线电台的功能尽可能地用软件来定义和实现。但是由于受宽带天线、高速A／D，D／A及DSP等技术水平的限制，实现一个理想的软件无线电平台的条件目前还不具备。因此，现在对软件无线电的研究一方面集中在上述关键技术的研究上，另一方面更多地是在现有的技术条件下，研究如何地实现软件无线电所要求的通用性和灵活性，将软件化、通用化的设计思想体现到具体的应用实践中。虽然目前基于软件无线电的直接射频收发系统的实现还有些难度，但基于中频数字信号处理的中频收发技术已相当成熟。本卫星通信模拟源就是采用基于软件无线电的中频发送技术，以高速DAC和高端FPGA为硬件载体，给出了模拟中频信号的输出。系统结构框图如图1所示（完整的发送系统还需要混频器、放大器及天线等，这不在本文的讨论范畴内），FPGA对数据进行编码调制后再送给DAC，以产生中频输出。

　　卫星通信模拟数据源既可由FPGA内部产生，也可以由外部送入。为了保证硬件平台的通用性，本卫星通信模拟源系统的外部接口有TTL，422及 LVDS等类型，用以满足各种不同的接口需要。FPGA是整个系统的器件，为了保证处理速度和逻辑单元的容量，采用Altera公司Str-atix Ⅱ系列FPGA——EP2S90F1020。EP2S90F1020拥有72 768个寄存器和72 768个算术查找表单元，另有4 Mb存储器单元和384个9 b乘法器，其工作速度快，资源非常丰富，可以在内部进行绝大部分的数字中频处理运算。

　　FPGA即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB,输出输入模块IOB和内部连线三个部分。 现场可编程门阵列是可编程器件。与传统逻辑电路和门阵列相比，FPGA具有不同的结构，FPGA利用小型查找表来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了即可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及个模块之间或模块与I/O间的连接方式，并终决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并终决定了FPGA所能实现的功能， FPGA允许无限次的编程。

　　1.1  由于硬件系统的工作频率很高，需要采用高速电路设计方法，需要注意以下几点：

　　信号完整性 需要对板级系统进行信号完整性仿真，注意阻抗匹配，减小关键信号线之间的串扰，控制数据总线之间的延时；

　　电源完整性需要对板级系统进行电源完整性仿真，增加线和过孔上所能通过电流的裕量，通过在合适的位置加去耦电容，以降低电源和地平面上的交流阻抗；

　　电磁兼容由于硬件属于模／数混合电路，在布线时需要注意模拟部分和数字部分的隔离，采用独立的模拟电源和数字电源以及模拟地和数字地，特别要注意降低数字部分对模拟部分的干扰；

　　功耗问题 随着系统工作频率的提高，系统的功耗也随之增加，需要对关键器件进行散热处理。

　　2 软件系统实现

　　软件系统，软件系统（Software Systems）是指由系统软件、支撑软件和应用软件组成的计算机软件系统，它是计算机系统中由软件组成的部分。它包括操作系统、语言处理系统、数据库系统、分布式软件系统和人机交互系统等。语言处理系统的功能是各种软件语言的处理程序，它把用户用软件语言书写的各种源程序转换成为可为计算机识别和运行的目标程序，从而获得预期结果。其主要研究内容包括：语言的翻译技术和翻译程序的构造方法与工具，此外，它还涉及正文编辑技术、连接编辑技术和装入技术等。 数据库系统的主要功能包括数据库的定义和操纵、共享数据的并发控制、数据的安全和保密等。按数据定义模块划分，数据库系统可分为关系数据库、层次数据库和网状数据库。按控制方式划分，可分为集中式数据库系统、分布式数据库系统和并行数据库系统。数据库系统研究的主要内容包括：数据库设计、数据模式、数据定义和操作语言、关系数据库理论、数据完整性和相容性、数据库恢复与容错、死锁控制和防止、数据安全性等。

　　分布式软件系统的功能是管理分布式计算机系统资源和控制分布式程序的运行，提供分布式程序设计语言和工具，提供分布式文件系统管理和分布式数据库管理关系等。分布式软件系统的主要研究内容包括分布式操作系统和网络操作系统、分布式程序设计、分布式文件系统和分布式数据库系统。 人机交互系统的主要功能是在人和计算机之间提供一个友善的人机接口。其主要研究内容包括人机交互原理、人机接口分析及规约、认知复杂性理论、数据输入、显示和检索接口、计算机控制接口等。

　　主要包括芯片配置、数据协议、基带数据调制、内插成形滤波以及正交调制等模块。芯片配置模块主要对DAC等芯片进行初始化配置，设置其工作方式。数据协议模块定义了数据打包成帧的结构，协议和调制方式相对应。基带数据调制模块包含各种基带调制方式的实现，如 BPSK，QPSK，OQPSK，MSK及BFSK等。内插成形滤波模块负责对基带调制后的数据进行内插成形滤波，以满足系统带宽和数据率的需要。正交调制模块主要对I／Q数据进行数字上变频（DUC）处理。调制方式和数据协议的选择可通过译码器来实现。具体的软件系统如图2所示。

