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(diào)制，以滿足系統(tǒng)發(fā)射和接收的需要。隨著現(xiàn)代電子技術的飛速發(fā)展，器件工藝越來越先進，器件功能越來越強，實現(xiàn)信號調(diào)制的方法也越來越多，實現(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)字信號處理技術實現(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。而且結(jié)合相應的數(shù)字信號處理軟件及控制軟件可以加載新的調(diào)制方式，形成一個通用的數(shù)字調(diào)制器，能夠方便靈活地進行通信調(diào)制方式的擴展。

　　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（Software-Oriented）的嶄新的體系結(jié)構(gòu)。軟件無線電技術的發(fā)展為衛(wèi)星通信系統(tǒng)提供了良好的發(fā)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(tǒng)中應用越來越廣泛。該設計是基于軟件無線電，采用FPGA實現(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，可以靈活地應用于各種衛(wèi)星通信系統(tǒng)中。

　　軟件無線電的基本思想是以一個通用、標準、模塊化的硬件平臺為依托，通過軟件編程來實現(xiàn)無線電臺的各種功能，從基于硬件、面向用途的電臺設計方法中解放出來。功能的軟件化實現(xiàn)勢力要求減少功能單一、靈活性差的硬件電路，尤其是減少模擬環(huán)節(jié)，把數(shù)字化處理（A/D和D/A變換）盡量靠近天線。軟件無線電強調(diào)體系結(jié)構(gòu)的開放性和全面可編程性，通過軟件更新改變硬件配置結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)新的功能。軟件無線電采用標準的、高性能的開放式總線結(jié)構(gòu)，以利于硬件模塊的不斷升級和擴展。

　　　　1 硬件系統(tǒng)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(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現(xiàn)。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(xiàn)一個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鍵技術的研究上，另一方面更多地是在現(xiàn)有的技術條件下，研究如何地實現(xiàn)軟件無線電所要求的通用性和靈活性，將軟件化、通用化的設計思想體現(xiàn)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(fā)系統(tǒng)的實現(xiàn)還有些難度，但基于中頻數(shù)字信號處理的中頻收發(fā)技術已相當成熟。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，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是整個系統(tǒng)的器件，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(nèi)部進行絕大部分的數(shù)字中頻處理運算。

　　FPGA即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路領域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。FPGA采用了邏輯單元陣列LCA這樣一個概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB,輸出輸入模塊IOB和內(nèi)部連線三個部分。 現(xiàn)場可編程門陣列是可編程器件。與傳統(tǒng)邏輯電路和門陣列相比，F(xiàn)PGA具有不同的結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA利用小型查找表來實現(xiàn)組合邏輯，每個查找表連接到一個D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅(qū)動其他邏輯電路或驅(qū)動I/O，由此構(gòu)成了即可實現(xiàn)組合邏輯功能又可實現(xiàn)時序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊。FPGA的邏輯是通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲單元加載編程數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的，存儲在存儲器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及個模塊之間或模塊與I/O間的連接方式，并終決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯(lián)接方式，并終決定了FPGA所能實現(xiàn)的功能， FPGA允許無限次的編程。

　　1.1  由于硬件系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)總線之間的延時；

　　電源完整性需要對板級系統(tǒng)進行電源完整性仿真，增加線和過孔上所能通過電流的裕量，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，在布線時需要注意模擬部分和數(shù)字部分的隔離，采用獨立的模擬電源和數(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，需要對關鍵器件進行散熱處理。

　　2 軟件系統(tǒng)實現(xiàn)

　　軟件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)（Software Systems）是指由系統(tǒng)軟件、支撐軟件和應用軟件組成的計算機軟件系統(tǒng)，它是計算機系統(tǒng)中由軟件組成的部分。它包括操作系統(tǒng)、語言處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、分布式軟件系統(tǒng)和人機交互系統(tǒng)等。語言處理系統(tǒng)的功能是各種軟件語言的處理程序，它把用戶用軟件語言書寫的各種源程序轉(zhuǎn)換成為可為計算機識別和運行的目標程序，從而獲得預期結(jié)果。其主要研究內(nèi)容包括：語言的翻譯技術和翻譯程序的構(gòu)造方法與工具，此外，它還涉及正文編輯技術、連接編輯技術和裝入技術等。 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的主要功能包括數(shù)據(jù)庫的定義和操縱、共享數(shù)據(jù)的并發(fā)控制、數(shù)據(jù)的安全和保密等。按數(shù)據(jù)定義模塊劃分，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可分為關系數(shù)據(jù)庫、層次數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫。按控制方式劃分，可分為集中式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和并行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)庫設計、數(shù)據(jù)模式、數(shù)據(jù)定義和操作語言、關系數(shù)據(jù)庫理論、數(shù)據(jù)完整性和相容性、數(shù)據(jù)庫恢復與容錯、死鎖控制和防止、數(shù)據(jù)安全性等。

