用軟件無線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)通用衛(wèi)星測(cè)控平臺(tái)

摘要：軟件無線電技術(shù)正日益廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代通信的各個(gè)領(lǐng)域。本文介紹以高速DSP芯片為核心實(shí)現(xiàn)通用的衛(wèi)星測(cè)控平臺(tái)。該通用平臺(tái)的調(diào)制方式、碼速率、載波頻率、指令數(shù)據(jù)格式、調(diào)制碼型等工作參數(shù)具有完全的可編程性。

軟件無線電是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、高速數(shù)字處理技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的，其基本思想就是將寬帶A/D/A變換器盡可能地靠近天線，將電臺(tái)的各種功能盡量在一個(gè)開放性、模塊化的平臺(tái)上由軟件來確定和實(shí)現(xiàn)。該平臺(tái)的調(diào)制方式、碼速率、載波頻率、指令數(shù)據(jù)格式、調(diào)制碼型等系統(tǒng)工作參數(shù)具有完全的可編程性。

傳統(tǒng)的衛(wèi)星測(cè)控平臺(tái)存在著性能不完善，調(diào)制方式、副載波、碼速率組態(tài)不靈活，體積偏大等問題。研制和開發(fā)通用化、綜合化、智能化的測(cè)控平臺(tái)，通過注入不同的軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)制載頻、調(diào)制方式、傳輸碼速率等參數(shù)的改變，應(yīng)用于各種軌道衛(wèi)星平臺(tái)的遙測(cè)遙控任務(wù)。數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）是整個(gè)軟件無線電方案的靈魂和核心所在。通用平臺(tái)的靈活性、開妻性、通用性等特點(diǎn)主要是通過以數(shù)字信號(hào)處理器為中心通用硬件平臺(tái)及DSP軟件來實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)過比較，我們采用TI公司的TMS320C6000系列DSP芯片和匹配的外圍芯片形成一套實(shí)時(shí)的DSP系統(tǒng)。

圖1 TMS320C6701結(jié)構(gòu)框圖

1 軟件無線電通用平臺(tái)的DSP技術(shù)

1.1 TMS320C6701 DSP芯片介紹

TMS320C6701是TI公司的高性能DSP芯片，具結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

TMS320C6701的主要特點(diǎn)為：

*單指令字長(zhǎng)為32位，8個(gè)指令組成一個(gè)指令包，總字長(zhǎng)為256位，引腳與TMS320C6201系列的引腳兼容。

*體系結(jié)構(gòu)采用甚長(zhǎng)指令字（VLIW）結(jié)構(gòu)；

*硬件支持IEEE標(biāo)準(zhǔn)的單精度和雙精度指令集，支持字節(jié)尋址獲得8位/16位/32位數(shù)據(jù)，指令集中有位操作指令（包括位域抽取、設(shè)置、清除以及位計(jì)數(shù)、歸一化等）；

*1Mb(位)的片內(nèi)存儲(chǔ)空間，其中程序存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間各512Kb；

*32b外部存儲(chǔ)器接口（EMIF），有52MB的外部存儲(chǔ)器尋址能力；

＊四通道自加載DMA協(xié)處理器，可用于數(shù)據(jù)的DMA傳輸；

*16位宿主機(jī)接口（HPI）；

*兩個(gè)多通道緩沖串口（McBSPs）；

*兩個(gè)32位通用定時(shí)器；

＊靈活的鎖相環(huán)路（PLL）時(shí)鐘產(chǎn)生器，可以對(duì)輸入時(shí)鐘進(jìn)行不同的倍頻處理；

*芯片內(nèi)部有IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)邊界掃描仿真器（JTAG），可用于芯片的自檢和開發(fā)；

*芯片共352腳采用BGA封裝，以獲得好的高頻電氣性能，并使芯片尺寸變??；

*采用0.18μm工藝，則五層金屬組成，輸入輸出接口電壓為3.3V，核心電壓1.8V(167MHz時(shí)為1.9V)。

1.2 DSP技術(shù)在軟件平臺(tái)中的應(yīng)用

每套測(cè)控平臺(tái)含雙機(jī)備份的遙控調(diào)制器與遙控解調(diào)器，雙機(jī)分別由獨(dú)立電源供電。系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。調(diào)制器與解調(diào)器分別通過不同的RS232串口與遙控處理計(jì)算機(jī)通信，完成對(duì)調(diào)制解調(diào)器的控制及其帶數(shù)據(jù)的收發(fā)。

    用戶在每次任務(wù)前通過控制計(jì)算機(jī)設(shè)置調(diào)制方式、調(diào)制參數(shù)及通信連接方式，并調(diào)用算法參數(shù)生成程序產(chǎn)生調(diào)制器和解調(diào)器中算法的預(yù)置參數(shù)，并在設(shè)備初始化時(shí)以批數(shù)據(jù)方式從串口送入DSP芯片，經(jīng)校驗(yàn)后送Flash ROM中。為保證程序傳送的可靠性，采用IRQ差錯(cuò)控制方式，DSP每接收一個(gè)數(shù)據(jù)包在存儲(chǔ)的同時(shí)向計(jì)算機(jī)回傳數(shù)據(jù)信息，計(jì)算機(jī)一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)出錯(cuò)即轉(zhuǎn)入重傳方式。參數(shù)設(shè)置成功后，調(diào)制解調(diào)器根據(jù)協(xié)議發(fā)送和接收遙控指令，并將工作狀態(tài)回送遙控處理計(jì)算機(jī)，同時(shí)在遙控前端機(jī)面板上顯示。

