O 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(jìn)行調(diào)制,，以滿足系統(tǒng)發(fā)射和接收的需要,。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，器件工藝越來越先進(jìn),，器件功能越來越強(qiáng),，實(shí)現(xiàn)信號調(diào)制的方法也越來越多，實(shí)現(xiàn)信號調(diào)制的穩(wěn)定度和可靠性都在不斷提高,。尤其在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,，信號調(diào)制的應(yīng)用越來越廣泛，要求也不斷提高,。采用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)的調(diào)制方法,，各種信號的產(chǎn)生依靠軟件操作來確定，同一信號經(jīng)過數(shù)字化后可由不同的軟件模塊來實(shí)現(xiàn)各種調(diào)制功能,。這使得硬件電路結(jié)構(gòu)變得更加簡單,，操作更加方便，穩(wěn)定度更高,，可靠性更強(qiáng),。而且結(jié)合相應(yīng)的數(shù)字信號處理軟件及控制軟件可以加載新的調(diào)制方式，形成一個(gè)通用的數(shù)字調(diào)制器,，能夠方便靈活地進(jìn)行通信調(diào)制方式的擴(kuò)展,。

軟件無線電是一種基于寬帶模數(shù)／數(shù)模轉(zhuǎn)換器件、高速數(shù)字信號處理芯片,，以軟件為核心(Software-Oriented)的嶄新的體系結(jié)構(gòu),。軟件無線電技術(shù)的發(fā)展為衛(wèi)星通信系統(tǒng)提供了良好的發(fā)展基礎(chǔ)。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(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛,。該設(shè)計(jì)是基于軟件無線電,，采用FPGA實(shí)現(xiàn)全數(shù)字調(diào)制的通用衛(wèi)星信號源模塊,，數(shù)據(jù)協(xié)議及調(diào)制方式任意可變，可以靈活地應(yīng)用于各種衛(wèi)星通信系統(tǒng)中。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件無線電技術(shù)要求靠近天線的地方盡可能使用寬帶的數(shù)模／數(shù)模轉(zhuǎn)換器,，盡早地完成信號的數(shù)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(shí)現(xiàn)。但是由于受寬帶天線,、高速A／D,，D／A及DSP等技術(shù)水平的限制，實(shí)現(xiàn)一個(gè)理想的軟件無線電平臺的條件目前還不具備,。因此,，現(xiàn)在對軟件無線電的研究一方面集中在上述關(guān)鍵技術(shù)的研究上，另一方面更多地是在現(xiàn)有的技術(shù)條件下,，研究如何最大程度地實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)思想體現(xiàn)到具體的應(yīng)用實(shí)踐中,。雖然目前基于軟件無線電的直接射頻收發(fā)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)還有些難度,，但基于中頻數(shù)字信號處理的中頻收發(fā)技術(shù)已相當(dāng)成熟。本衛(wèi)星通信模擬源就是采用基于軟件無線電的中頻發(fā)送技術(shù),，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(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示(完整的發(fā)送系統(tǒng)還需要混頻器,、放大器及天線等,，這不在本文的討論范疇內(nèi))，F(xiàn)PGA對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼調(diào)制后再送給DAC,，以產(chǎn)生中頻輸出,。

衛(wèi)星通信模擬數(shù)據(jù)源既可由FPGA內(nèi)部產(chǎn)生，也可以由外部送入,。為了保證硬件平臺的通用性,，本衛(wèi)星通信模擬源系統(tǒng)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(gè)系統(tǒng)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Str-atix Ⅱ系列FPGA——EP2S90F1020,。EP2S90F1020擁有72 768個(gè)寄存器和72 768個(gè)算術(shù)查找表單元，另有4 Mb存儲器單元和384個(gè)9 b乘法器,，其工作速度快,，資源非常豐富，可以在內(nèi)部進(jìn)行絕大部分的數(shù)字中頻處理運(yùn)算,。

