基于軟件無線電的衛星通信模擬源的實現

摘 要:介紹一種基于軟件無線電的衛星通信模擬源。提出基于FPGA和高速D/A轉換器的硬件系統的實現方法和設計注意事項。描述了軟件系統中各模塊的基本原理和功能，并根據軟件無線電基本理論給出了它們的具體實現，同時給出模擬源輸出信號的EVM測試結果。該系統硬件組成簡單，輸出信號的調制方式和數據協議可任意切換，通用性和擴展性強。

關鍵詞:軟件無線電; 信號源; 成形濾波; 數字上變頻

中圖分類號:TN927文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)17-0027-03

Implementation of Simulation Source for Satellite Communication Based on SR

WU Bing， WANG Zhong-hua， GU He-fang

(East China Research Institute of Electronic Engineering， Hefei 230088， China)

Abstract: A simulation source based on software radio for satellite communication is introduced. The implementation method and design notes of the hardware system based on FPGA and high-speed D/A converter are put forward. The basic principle and function of the modules of the software system are depicted. The realization based on software radio theory and the EVM testing results of the output signal of the simulation source are presented. The structure of the system is very simple， and the modulation mode and data protocols can be switched over arbitrarily， so it has the general universality and strong expansibility.

Keywords: software radio(SR); signal source; shaping filtering; digital upper converter

0 引 言

通信中普遍采用基帶信號對載波波形的某些參量(如振幅、頻率以及相位等)進行調制，以滿足系統發射和接收的需要。隨著現代電子技術的飛速發展，器件工藝越來越先進，器件功能越來越強，實現信號調制的方法也越來越多，實現信號調制的穩定度和可靠性都在不斷提高。尤其在衛星通信系統中，信號調制的應用越來越廣泛，要求也不斷提高。采用現代數字信號處理技術實現的調制方法，各種信號的產生依靠軟件操作來確定，同一信號經過數字化后可由不同的軟件模塊來實現各種調制功能。這使得硬件電路結構變得更加簡單，操作更加方便，穩定度更高，可靠性更強。而且結合相應的數字信號處理軟件及控制軟件可以加載新的調制方式，形成一個通用的數字調制器，能夠方便靈活地進行通信調制方式的擴展。

軟件無線電是一種基于寬帶模數/數模轉換器件、高速數字信號處理芯片，以軟件為核心(Software-Oriented)的嶄新的體系結構[1-2]。軟件無線電技術的發展為衛星通信系統提供了良好的發展基礎。由于FPGA具有高度的靈活性和重配置性，其在基于軟件無線電的通信系統中應用越來越廣泛。該設計是基于軟件無線電，采用FPGA實現全數字調制的通用衛星信號源模塊，數據協議及調制方式任意可變，可以靈活地應用于各種衛星通信系統中。

1 硬件系統設計

軟件無線電技術要求靠近天線的地方盡可能使用寬帶的數模/數模轉換器，盡早地完成信號的數字化，從而使得無線電臺的功能盡可能地用軟件來定義和實現。但是由于受寬帶天線、高速A/D，D/A及DSP 等技術水平的限制，實現一個理想的軟件無線電平臺的條件目前還不具備。因此，現在對軟件無線電的研究一方面集中在上述關鍵技術的研究上，另一方面更多地是在現有的技術條件下，研究如何最大程度地實現軟件無線電所要求的通用性和靈活性，將軟件化、通用化的設計思想體現到具體的應用實踐中。雖然目前基于軟件無線電的直接射頻收發系統的實現還有些難度，但基于中頻數字信號處理的中頻收發技術已相當成熟。本衛星通信模擬源就是采用基于軟件無線電的中頻發送技術，以高速DAC和高端FPGA為硬件載體，給出了模擬中頻信號的輸出。系統結構框圖如圖1所示(完整的發送系統還需要混頻器、放大器及天線等，這不在本文的討論范疇內)，FPGA對數據進行編碼調制后再送給DAC，以產生中頻輸出。

