基于软件无线电的卫星通信模拟源的实现

O 引言

通信中普遍采用基带信号对载波波形的某些参量(如振幅、频率以及相位等)进行调制，以满足系统发射和接收的需要。随着现代电子技术的飞速发展，器件工艺越来越先进，器件功能越来越强，实现信号调制的方法也越来越多，实现信号调制的稳定度和可靠性都在不断提高。尤其在卫星通信系统中，信号调制的应用越来越广泛，要求也不断提高。采用现代数字信号处理技术实现的调制方法，各种信号的产生依靠软件操作来确定，同一信号经过数字化后可由不同的软件模块来实现各种调制功能。这使得硬件电路结构变得更加简单，操作更加方便，稳定度更高，可靠性更强。而且结合相应的数字信号处理软件及控制软件可以加载新的调制方式，形成一个通用的数字调制器，能够方便灵活地进行通信调制方式的扩展。

软件无线电是一种基于宽带模数／数模转换器件、高速数字信号处理芯片，以软件为核心(Software-Oriented)的崭新的体系结构。软件无线电技术的发展为卫星通信系统提供了良好的发展基础。由于FPGA具有高度的灵活性和重配置性，其在基于软件无线电的通信系统中应用越来越广泛。该设计是基于软件无线电，采用FPGA实现全数字调制的通用卫星信号源模块，数据协议及调制方式任意可变，可以灵活地应用于各种卫星通信系统中。

1 硬件系统设计

软件无线电技术要求靠近天线的地方尽可能使用宽带的数模／数模转换器，尽早地完成信号的数字化，从而使得无线电台的功能尽可能地用软件来定义和实现。但是由于受宽带天线、高速A／D，D／A及DSP等技术水平的限制，实现一个理想的软件无线电平台的条件目前还不具备。因此，现在对软件无线电的研究一方面集中在上述关键技术的研究上，另一方面更多地是在现有的技术条件下，研究如何最大程度地实现软件无线电所要求的通用性和灵活性，将软件化、通用化的设计思想体现到具体的应用实践中。虽然目前基于软件无线电的直接射频收发系统的实现还有些难度，但基于中频数字信号处理的中频收发技术已相当成熟。本卫星通信模拟源就是采用基于软件无线电的中频发送技术，以高速DAC和高端FPGA为硬件载体，给出了模拟中频信号的输出。系统结构框图如图1所示(完整的发送系统还需要混频器、放大器及天线等，这不在本文的讨论范畴内)，FPGA对数据进行编码调制后再送给DAC，以产生中频输出。

卫星通信模拟数据源既可由FPGA内部产生，也可以由外部送入。为了保证硬件平台的通用性，本卫星通信模拟源系统的外部接口有TTL，422及LVDS等类型，用以满足各种不同的接口需要。FPGA是整个系统的核心器件，为了保证处理速度和逻辑单元的容量，采用Altera公司Str-atixⅡ系列FPGA——EP2S90F1020。EP2S90F1020拥有72 768个寄存器和72 768个算术查找表单元，另有4 Mb存储器单元和384个9 b乘法器，其工作速度快，资源非常丰富，可以在内部进行绝大部分的数字中频处理运算。

为了保证中频输出信号的质量，DAC的采样时钟最好大于等于载波频率的4倍。如载波中频为70 MHz，则DAC的采样时钟应为280 MHz或更高。再考虑系统的可编程性和升级性，采用了Analog Devices公司的超高速DAC——AD9736。AD9736的数据精度为14 b，采样率高达1 200 MSPS，采用DDR方式LVDS数据接收器，电流型输出，内置同步控制电路，适合应用在宽带通信系统中。

由于硬件系统的工作频率很高，需要采用高速电路设计方法，需要注意以下几点：

信号完整性  需要对板级系统进行信号完整性仿真，注意阻抗匹配，减小关键信号线之间的串扰，控制数据总线之间的延时；

电源完整性  需要对板级系统进行电源完整性仿真，增加线和过孔上所能通过最大电流的裕量，通过在合适的位置加去耦电容，以降低电源和地平面上的交流阻抗；

电磁兼容  由于硬件属于模／数混合电路，在布线时需要注意模拟部分和数字部分的隔离，采用独立的模拟电源和数字电源以及模拟地和数字地，特别要注意降低数字部分对模拟部分的干扰；

功耗问题  随着系统工作频率的提高，系统的功耗也随之增加，需要对关键器件进行散热处理。

2 软件系统实现

软件系统主要包括芯片配置、数据协议、基带数据调制、内插成形滤波以及正交调制等模块。芯片配置模块主要对DAC等芯片进行初始化配置，设置其工作方式。数据协议模块定义了数据打包成帧的结构，协议和调制方式相对应。基带数据调制模块包含各种基带调制方式的实现，如BPSK，QPSK，OQPSK，MSK及BFSK等。内插成形滤波模块负责对基带调制后的数据进行内插成形滤波，以满足系统带宽和数据率的需要。正交调制模块主要对I／Q数据进行数字上变频(DUC)处理。调制方式和数据协议的选择可通过译码器来实现。具体的软件系统如图2所示。