為了保證中頻輸出信號的質(zhì)量,，DAC的采樣時(shí)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(shí)鐘應(yīng)為280 MHz或更高,。再考慮系統(tǒng)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(shù)據(jù)精度為14 b,，采樣率高達(dá)1 200 MSPS,，采用DDR方式LVDS數(shù)據(jù)接收器，電流型輸出,，內(nèi)置同步控制電路,，適合應(yīng)用在寬帶通信系統(tǒng)中。

由于硬件系統(tǒng)的工作頻率很高,，需要采用高速電路設(shè)計(jì)方法,，需要注意以下幾點(diǎn)：

信號完整性 需要對板級系統(tǒng)進(jìn)行信號完整性仿真，注意阻抗匹配,，減小關(guān)鍵信號線之間的串?dāng)_,，控制數(shù)據(jù)總線之間的延時(shí)；

電源完整性需要對板級系統(tǒng)進(jìn)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,；

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

功耗問題 隨著系統(tǒng)工作頻率的提高，系統(tǒng)的功耗也隨之增加,，需要對關(guān)鍵器件進(jìn)行散熱處理,。

2 軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

軟件系統(tǒng)主要包括芯片配置、數(shù)據(jù)協(xié)議,、基帶數(shù)據(jù)調(diào)制,、內(nèi)插成形濾波以及正交調(diào)制等模塊。芯片配置模塊主要對DAC等芯片進(jìn)行初始化配置,，設(shè)置其工作方式,。數(shù)據(jù)協(xié)議模塊定義了數(shù)據(jù)打包成幀的結(jié)構(gòu)，協(xié)議和調(diào)制方式相對應(yīng),?；鶐?shù)據(jù)調(diào)制模塊包含各種基帶調(diào)制方式的實(shí)現(xiàn)，如 BPSK,，QPSK,，OQPSK,，MSK及BFSK等。內(nèi)插成形濾波模塊負(fù)責(zé)對基帶調(diào)制后的數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插成形濾波,，以滿足系統(tǒng)帶寬和數(shù)據(jù)率的需要。正交調(diào)制模塊主要對I／Q數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字上變頻(DUC)處理,。調(diào)制方式和數(shù)據(jù)協(xié)議的選擇可通過譯碼器來實(shí)現(xiàn),。具體的軟件系統(tǒng)如圖2所示。

信源數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議編碼成幀和串／并轉(zhuǎn)換后送給基帶調(diào)制模塊,，這里初步選用了三種典型協(xié)議(ISOHDLC,，ANSI ADCCP和JBll98．1A-2004)，用戶根據(jù)需要可以自行擴(kuò)充,。ISO HDLC為國際化標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)制定的面向比特規(guī)程的高級數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議(HDLC),。ANSI ADCCP協(xié)議幀的基本結(jié)構(gòu)與ISOHDLC基本相同，主要的區(qū)別在于前者的幀校驗(yàn)序列字段(FCS)的生成多項(xiàng)式為,。  GJ-B1198.1A-2004標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了航天器遙測遙控的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，其遙控?cái)?shù)據(jù)幀包括啟動序列、地址同步字,、方式字,、注入數(shù)據(jù)幀、開關(guān)指令幀,、循環(huán)冗余檢錯(cuò)碼和結(jié)束序列,。

I／Q數(shù)據(jù)在直擴(kuò)模塊中選擇需要擴(kuò)譜與否，擴(kuò)譜所用PN碼為移位寄存器級聯(lián)生成的m序列,，信息數(shù)據(jù)與PN碼直接異或就能實(shí)現(xiàn)擴(kuò)譜,。

對于數(shù)字相位調(diào)制方式(如BPSK，QPSK和OQPSK等),，數(shù)據(jù)經(jīng)過成形和內(nèi)插濾波后再正交調(diào)制到中頻上,，其實(shí)現(xiàn)方式遵循軟件無線電調(diào)制基本理論，如圖3所示,。

