软件无线电在小卫星多功能地面站中的应用

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1、软件无线电在小卫星多功能地面站中的应用

2、第1摘要：介绍一个SDRSoftal>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

3、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ＸｉｌｉｎｘＶｉｒｔｅｘＩＩ芯片中。对于窄带信号还有扰码（ＣＣＩＴＴＶ．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

4、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

5、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

6、时，采用ＤＡ（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅＡｌｇｏｒｉｔｈｍ）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

7、构如图２所示。实验结果表明这样做并不影响性能。图319.2kbps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

8、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