用軟件無線電技術實現通用衛(wèi)星測控平臺

關鍵詞：軟件無線電 數字信號處理 調制解調 TMS320C6701

軟件無線電是隨著計算機技術、高速數字處理技術的迅速發(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，將電臺的各種功能盡量在一個開放性、模塊化的平臺上由軟件來確定和實現。該平臺的調制方式、碼速率、載波頻率、指令數據格式、調制碼型等系統(tǒng)工作參數具有完全的可編程性。

傳統(tǒng)的衛(wèi)星測控平臺存在著性能不完善，調制方式、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、智能化的測控平臺，通過注入不同的軟件，實現對調制載頻、調制方式、傳輸碼速率等參數的改變，應用于各種軌道衛(wèi)星平臺的遙測遙控任務。數字信號處理器（DSP）是整個軟件無線電方案的靈魂和核心所在。通用平臺的靈活性、開妻性、通用性等特點主要是通過以數字信號處理器為中心通用硬件平臺及DSP軟件來實現的。經過比較，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時的DSP系統(tǒng)。

圖1 TMS320C6701結構框圖

1 軟件無線電通用平臺的DSP技術

1.1 TMS320C6701 DSP芯片介紹

TMS320C6701是TI公司的高性能DSP芯片，具結構框圖如圖1所示。

TMS320C6701的主要特點為：

*單指令字長為32位，8個指令組成一個指令包，總字長為256位，引腳與TMS320C6201系列的引腳兼容。

*體系結構采用甚長指令字（VLIW）結構；

*硬件支持IEEE標準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位數據，指令集中有位操作指令（包括位域抽取、設置、清除以及位計數、歸一化等）；

*1Mb(位)的片內存儲空間，其中程序存儲空間和數據存儲空間各512Kb；

*32b外部存儲器接口（EMIF），有52MB的外部存儲器尋址能力；

＊四通道自加載DMA協(xié)處理器，可用于數據的DMA傳輸；

*16位宿主機接口（HPI）；

*兩個多通道緩沖串口（McBSPs）；

*兩個32位通用定時器；

＊靈活的鎖相環(huán)路（PLL）時鐘產生器，可以對輸入時鐘進行不同的倍頻處理；

*芯片內部有IEEE1149.1標準邊界掃描仿真器（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時為1.9V)。

1.2 DSP技術在軟件平臺中的應用

每套測控平臺含雙機備份的遙控調制器與遙控解調器，雙機分別由獨立電源供電。系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。調制器與解調器分別通過不同的RS232串口與遙控處理計算機通信，完成對調制解調器的控制及其帶數據的收發(fā)。

用戶在每次任務前通過控制計算機設置調制方式、調制參數及通信連接方式，并調用算法參數生成程序產生調制器和解調器中算法的預置參數，并在設備初始化時以批數據方式從串口送入DSP芯片，經校驗后送Flash ROM中。為保證程序傳送的可靠性，采用IRQ差錯控制方式，DSP每接收一個數據包在存儲的同時向計算機回傳數據信息，計算機一旦發(fā)現數據出錯即轉入重傳方式。參數設置成功后，調制解調器根據協(xié)議發(fā)送和接收遙控指令，并將工作狀態(tài)回送遙控處理計算機，同時在遙控前端機面板上顯示。

1.3 調制器與解調器硬件結構與功能描述

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)時鐘及模式設置模塊、存儲器模塊、系統(tǒng)監(jiān)控模塊、與控制計算機通信模塊、調制輸出模塊、B碼時鐘接收模塊和顯示控制模塊。在解調系統(tǒng)中，除解調輸入模塊、解密接口模塊和顯示控制模塊外，其余模塊均與調制系統(tǒng)一致，如圖3所示。

調制器加電時，DSP首先通過外部存儲器模塊完成自加載。自加載完成后，由DSP主程序對狀態(tài)顯示監(jiān)控模塊進行參數初始化設置。在有調制任務時，首先由控制計算機對DSP進行參數設置（如濾波器參數、調制制式、調制副載頻、調制碼速率等），然后發(fā)調制數據給DSP，由DSP的串行通信口接收數據，在DSP內完成副載頻調制；調制數據經DSP串口發(fā)送給數模塊轉換進行數模轉換，轉換的信號過低通可編程濾波器濾波后輸出。解調器的工作過程與上類似，在檢測到有已調副載波進入A/D通道時，啟動解調模塊進行解調，將解調的數據送到控制計算機。

2 DSP實現信號調制和解調

2.1 信號調制

調制器的設計目標是在可編程的硬件平臺上，通過注入不同的算法或執(zhí)行軟件，實現不同載波頻率、調制方式、傳輸速率和碼型的多制式的通用型調制器。它將以靈活的重構性支持各種通信發(fā)射機的不同需求，更有利于各通信設備的互連互連?？紤]到數字直接合成技術具有數控靈活、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/余弦信號正交性好等特點，我們的設計方案是以DSPs芯片為內核，采用軟件DDS技術，實現高精度、高性能的數字調制器。調制器的總體框圖如圖4所示。

幀分析在設備初始化時完成程序數據的接收、校驗和轉發(fā)（向Flash ROM送）。在正常工作時，從幀數據中分離出調制參數及等調制數據，分別送參數寄存器與數據寄存器。

圖5 BPSK接收總體框圖

在數據格式變換中，完成將輸入的數據分別轉變?yōu)檎{制參數控制字（如相應調制方式下的頻率控制字K、相位控制字φ和副度控制字A）和相應格式的被調制數據，經滾降處理后(對于FSK方式可不用滾降處理)對正弦載波進行調制。

2.2 信號解調

對于BPSK接收，我們采用相干解調方式，如圖5所示。接收信號經帶通采樣得到原始信號序列后，首先與本地產生的正弦序列相混頻，然后經低通濾波除高頻分量，得到其帶信號樣值序列（正弦序列的頻率與相位也由此樣值序列獲得）。再對基帶信號樣值序列進行最佳判決點時刻波形估計，估計值送往均衡器做均衡處理，均衡結構再做0、1判決得到最終的解調數據。解調的關鍵點在于本地載波的同步和符號定時誤差的提取。

ASK(FSK)信號的解調方法可分為相干解調和非相干解調兩類。由于相干解調的抗干擾能力較強，本方案采用相干解調方式。圖6為采用相干解調時，接收端的解調總體方案流程框圖。

接收信號首先經低通濾波器，濾除帶外噪聲（此處的低通濾波器由專用器件設計）。然后經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的相干載波進行解調，主要包括混頻和低通濾波兩過程。解調后的信號經低通濾波器后，恢復出基帶信號?；鶐盘栠M行位定時和碼元判決，得到最終的解調數據。

圖6 ASK/FSK相干解調總體流程框圖

3 結論

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