　　分布式軟件系統(tǒng)的功能是管理分布式計算機系統(tǒng)資源和控制分布式程序的運行，提供分布式程序設計語言和工具，提供分布式文件系統(tǒng)管理和分布式數(shù)據(jù)庫管理關系等。分布式軟件系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容包括分布式操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡操作系統(tǒng)、分布式程序設計、分布式文件系統(tǒng)和分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。 人機交互系統(tǒng)的主要功能是在人和計算機之間提供一個友善的人機接口。其主要研究內(nèi)容包括人機交互原理、人機接口分析及規(guī)約、認知復雜性理論、數(shù)據(jù)輸入、顯示和檢索接口、計算機控制接口等。

　　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等芯片進行初始化配置，設置其工作方式。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?；鶐?shù)據(jù)調(diào)制模塊包含各種基帶調(diào)制方式的實現(xiàn)，如 BPSK，QPSK，OQPSK，MSK及BFSK等。內(nèi)插成形濾波模塊負責對基帶調(diào)制后的數(shù)據(jù)進行內(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)需要可以自行擴充。ISO HDLC為國際化標準組織（ISO）制定的面向比特規(guī)程的數(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序列字段（FCS）的生成多項式為。  GJ-B1198.1A-2004標準規(guī)定了航天器遙測遙控的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其遙控數(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、開關指令幀、循環(huán)冗余檢錯碼和結(jié)束序列。

　　I／Q數(shù)據(jù)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(lián)生成的m序列，信息數(shù)據(jù)與PN碼直接異或就能實現(xiàn)擴譜。

　　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合理的范圍內(nèi)，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(shù)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?；鶐盘柦?jīng)過成形濾波以后，在進行數(shù)字上變頻之前，為了提高信號的采樣速率，需要對輸入信號進行內(nèi)插，同時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)之間的加減運算，無乘法運算。這樣既提高了系統(tǒng)的處理速度，又節(jié)省了乘法器資源。

    傅立葉變換實際上是一種正交空間變換，以exp(-jwt)為基，如果學過線性代數(shù)空間正交基的概念就知道了，把時域信號變成另外一個線性空間的信號，這個線性空間就是頻域。

　　故時域和頻域是一個信號在兩種不同正交基下面的表現(xiàn)而已，相互有對應關系。時域信號的三個自由度可以認為是X,Y,T,其中T代表時間，頻域信號的三個自由度可以認為是X,Y,W,其中W代表頻率。coswt在頻域表現(xiàn)為只有實部，故相位是0或180度， sinwt在頻域表現(xiàn)為只有虛部，故相位是正負90度。物理學家說另外一個宇宙空間可能有一個相反的你，信號處理學家可以說，在頻域空間上也有一個變形的你，本質(zhì)是一樣的。

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

　　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)時要對上式進行數(shù)字化：

　　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?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（頻移鍵控是利用載波的頻率變化來傳遞數(shù)字信息。它是利用基帶數(shù)字信號離散取值特點去鍵控載波頻率以傳遞信息的一種數(shù)字調(diào)制技術。FSK（Frequency-shift keying）是信息傳輸中使用得較早的一種調(diào)制方式，它的主要優(yōu)點是： 實現(xiàn)起來較容易，抗噪聲與抗衰減的性能較好。在中低速數(shù)據(jù)傳輸中得到了廣泛的應用）。一種常用的實現(xiàn)NCO的方法是采用坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算方法（CORDIC）算法。CORDIC的基本思想是采用逐次逼近的算法實現(xiàn)三角函數(shù)的計算，其優(yōu)點是只進行加減運算和移位操作，結(jié)合并行處理和加流水線，可以實現(xiàn)每一個時鐘周期輸出一個經(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，作為接收機可顯示調(diào)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(diào)制（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行測試，不同調(diào)制方式下的矢量幅度誤差（EVM）如表1所示。可以看出，各種調(diào)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(wèi)星通信系統(tǒng)中，工作正常。

　　4 結(jié)束語

　　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為基本實現(xiàn)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(wèi)星通信和電子戰(zhàn)系統(tǒng)），又可應用于和平時期國民生產(chǎn)的各個方面（如GSM，衛(wèi)星電視，3G通信等），具有很大的經(jīng)濟效益和推廣價值，對雷達通信一體化技術、衛(wèi)星對抗技術都具有巨大的推動和發(fā)展作用，有著良好的社會效益。