论文 题目《小卫星发射技术》
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发布时间：2022-04-25 20:05
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时间：2022-06-17 00:44
摘要：介绍一个SDR Software Defined Radio 多功能地面站发射系统的设计与实现。
关键词：SDR 地面站 数字上变频器 Inverse-SINC预补偿滤波
随着A／D／A器件与DSP处理器的迅速发展，使得软件无线电技术广泛地应用于陆上移动通信、卫星移动通信与全球定位系统等。本文利用软件无线电的思路，针对中科院创新一号低轨移动小卫星多功能地面站设计的具体要求，研制了一套基于软件无线电技术的多信道发射机设备。该地面站发射系统数字基带部分采用全软件化设计，核心部件是可编程的DSP及FPGA，可同时处理三路信号。该设备具有以下三个优点：多模工作；无线通信系统可升级；发射配置动态更改。该设备可根据实际需要灵活配置系统，适用范围大大扩展。
1 系统构成
SDR地面站发射系统如图1所示。该系统的发射速率为2．4kbps窄带、2．4kbps扩频、19．2kbps窄带或它们混合的速率。中频分别为18．45MHz、20MHz、21．85MHz。DAC的采样频率为78．336MHz。发射系统中FPGA实现FIFO、信道编码、扩频、内插滤波、数字上变频、信道合成、DAC预补偿滤波器等功能。这些功能都集成在一片Xilinx VirtexII芯片中。
图1 FPGA发射机功能模块图
2 FPGA部分功能模块
2．1 FIFO模块
FIFO完成数据缓存功能。为了节省不必要的资源，设计了一个长度为32、深度为2的FIFO。即当一个寄存器32位取完时发出中断给DSP，同时读、写寄存器指针变换，DSP响应中断向FIFO写数，此时数据还在不断地读出。这样就实现了用最少的资源实现数据缓存。
2．2 信道编码
在实际信道上传输数字信号时，由于信道传输特性不理想及加性噪声的影响，所收到的数字信号不可避免地会发生错误。采用信道编码可以将误码率降低。本系统主要采用性能较优的卷积编码和差分编码等。
对于窄带信号还有扰码（CCITT V．35）。扰码能改善位定时恢复的质量，还能使信号频谱弥散而保持稳恒，能改善帧同步和自适应时域均衡等子系统的性能。
对于扩频信号还有扩频编码。在直扩系统中，用伪随机序列将传输信息扩展，在接收时又用它将信号压缩，并使干扰信号功率扩散，提高了系统的抗干扰能力。
编码过程在DSP的控制下进行，数据从DSP送出，并标识信道特征，FPGA识别后进入相应的编码通道，这样三路信道可以分时进行编码处理。由于硬件速度快的特点，可视为同时处理。
2．3 信道合成
信道合成模块由内插滤波器、数字上变频、信道复接三部分组成。
2．3．1 内插滤波器
各信道滤波器性能指标如表1所示。
表1 各信道滤波器指标
滤波器性能要求
19.2kbps窄带收信机在f0±80kHz外，杂散小于50dBc；谐波（二、三次）小于40dBc2.4kbps窄带发信机在f0±10kHz外，杂散小于50dBc；谐波（二、三次）小于40dBc2.4kbps扩展发信机在f0±1.25MHz外，杂散小于50dBc；谐波（二、三次）小于40dBc
为了以最少的滤波器阶数得到较低的符号间干扰和高阻带衰减，成形滤波器采用一个根升余弦滤波器，滚降系数0．4。其频域表达式为：
式中α为滚降因子，取0．4。
成形滤波器设计采用频率采样技术，这样可以得到阶数较低、性能较好的滤波器。成形滤波器一般采用4倍或8倍的内插系数。先用MATLAB把滤波器阶数和系数确定下来，这样可以用移位加运算代替乘法以节省大量硬件资源。在FPGA实现时，采用DA（Distribute Algorithm）技术。DA技术提出了二十多年，广泛应用于线性时不变信号处理，已被证明不适用于可编程DSP的固定指令系统结构，但是用FPGA实现却是个好的选择——DA电路中没有直接的乘法器，乘法可由查找表得到。
CIC滤波器是一种灵活的无乘法滤波器，适合于硬件实现，并可处理任意大的数据率变换。由此，第二级内插滤波采用CIC滤波器是最佳选择。