　　信源数据根据数据协议编码成帧和串／并转换后送给基带调制模块，这里初步选用了三种典型协议（ISOHDLC，ANSI ADCCP和JBll98.1A-2004），用户根据需要可以自行扩充。ISO HDLC为国际化标准组织（ISO）制定的面向比特规程的数据链路控制协议（HDLC）。ANSI ADCCP协议帧的基本结构与ISOHDLC基本相同，主要的区别在于前者的帧校验序列字段（FCS）的生成多项式为。  GJ-B1198.1A-2004标准规定了航天器遥测遥控的基本数据结构，其遥控数据帧包括启动序列、地址同步字、方式字、注入数据帧、开关指令帧、循环冗余检错码和结束序列。

　　I／Q数据在直扩模块中选择需要扩谱与否，扩谱所用PN码为移位寄存器级联生成的m序列，信息数据与PN码直接异或就能实现扩谱。

　　对于数字相位调制方式（如BPSK，QPSK和OQPSK等），数据经过成形和内插滤波后再正交调制到中频上，其实现方式遵循软件无线电调制基本理论，如图3所示。

　　为了将信号频谱限制在一个合理的范围内，需要对信号进行成形滤波。平方根升余弦滚降滤波器是无线通信中常用的一种成形滤波器，它可以消除理想低通滤波器设计的困难。其过渡带平滑，通过引入滚降系数来改变传输信号的成形波形，可以减小抽样定时脉冲误差所带来的影响。基带信号经过成形滤波以后，在进行数字上变频之前，为了提高信号的采样速率，需要对输入信号进行内插，同时需要滤波器以滤除高频镜像。成形滤波器和内插滤波器可以合并为一个FIR滤波器，其系数可由Matlab中的rcosine（）函数生成。滤波器系数可存储在FP-GA的ROM中，使用时以查找表方式读出，由于数据为单比特串行输入，成形内插滤波操作仅为滤波器系数之间的加减运算，无乘法运算。这样既提高了系统的处理速度，又节省了乘法器资源。

    傅立叶变换实际上是一种正交空间变换，以exp(-jwt)为基，如果学过线性代数空间正交基的概念就知道了，把时域信号变成另外一个线性空间的信号，这个线性空间就是频域。

　　故时域和频域是一个信号在两种不同正交基下面的表现而已，相互有对应关系。时域信号的三个自由度可以认为是X,Y,T,其中T代表时间，频域信号的三个自由度可以认为是X,Y,W,其中W代表频率。coswt在频域表现为只有实部，故相位是0或180度， sinwt在频域表现为只有虚部，故相位是正负90度。物理学家说另外一个宇宙空间可能有一个相反的你，信号处理学家可以说，在频域空间上也有一个变形的你，本质是一样的。

　　从理论上来说，各种通信信号都可以用正交调制方法加以实现。根据图1，可以写出时域表达式为：

　　式中：fc为载波频率。调制信号的信息包含在I（t）和Q（t）内，各种调制方式下的I／Q数据由基带数据调制模块生成。由于各种调制信号的都是在数字域实现的，故在数字域实现时要对上式进行数字化：

　　式中：fs为采样频率。当采样频率为载波角频率的4倍时，式（2）中cos和sin项变为0或±1，可省去混频乘法器和数控振荡器（NCO），使调制模块大为简化。

　　NCO在软件系统中作用非常重要，它既可产生混频用的本振（LO）信号，又可用来输出FM和FSK调制信号（频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。它是利用基带数字信号离散取值特点去键控载波频率以传递信息的一种数字调制技术。FSK（Frequency-shift keying）是信息传输中使用得较早的一种调制方式，它的主要优点是： 实现起来较容易，抗噪声与抗衰减的性能较好。在中低速数据传输中得到了广泛的应用）。一种常用的实现NCO的方法是采用坐标旋转数字计算方法（CORDIC）算法。CORDIC的基本思想是采用逐次逼近的算法实现三角函数的计算，其优点是只进行加减运算和移位操作，结合并行处理和加流水线，可以实现每一个时钟周期输出一个经过n位迭代的结果。该NCO模块的基本功能是由相位控制字来产生正弦和余弦分量输出。数据源控制NCO的相位控制字就可产生FM调制数据。数据源控制NCO相位控制字在两个常数频率中选择切换，便可产生2FSK调制数据。

　　3模拟源的指标测试

　　安捷伦公司的矢量信号分析仪89641A可分析各种模拟和数字调制信号，作为接收机可显示调制信号的各种信息（如时域波形、频谱以及星座图等），作为测试仪表可定量分析被测信号的调制（如EVM、相位误差和载波频率误差等）。采用89641A对本卫星通信模拟源中频输出信号进行测试，不同调制方式下的矢量幅度误差（EVM）如表1所示。可以看出，各种调制方式下的EVM指标均良好。目前该信号源已成功应用到某卫星通信系统中，工作正常。

　　4 结束语

　　基于软件无线电构架的卫星通信模拟源以软件无线电基本理论为依据，以FPGA为基本实现平台，具有很强的适用性与兼容性，无需改动硬件就可按用户要求进行软件升级，可靠性高。它既可应用于国防军事上（如军用卫星通信和电子战系统），又可应用于和平时期国民生产的各个方面（如GSM，卫星电视，3G通信等），具有很大的经济效益和推广价值，对雷达通信一体化技术、卫星对抗技术都具有巨大的推动和发展作用，有着良好的社会效益。