用软件无线电技术实现通用卫星测控平台

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用软件无线电技术实现通用卫星测控平台

摘要：软件无线电技术正日益广泛地应用于现代通信的各个领域。本文介绍以高速DSP芯片为核心实现通用的卫星测控平台。该通用平台的调制方式、码速率、载波频率、指令数据格式、调制码型等工作参数具有完全的可编程性。
软件无线电是随着计算机技术、高速数字处理技术的迅速发展而发展起来的，其基本思想就是将宽带A/D/A变换器尽可能地靠近天线，将电台的各种功能尽量在一个开放性、模块化的平台上由软件来确定和实现。该平台的调制方式、码速率、载波频率、指令数据格式、调制码型等系统工作参数具有完全的可编程性。
传统的卫星测控平台存在着性能不完善，调制方式、副载波、码速率组态不灵活，体积偏大等问题。研制和开发通用化、综合化、智能化的测控平台，通过注入不同的软件，实现对调制载频、调制方式、传输码速率等参数的改变，应用于各种轨道卫星平台的遥测遥控任务。数字信号处理器（DSP）是整个软件无线电方案的灵魂和核心所在。通用平台的灵活性、开妻性、通用性等特点主要是通过以数字信号处理器为中心通用硬件平台及DSP软件来实现的。经过比较，我们采用TI公司的TMS320C6000系列DSP芯片和匹配的外围芯片形成一套实时的DSP系统。

图1 TMS320C6701结构框图
1 软件无线电通用平台的DSP技术
1.1 TMS320C6701 DSP芯片介绍
TMS320C6701是TI公司的高性能DSP芯片，具结构框图如图1所示。
TMS320C6701的主要特点为：
*单指令字长为32位，8个指令组成一个指令包，总字长为256位，引脚与TMS320C6201系列的引脚兼容。
*体系结构采用甚长指令字（VLIW）结构；
*硬件支持IEEE标准的单精度和双精度指令集，支持字节寻址获得8位/16位/32位数据，指令集中有位操作指令（包括位域抽取、设置、清除以及位计数、归一化等）；
*1Mb(位)的片内存储空间，其中程序存储空间和数据存储空间各512Kb；
*32b外部存储器接口（EMIF），有52MB的外部存储器寻址能力；
＊四通道自加载DMA协处理器，可用于数据的DMA传输；
*16位宿主机接口（HPI）；
*两个多通道缓冲串口（McBSPs）；
*两个32位通用定时器；
＊灵活的锁相环路（PLL）时钟产生器，可以对输入时钟进行不同的倍频处理；
*芯片内部有IEEE1149.1标准边界扫描仿真器（JTAG），可用于芯片的自检和开发；
*芯片共352脚采用BGA封装，以获得好的高频电气性能，并使芯片尺寸变小；
*采用0.18μm工艺，则五层金属组成，输入输出接口电压为3.3V，核心电压1.8V(167MHz时为1.9V)。
1.2 DSP技术在软件平台中的应用
每套测控平台含双机备份的遥控调制器与遥控解调器，双机分别由独立电源供电。系统总体框图如图2所示。调制器与解调器分别通过不同的RS232串口与遥控处理计算机通信，完成对调制解调器的控制及其带数据的收发。

    用户在每次任务前通过控制计算机设置调制方式、调制参数及通信连接方式，并调用算法参数生成程序产生调制器和解调器中算法的预置参数，并在设备初始化时以批数据方式从串口送入DSP芯片，经校验后送Flash ROM中。为保证程序传送的可靠性，采用IRQ差错控制方式，DSP每接收一个数据包在存储的同时向计算机回传数据信息，计算机一旦发现数据出错即转入重传方式。参数设置成功后，调制解调器根据协议发送和接收遥控指令，并将工作状态回送遥控处理计算机，同时在遥控前端机面板上显示。
1.3 调制器与解调器硬件结构与功能描述
硬件系统以DSP为核心，外围电路主要由下述模块组成：电源模块、系统时钟及模式设置模块、存储器模块、系统监控模块、与控制计算机通信模块、调制输出模块、B码时钟接收模块和显示控制模块。在解调系统中，除解调输入模块、解密接口模块和显示控制模块外，其余模块均与调制系统一致，如图3所示。

    调制器加电时，DSP首先通过外部存储器模块完成自加载。自加载完成后，由DSP主程序对状态显示监控模块进行参数初始化设置。在有调制任务时，首先由控制计算机对DSP进行参数设置（如滤波器参数、调制制式、调制副载频、调制码速率等），然后发调制数据给DSP，由DSP的串行通信口接收数据，在DSP内完成副载频调制；调制数据经DSP串口发送给数模块转换进行数模转换，转换的信号过低通可编程滤波器滤波后输出。解调器的工作过程与上类似，在检测到有已调副载波进入A/D通道时，启动解调模块进行解调，将解调的数据送到控制计算机。
2 DSP实现信号调制和解调
2.1 信号调制
调制器的设计目标是在可编程的硬件平台上，通过注入不同的算法或执行软件，实现不同载波频率、调制方式、传输速率和码型的多制式的通用型调制器。它将以灵活的重构性支持各种通信发射机的不同需求，更有利于各通信设备的互连互连。考虑到数字直接合成技术具有数控灵活、频率分辨率高、频率切换快、相位可连续线性变化、覆盖带宽大、生成的正弦/余弦信号正交性好等特点，我们的设计方案是以DSPs芯片为内核，采用软件DDS技术，实现高精度、高性能的数字调制器。调制器的总体框图如图4所示。
帧分析在设备初始化时完成程序数据的接收、校验和转发（向Flash ROM送）。在正常工作时，从帧数据中分离出调制参数及等调制数据，分别送参数寄存器与数据寄存器。

图5 BPSK接收总体框图
在数据格式变换中，完成将输入的数据分别转变为调制参数控制字（如相应调制方式下的频率控制字K、相位控制字φ和副度控制字A）和相应格式的被调制数据，经滚降处理后(对于FSK方式可不用滚降处理)对正弦载波进行调制。
2.2 信号解调
对于BPSK接收，我们采用相干解调方式，如图5所示。接收信号经带通采样得到原始信号序列后，首先与本地产生的正弦序列相混频，然后经低通滤波除高频分量，得到其带信号样值序列（正弦序列的频率与相位也由此样值序列获得）。再对基带信号样值序列进行最佳判决点时刻波形估计，估计值送往均衡器做均衡处理，均衡结构再做0、1判决得到最终的解调数据。解调的关键点在于本地载波的同步和符号定时误差的提取。
ASK(FSK)信号的解调方法可分为相干解调和非相干解调两类。由于相干解调的抗干扰能力较强，本方案采用相干解调方式。图6为采用相干解调时，接收端的解调总体方案流程框图。

    接收信号首先经低通滤波器，滤除带外噪声（此处的低通滤波器由专用器件设计）。然后经A/D变换，得到样值序列，按照工作的不同阶段，分两路分别与本地相应的相干载波进行解调，主要包括混频和低通滤波两过程。解调后的信号经低通滤波器后，恢复出基带信号。基带信号进行位定时和码元判决，得到最终的解调数据。

图6 ASK/FSK相干解调总体流程框图
3 结论
软件无线电通用测控平台是卫星测控平台发展的方向，可以很好地解决原来平台开发成本高、周期长、通用性差的问题。以新一代DSP芯片TMS320C6000作为软件无线电平台的核心，可以很好地满足需要，且有较大的冗余度，利用升级。