在不降低性能的前提下，从节省资源的角度考虑，各信道内插滤波器分为两步实现：第一级FIR成形滤波器，第二级内插滤波器采用五级CIC滤波器。各信道滤波器内插分解为两级，大内插系数滤波器由CIC完成，其结构如图2所示。实验结果表明这样做并不影响性能。
图3 19.2kbps窄带内插滤波器频率响应
三路信道内插滤波器分别描述如下：
（1）2．4kbps窄带信号：编码后信号采样率为4．8kHz，要用78．336MHz进行采样，必须经过78336／4．8＝16320倍内插。第一级采用75阶8倍内插成形FIR滤波器，第二级采用2040倍五级CIC内插滤波器。
（2）19．2kbps窄带信号：编码后信号采样率为38．4kHz，要用78．336MHz进行采样，必须经过2040倍内插。第一级采用75阶8倍内插成形FIR滤波器，第二级采用255倍五级CIC内插滤波器。该路信道所有内插滤波器频率响应如图3所示。
（3）2．4kbps扩频信号：编码后信号采样率为1．224MHz，要用78．336MHz进行采样，必须经过64倍内插。第一级采用25阶4倍内插成形FIR滤波器，第二级采用16倍五级CIC内插滤波器。
2．3．2 数字上变频
数字上变频器的主要功能是对输入数据进行各种调制和频率变换，即在数字域内实现调制和混频。笔者设计了三个单路数据DUC。
在BPSK调制模式中，内插滤波器把数据流采样频率升至时钟频率后，通过载波NCO进行混频。DUC设计取22位累加器，SIN／COS的分辨率为12位。其频率输出调谐精度为18．68Hz。NCO简单结构如图4所示。
2．3．3 信道复接
三路信道分别完成数字上变频后经过一个加法器变为一路信号送至DAC，这样只需要一个RF模块就可完成发射功能。如图5给出了发射机信道复接后的频谱。
2．4 Inverse－SINC预补偿滤波器
Inverse－SINC预补偿滤波器用于补偿发射时由DAC采样保持工作导致的频率响应的失真。该偏差在21．85MHz时为－1．142dB。为了达到性能最优化，采用频率采样的方法设计了一个11阶的补偿滤波器，该滤波器频率响应如图6所示。
为了分析发射机的性能，用矢量信号分析仪画出各信道的星座图与眼图。图7所示为窄带19．2kb现实意义。根据“创新一号”小卫星对多功能地面站的研制要求，自行开发了一个软件无线电多信道发射机系统，具有功能强、功耗低、体积小、灵活性大等特点，极大地方便了用户。
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摘要：介绍一个SDR Software Defined Radio 多功能地面站发射系统的设计与实现。
关键词：SDR 地面站 数字上变频器 Inverse-SINC预补偿滤波
随着A／D／A器件与DSP处理器的迅速发展，使得软件无线电技术广泛地应用于陆上移动通信、卫星移动通信与全球定位系统等。本文利用软件无线电的思路，针对中科院创新一号低轨移动小卫星多功能地面站设计的具体要求，研制了一套基于软件无线电技术的多信道发射机设备。该地面站发射系统数字基带部分采用全软件化设计，核心部件是可编程的DSP及FPGA，可同时处理三路信号。该设备具有以下三个优点：多模工作；无线通信系统可升级；发射配置动态更改。该设备可根据实际需要灵活配置系统，适用范围大大扩展。
1 系统构成
SDR地面站发射系统如图1所示。该系统的发射速率为2．4kbps窄带、2．4kbps扩频、19．2kbps窄带或它们混合的速率。中频分别为18．45MHz、20MHz、21．85MHz。DAC的采样频率为78．336MHz。发射系统中FPGA实现FIFO、信道编码、扩频、内插滤波、数字上变频、信道合成、DAC预补偿滤波器等功能。这些功能都集成在一片Xilinx VirtexII芯片中。
图1 FPGA发射机功能模块图
2 FPGA部分功能模块
2．1 FIFO模块
FIFO完成数据缓存功能。为了节省不必要的资源，设计了一个长度为32、深度为2的FIFO。即当一个寄存器32位取完时发出中断给DSP，同时读、写寄存器指针变换，DSP响应中断向FIFO写数，此时数据还在不断地读出。这样就实现了用最少的资源实现数据缓存。
2．2 信道编码
在实际信道上传输数字信号时，由于信道传输特性不理想及加性噪声的影响，所收到的数字信号不可避免地会发生错误。采用信道编码可以将误码率降低。本系统主要采用性能较优的卷积编码和差分编码等。
