基于DSP及FPGA器件实现软件无线电多信道发射机系统的设计
作者：漆庄平 ， 李国通 ， 杨根庆
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
从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xilinx virtexii芯片中｡
2 fpga部分功能模块
2.1 fifo模块
fifo完成数据缓存功能｡为了节省不必要的资源，设计了一个长度为32､深度为2的fifo｡即当一个寄存器32位取完时发出中断给dsp，同时读､写寄存器指针变换，dsp响应中断向fifo写数，此时数据还在不断地读出｡这样就实现了用最少的资源实现数据缓存｡
2.2 信道编码
在实际信道上传输数字信号时，由于信道传输特性不理想及加性噪声的影响，所收到的数字信号不可避免地会发生错误｡采用信道编码可以将误码率降低｡本系统主要采用性能较优的卷积编码和差分编码等｡
对于窄带信号还有扰码（ccitt v.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｡
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实现时，采用da（distribute algorithm）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，其结构如图2所示｡实验结果表明这样做并不影响性能｡
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｡
2.3.3 信道复接
三路信道分别完成数字上变频后经过一个加法器变为一路信号送至dac，这样只需要一个rf模块就可完成发射功能｡如图5给出了发射机信道复接后的频谱｡
2.4 inverse-sinc预补偿滤波器
inverse-sinc预补偿滤波器用于补偿发射时由dac采样保持工作导致的频率响应的失真｡该偏差在21.85mhz时为-1.142db｡为了达到性能最优化，采用频率采样的方法设计了一个11阶的补偿滤波器，该滤波器频率响应如图6所示｡
为了分析发射机的性能，用矢量信号分析仪画出各信道的星座图与眼图｡图7所示为窄带19.2kbps信道的星座图与眼图，其性能可以满足多功能地面站的要求｡
本文采用了软件无线电技术｡实现卫星地面站，具有很大的灵活性及现实意义｡根据“创新一号”小卫星对多功能地面站的研制要求，自行开发了一个软件无线电多信道发射机系统，具有功能强､功耗低､体积小､灵活性大等特点，极大地方便了用户｡
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1 系统构成
从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xilinx virtexii芯片中｡
2 fpga部分功能模块
2.1 fifo模块
fifo完成数据缓存功能｡为了节省不必要的资源，设计了一个长度为32､深度为2的fifo｡即当一个寄存器32位取完时发出中断给dsp，同时读､写寄存器指针变换，dsp响应中断向fifo写数，此时数据还在不断地读出｡这样就实现了用最少的资源实现数据缓存｡
2.2 信道编码
在实际信道上传输数字信号时，由于信道传输特性不理想及加性噪声的影响，所收到的数字信号不可避免地会发生错误｡采用信道编码可以将误码率降低｡本系统主要采用性能较优的卷积编码和差分编码等｡
对于窄带信号还有扰码（ccitt v.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｡
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实现时，采用da（distribute algorithm）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，其结构如图2所示｡实验结果表明这样做并不影响性能｡
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