摘? 要: 介紹一個SDR(Software Defined Radio)多功能地面站發射系統" title="發射系統">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
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隨著A/D/A器件與DSP處理器的迅速發展,使得軟件無線電" title="軟件無線電">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" title="三路">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" title="擴頻">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" title="內插">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。
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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。
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。
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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。
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????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。
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(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。
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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。
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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。
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????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。
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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。
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參考文獻
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