1.3 調(diào)制器與解調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)與功能描述

硬件系統(tǒng)以DSP為核心，外圍電路主要由下述模塊組成：電源模塊、系統(tǒng)時(shí)鐘及模式設(shè)置模塊、存儲(chǔ)器模塊、系統(tǒng)監(jiān)控模塊、與控制計(jì)算機(jī)通信模塊、調(diào)制輸出模塊、B碼時(shí)鐘接收模塊和顯示控制模塊。在解調(diào)系統(tǒng)中，除解調(diào)輸入模塊、解密接口模塊和顯示控制模塊外，其余模塊均與調(diào)制系統(tǒng)一致，如圖3所示。

    調(diào)制器加電時(shí)，DSP首先通過外部存儲(chǔ)器模塊完成自加載。自加載完成后，由DSP主程序?qū)顟B(tài)顯示監(jiān)控模塊進(jìn)行參數(shù)初始化設(shè)置。在有調(diào)制任務(wù)時(shí)，首先由控制計(jì)算機(jī)對(duì)DSP進(jìn)行參數(shù)設(shè)置（如濾波器參數(shù)、調(diào)制制式、調(diào)制副載頻、調(diào)制碼速率等），然后發(fā)調(diào)制數(shù)據(jù)給DSP，由DSP的串行通信口接收數(shù)據(jù)，在DSP內(nèi)完成副載頻調(diào)制；調(diào)制數(shù)據(jù)經(jīng)DSP串口發(fā)送給數(shù)模塊轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的信號(hào)過低通可編程濾波器濾波后輸出。解調(diào)器的工作過程與上類似，在檢測(cè)到有已調(diào)副載波進(jìn)入A/D通道時(shí)，啟動(dòng)解調(diào)模塊進(jìn)行解調(diào)，將解調(diào)的數(shù)據(jù)送到控制計(jì)算機(jī)。

2 DSP實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制和解調(diào)

2.1 信號(hào)調(diào)制

調(diào)制器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在可編程的硬件平臺(tái)上，通過注入不同的算法或執(zhí)行軟件，實(shí)現(xiàn)不同載波頻率、調(diào)制方式、傳輸速率和碼型的多制式的通用型調(diào)制器。它將以靈活的重構(gòu)性支持各種通信發(fā)射機(jī)的不同需求，更有利于各通信設(shè)備的互連互連?？紤]到數(shù)字直接合成技術(shù)具有數(shù)控靈活、頻率分辨率高、頻率切換快、相位可連續(xù)線性變化、覆蓋帶寬大、生成的正弦/余弦信號(hào)正交性好等特點(diǎn)，我們的設(shè)計(jì)方案是以DSPs芯片為內(nèi)核，采用軟件DDS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度、高性能的數(shù)字調(diào)制器。調(diào)制器的總體框圖如圖4所示。

幀分析在設(shè)備初始化時(shí)完成程序數(shù)據(jù)的接收、校驗(yàn)和轉(zhuǎn)發(fā)（向Flash ROM送）。在正常工作時(shí)，從幀數(shù)據(jù)中分離出調(diào)制參數(shù)及等調(diào)制數(shù)據(jù)，分別送參數(shù)寄存器與數(shù)據(jù)寄存器。

圖5 BPSK接收總體框圖

在數(shù)據(jù)格式變換中，完成將輸入的數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)制參數(shù)控制字（如相應(yīng)調(diào)制方式下的頻率控制字K、相位控制字φ和副度控制字A）和相應(yīng)格式的被調(diào)制數(shù)據(jù)，經(jīng)滾降處理后(對(duì)于FSK方式可不用滾降處理)對(duì)正弦載波進(jìn)行調(diào)制。

2.2 信號(hào)解調(diào)

對(duì)于BPSK接收，我們采用相干解調(diào)方式，如圖5所示。接收信號(hào)經(jīng)帶通采樣得到原始信號(hào)序列后，首先與本地產(chǎn)生的正弦序列相混頻，然后經(jīng)低通濾波除高頻分量，得到其帶信號(hào)樣值序列（正弦序列的頻率與相位也由此樣值序列獲得）。再對(duì)基帶信號(hào)樣值序列進(jìn)行最佳判決點(diǎn)時(shí)刻波形估計(jì)，估計(jì)值送往均衡器做均衡處理，均衡結(jié)構(gòu)再做0、1判決得到最終的解調(diào)數(shù)據(jù)。解調(diào)的關(guān)鍵點(diǎn)在于本地載波的同步和符號(hào)定時(shí)誤差的提取。

ASK(FSK)信號(hào)的解調(diào)方法可分為相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩類。由于相干解調(diào)的抗干擾能力較強(qiáng)，本方案采用相干解調(diào)方式。圖6為采用相干解調(diào)時(shí)，接收端的解調(diào)總體方案流程框圖。

    接收信號(hào)首先經(jīng)低通濾波器，濾除帶外噪聲（此處的低通濾波器由專用器件設(shè)計(jì)）。然后經(jīng)A/D變換，得到樣值序列，按照工作的不同階段，分兩路分別與本地相應(yīng)的相干載波進(jìn)行解調(diào)，主要包括混頻和低通濾波兩過程。解調(diào)后的信號(hào)經(jīng)低通濾波器后，恢復(fù)出基帶信號(hào)?；鶐盘?hào)進(jìn)行位定時(shí)和碼元判決，得到最終的解調(diào)數(shù)據(jù)。

圖6 ASK/FSK相干解調(diào)總體流程框圖

3 結(jié)論

軟件無線電通用測(cè)控平臺(tái)是衛(wèi)星測(cè)控平臺(tái)發(fā)展的方向，可以很好地解決原來平臺(tái)開發(fā)成本高、周期長(zhǎng)、通用性差的問題。以新一代DSP芯片TMS320C6000作為軟件無線電平臺(tái)的核心，可以很好地滿足需要，且有較大的冗余度，利用升級(jí)。