对于窄带信号还有扰码（CCITT V．35）。扰码能改善位定时恢复的质量，还能使信号频谱弥散而保持稳恒，能改善帧同步和自适应时域均衡等子系统的性能。
对于扩频信号还有扩频编码。在直扩系统中，用伪随机序列将传输信息扩展，在接收时又用它将信号压缩，并使干扰信号功率扩散，提高了系统的抗干扰能力。
编码过程在DSP的控制下进行，数据从DSP送出，并标识信道特征，FPGA识别后进入相应的编码通道，这样三路信道可以分时进行编码处理。由于硬件速度快的特点，可视为同时处理。
2．3 信道合成
信道合成模块由内插滤波器、数字上变频、信道复接三部分组成。
2．3．1 内插滤波器
各信道滤波器性能指标如表1所示。
表1 各信道滤波器指标
滤波器性能要求
19.2kbps窄带收信机在f0±80kHz外，杂散小于50dBc；谐波（二、三次）小于40dBc2.4kbps窄带发信机在f0±10kHz外，杂散小于50dBc；谐波（二、三次）小于40dBc2.4kbps扩展发信机在f0±1.25MHz外，杂散小于50dBc；谐波（二、三次）小于40dBc
为了以最少的滤波器阶数得到较低的符号间干扰和高阻带衰减，成形滤波器采用一个根升余弦滤波器，滚降系数0．4。其频域表达式为：
式中α为滚降因子，取0．4。
成形滤波器设计采用频率采样技术，这样可以得到阶数较低、性能较好的滤波器。成形滤波器一般采用4倍或8倍的内插系数。先用MATLAB把滤波器阶数和系数确定下来，这样可以用移位加运算代替乘法以节省大量硬件资源。在FPGA实现时，采用DA（Distribute Algorithm）技术。DA技术提出了二十多年，广泛应用于线性时不变信号处理，已被证明不适用于可编程DSP的固定指令系统结构，但是用FPGA实现却是个好的选择——DA电路中没有直接的乘法器，乘法可由查找表得到。
CIC滤波器是一种灵活的无乘法滤波器，适合于硬件实现，并可处理任意大的数据率变换。由此，第二级内插滤波采用CIC滤波器是最佳选择。
在不降低性能的前提下，从节省资源的角度考虑，各信道内插滤波器分为两步实现：第一级FIR成形滤波器，第二级内插滤波器采用五级CIC滤波器。各信道滤波器内插分解为两级，大内插系数滤波器由CIC完成，其结构如图2所示。实验结果表明这样做并不影响性能。
图3 19.2kbps窄带内插滤波器频率响应
三路信道内插滤波器分别描述如下：
（1）2．4kbps窄带信号：编码后信号采样率为4．8kHz，要用78．336MHz进行采样，必须经过78336／4．8＝16320倍内插。第一级采用75阶8倍内插成形FIR滤波器，第二级采用2040倍五级CIC内插滤波器。
（2）19．2kbps窄带信号：编码后信号采样率为38．4kHz，要用78．336MHz进行采样，必须经过2040倍内插。第一级采用75阶8倍内插成形FIR滤波器，第二级采用255倍五级CIC内插滤波器。该路信道所有内插滤波器频率响应如图3所示。
（3）2．4kbps扩频信号：编码后信号采样率为1．224MHz，要用78．336MHz进行采样，必须经过64倍内插。第一级采用25阶4倍内插成形FIR滤波器，第二级采用16倍五级CIC内插滤波器。
2．3．2 数字上变频
数字上变频器的主要功能是对输入数据进行各种调制和频率变换，即在数字域内实现调制和混频。笔者设计了三个单路数据DUC。
在BPSK调制模式中，内插滤波器把数据流采样频率升至时钟频率后，通过载波NCO进行混频。DUC设计取22位累加器，SIN／COS的分辨率为12位。其频率输出调谐精度为18．68Hz。NCO简单结构如图4所示。
2．3．3 信道复接
三路信道分别完成数字上变频后经过一个加法器变为一路信号送至DAC，这样只需要一个RF模块就可完成发射功能。如图5给出了发射机信道复接后的频谱。
2．4 Inverse－SINC预补偿滤波器
Inverse－SINC预补偿滤波器用于补偿发射时由DAC采样保持工作导致的频率响应的失真。该偏差在21．85MHz时为－1．142dB。为了达到性能最优化，采用频率采样的方法设计了一个11阶的补偿滤波器，该滤波器频率响应如图6所示。
为了分析发射机的性能，用矢量信号分析仪画出各信道的星座图与眼图。图7所示为窄带19．2kb现实意义。根据“创新一号”小卫星对多功能地面站的研制要求，自行开发了一个软件无线电多信道发射机系统，具有功能强、功耗低、体积小、灵活性大等特点，极大地方便了用户。