圖1 基于軟件無線電的衛星通信模擬源

中頻系統的硬件構架

衛星通信模擬數據源既可由FPGA內部產生，也可以由外部送入。為了保證硬件平臺的通用性，本衛星通信模擬源系統的外部接口有TTL，422及LVDS等類型，用以滿足各種不同的接口需要。FPGA是整個系統的核心器件，為了保證處理速度和邏輯單元的容量，采用Altera公司Stratix Ⅱ系列FPGA——EP2S90F1020。EP2S90F1020擁有72 768個寄存器和72 768個算術查找表單元，另有4 Mb存儲器單元和384個9 b乘法器，其工作速度快，資源非常豐富，可以在內部進行絕大部分的數字中頻處理運算。

為了保證中頻輸出信號的質量，DAC的采樣時鐘最好大于等于載波頻率的4倍。如載波中頻為70 MHz，則DAC的采樣時鐘應為280 MHz或更高。再考慮系統的可編程性和升級性，采用了Analog Devices公司的超高速DAC——AD9736。AD9736的數據精度為14 b，采樣率高達1 200 MSPS，采用DDR方式LVDS數據接收器，電流型輸出，內置同步控制電路，適合應用在寬帶通信系統中[3]。

由于硬件系統的工作頻率很高，需要采用高速電路設計方法，需要注意以下幾點:

信號完整性 需要對板級系統進行信號完整性仿真，注意阻抗匹配，減小關鍵信號線之間的串擾，控制數據總線之間的延時;

電源完整性 需要對板級系統進行電源完整性仿真，增加線和過孔上所能通過最大電流的裕量，通過在合適的位置加去耦電容，以降低電源和地平面上的交流阻抗[4];

電磁兼容 由于硬件屬于模/數混合電路，在布線時需要注意模擬部分和數字部分的隔離，采用獨立的模擬電源和數字電源以及模擬地和數字地，特別要注意降低數字部分對模擬部分的干擾;

功耗問題 隨著系統工作頻率的提高，系統的功耗也隨之增加，需要對關鍵器件進行散熱處理。

2 軟件系統實現

軟件系統主要包括芯片配置、數據協議、基帶數據調制、內插成形濾波以及正交調制等模塊。芯片配置模塊主要對DAC等芯片進行初始化配置，設置其工作方式。數據協議模塊定義了數據打包成幀的結構，協議和調制方式相對應。基帶數據調制模塊包含各種基帶調制方式的實現，如BPSK，QPSK，OQPSK，MSK及BFSK等。內插成形濾波模塊負責對基帶調制后的數據進行內插成形濾波，以滿足系統帶寬和數據率的需要。正交調制模塊主要對I/Q數據進行數字上變頻(DUC)處理。調制方式和數據協議的選擇可通過譯碼器來實現。具體的軟件系統如圖2所示。

圖2 軟件系統實現頂層示意圖

信源數據根據數據協議編碼成幀和串/并轉換后送給基帶調制模塊，這里初步選用了三種典型協議(ISO HDLC，ANSI ADCCP和GJB1198.1A-2004)，用戶根據需要可以自行擴充。ISO HDLC為國際化標準組織(ISO)制定的面向比特規程的高級數據鏈路控制協議(HDLC)。ANSI ADCCP協議幀的基本結構與ISO HDLC基本相同，主要的區別在于前者的幀校驗序列字段(FCS)的生成多項式為G(x)=x16+x15+x2+1。GJB1198.1A-2004標準規定了航天器遙測遙控的基本數據結構，其遙控數據幀包括啟動序列、地址同步字、方式字、注入數據幀、開關指令幀、循環冗余檢錯碼和結束序列。

I/Q數據在直擴模塊中選擇需要擴譜與否，擴譜所用PN碼為移位寄存器級聯生成的m序列， 信息數據與PN碼直接異或就能實現擴譜。

對于數字相位調制方式(如BPSK，QPSK和OQPSK等)，數據經過成形和內插濾波后再正交調制到中頻上，其實現方式遵循軟件無線電調制基本理論，如圖3所示[1]。

為了將信號頻譜限制在一個合理的范圍內，需要對信號進行成形濾波。平方根升余弦滾降濾波器是無線通信中最常用的一種成形濾波器，它可以消除理想低通濾波器設計的困難。其過渡帶平滑，通過引入滾降系數來改變傳輸信號的成形波形，可以減小抽樣定時脈沖誤差所帶來的影響。基帶信號經過成形濾波以后，在進行數字上變頻之前，為了提高信號的采樣速率，需要對輸入信號進行內插，同時需要濾波器以濾除高頻鏡像。成形濾波器和內插濾波器可以合并為一個FIR濾波器，其系數可由Matlab中的rcosine()函數生成。濾波器系數可存儲在FPGA的ROM中，使用時以查找表方式讀出，由于數據為單比特串行輸入，成形內插濾波操作僅為濾波器系數之間的加減運算，無乘法運算。這樣既提高了系統的處理速度，又節省了乘法器資源[5-6]。