為了將信號頻譜限制在一個(gè)合理的范圍內(nèi),，需要對信號進(jìn)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(shè)計(jì)的困難,。其過渡帶平滑，通過引入滾降系數(shù)來改變傳輸信號的成形波形,，可以減小抽樣定時(shí)脈沖誤差所帶來的影響,。基帶信號經(jīng)過成形濾波以后,，在進(jìn)行數(shù)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(jìn)行內(nèi)插，同時(shí)需要濾波器以濾除高頻鏡像,。成形濾波器和內(nèi)插濾波器可以合并為一個(gè)FIR濾波器,，其系數(shù)可由Matlab中的rcosine()函數(shù)生成。濾波器系數(shù)可存儲在FP-GA的ROM中,，使用時(shí)以查找表方式讀出,，由于數(shù)據(jù)為單比特串行輸入，成形內(nèi)插濾波操作僅為濾波器系數(shù)之間的加減運(yùn)算,，無乘法運(yùn)算,。這樣既提高了系統(tǒng)的處理速度，又節(jié)省了乘法器資源,。

從理論上來說,，各種通信信號都可以用正交調(diào)制方法加以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)圖1,，可以寫出時(shí)域表達(dá)式為：

式中：fc為載波頻率,。調(diào)制信號的信息包含在I(t)和Q(t)內(nèi)，各種調(diào)制方式下的I／Q數(shù)據(jù)由基帶數(shù)據(jù)調(diào)制模塊生成,。由于各種調(diào)制信號的都是在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)的,，故在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)時(shí)要對上式進(jìn)行數(shù)字化：

式中：fs為采樣頻率。當(dāng)采樣頻率為載波角頻率的4倍時(shí),，式(2)中cos和sin項(xiàng)變?yōu)?或±1,，可省去混頻乘法器和數(shù)控振蕩器(NCO)，使調(diào)制模塊大為簡化,。

NCO在軟件系統(tǒng)中作用非常重要,，它既可產(chǎn)生混頻用的本振(LO)信號，又可用來輸出FM和FSK調(diào)制信號,。一種常用的實(shí)現(xiàn)NCO的方法是采用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算方法(CORDIC)算法,。CORDIC的基本思想是采用逐次逼近的算法實(shí)現(xiàn)三角函數(shù)的計(jì)算，其優(yōu)點(diǎn)是只進(jìn)行加減運(yùn)算和移位操作,，結(jié)合并行處理和加流水線,，可以實(shí)現(xiàn)每一個(gè)時(shí)鐘周期輸出一個(gè)經(jīng)過n位迭代的結(jié)果。該NCO模塊的基本功能是由相位控制字來產(chǎn)生正弦和余弦分量輸出,。數(shù)據(jù)源控制NCO的相位控制字就可產(chǎn)生FM調(diào)制數(shù)據(jù),。數(shù)據(jù)源控制NCO相位控制字在兩個(gè)常數(shù)頻率中選擇切換，便可產(chǎn)生2FSK調(diào)制數(shù)據(jù),。

3模擬源的指標(biāo)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(shù)字調(diào)制信號,，作為接收機(jī)可顯示調(diào)制信號的各種信息(如時(shí)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(diào)制精度(如EVM,、相位誤差和載波頻率誤差等),。采用89641A對本衛(wèi)星通信模擬源中頻輸出信號進(jìn)行測試，不同調(diào)制方式下的矢量幅度誤差(EVM)如表1所示,?？梢钥闯觯鞣N調(diào)制方式下的EVM指標(biāo)均良好,。目前該信號源已成功應(yīng)用到某衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,，工作正常。

4 結(jié)語
基于軟件無線電構(gòu)架的衛(wèi)星通信模擬源以軟件無線電基本理論為依據(jù),，以FPGA為基本實(shí)現(xiàn)平臺,，具有很強(qiáng)的適用性與兼容性,，無需改動硬件就可按用戶要求進(jìn)行軟件升級,，可靠性高。它既可應(yīng)用于國防軍事上(如軍用衛(wèi)星通信和電子戰(zhàn)系統(tǒng)),，又可應(yīng)用于和平時(shí)期國民生產(chǎn)的各個(gè)方面(如GSM,，衛(wèi)星電視，3G通信等),，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和推廣價(jià)值,，對雷達(dá)通信一體化技術(shù)、衛(wèi)星對抗技術(shù)都具有巨大的推動和發(fā)展作用,，有著良好的社會效益,。