圖3 正交調制的實現框圖

從理論上來說，各種通信信號都可以用正交調制方法加以實現。根據圖1，可以寫出時域表達式為:

S(t)=I(t)cos(2πfct)+Q(t)sin(2πfct)

(1)

式中:fc為載波頻率。調制信號的信息包含在I(t)和Q(t)內，各種調制方式下的I/Q數據由基帶數據調制模塊生成。由于各種調制信號的都是在數字域實現的，故在數字域實現時要對上式進行數字化:

S(n)=I(n)cos(2nπfc/fs)+Q(n)sin(2nπfc/fs)

(2)

式中:fs為采樣頻率。當采樣頻率為載波角頻率的4倍時，式(2)中cos和sin項變為0或±1，可省去混頻乘法器和數控振蕩器(NCO)，使調制模塊大為簡化[1]。

NCO在軟件系統中作用非常重要，它既可產生混頻用的本振(LO)信號，又可用來輸出FM和FSK調制信號。一種常用的實現NCO的方法是采用坐標旋轉數字計算方法(CORDIC)算法[7]。CORDIC的基本思想是采用逐次逼近的算法實現三角函數的計算，其優點是只進行加減運算和移位操作，結合并行處理和加流水線，可以實現每一個時鐘周期輸出一個經過n位迭代的結果。該NCO模塊的基本功能是由相位控制字來產生正弦和余弦分量輸出。數據源控制NCO的相位控制字就可產生FM調制數據。數據源控制NCO相位控制字在兩個常數頻率中選擇切換，便可產生2FSK調制數據。

3 模擬源的指標測試

安捷倫公司的矢量信號分析儀89641A可分析各種模擬和數字調制信號，作為接收機可顯示調制信號的各種信息(如時域波形、頻譜以及星座圖等)，作為測試儀表可定量分析被測信號的調制精度(如EVM、相位誤差和載波頻率誤差等)。采用89641A對本衛星通信模擬源中頻輸出信號進行測試，不同調制方式下的矢量幅度誤差(EVM)如表1所示。可以看出，各種調制方式下的EVM指標均良好。目前該信號源已成功應用到某衛星通信系統中，工作正常。

表1 各種調制方式下輸出信號的EVM

調試方式BPSKOQPSKQPSKMSKBFSKDSSSBPSK

EVM /%1.0~1.10.9~1.00.9~1.11.8~1.91.2~1.61.0~1.1

4 結 語

基于軟件無線電構架的衛星通信模擬源以軟件無線電基本理論為依據，以FPGA為基本實現平臺，具有很強的適用性與兼容性，無需改動硬件就可按用戶要求進行軟件升級，可靠性高。它既可應用于國防軍事上(如軍用衛星通信和電子戰系統)，又可應用于和平時期國民生產的各個方面(如GSM，衛星電視，3G通信等)，具有很大的經濟效益和推廣價值，對雷達通信一體化技術、衛星對抗技術都具有巨大的推動和發展作用，有著良好的社會效益。

參考文獻

[1]楊小牛，樓才義，徐建良.軟件無線電原理及其應用[M].北京:電子工業出版社，2001.

[2]JEO Mitola. The software radio architecture[J]. IEEE Communications Magazine， 1995， 33(5):26-38.

[3]Analog Devices Inc. AD9736 Data Sheet[R/OL]. [2006-11-22]. http://www.alldatasheet.com.

[4]李荔.信號完整性與電源完整性的仿真分析與設計[J].電子質量，2006(5):79-88.

[5]田耘，徐文波，張延偉，等.無線通信FPGA設計[M].北京:電子工業出版社，2008.

[6]KING M S， CHUNG J G. Look-up table based pulse-shaping filter[J]. Electronics Letters，2002，36(17):1505-1507.

[7]史學書，陸海峰.軟件無線電系統中NCO的設計與實現[J].現代電子技術，2005，28(15):6-9.