tsliur4111
软件无线电在小卫星多功能地面站中的应用 摘要：介绍一个SDR Software Defined Radio 多功能地面站发射系统的设计与实现。 关键词：SDR 地面站 数字上变频器 Inverse-SINC预补偿滤波 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 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。 图1 FPGA发射机功能模块图 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。 表1 各信道滤波器指标 滤波器性能要求 2kbps窄带收信机在f0±80kHz外，杂散小于50dBc；谐波（二、三次）小于40dB4kbps窄带发信机在f0±10kHz外，杂散小于50dBc；谐波（二、三次）小于40dB4kbps扩展发信机在f0±25MHz外，杂散小于50dBc；谐波（二、三次）小于40dBc 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。 图3 2kbps窄带内插滤波器频率响应 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19．2kb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。 
科学家对敌方卫星的跟踪研究开启了人类探索未知地球的新篇章——卫星导航。六十年风云变幻，各国政治、军事、科技力量争相竞逐，以GPS、北斗、格洛纳斯、伽利略为代表的卫星定位系统各显神通，而以CAPS为代表的新兴系统亦为这个家族增添了智慧的血液。无边的大海、无垠的沙漠之于人类不再是浩瀚无边的迷宫，精准打击、无人驾驶，这些一个世纪前的科幻故事在卫星定位系统的帮助下成为人类活生生的现实……卫星定位，苍天有眼！图片来源网络卫星定位缘起及原理1957年美国约翰霍普金斯大学科学家William和Gorge在对苏联卫星进行跟踪研究时发现了这样一个现象，那就是这颗卫星的频率出现了偏移，经研究发现是相对运动引起的多普勒频移效应。威廉和乔治发现，如果在地面上架设多部接收机，就可以根据接收到的信号的不同频差推算出这个卫星的具体位置，他们很高兴地把这个研究成果告诉了实验室主任弗兰克，说他们已经实现了对苏联卫星的多普勒定位跟踪。弗兰克教授当时在做海军的一项研究，研究内容是五角大楼如何知道茫茫大海中军舰的具体位置，听到两位科学家的汇报后他眼前一亮，既然你们能够发现卫星在哪里，如果把问题反过来，卫星就能发现你们在哪里，海军军舰定位的问题迎刃而解，GPS（Global Positioning System，全球定位系统）系统就此启动！理论上，一束电波从A点射向B点，用时t秒，假设光速为c，则t与c之积t*c便是A、B两点间的距离，没错，这就是卫星定位的基本原理。然而实际中，由于大气密度不均、电离层干扰等原因，使得单点定位往往存在较大的误差，所以在工程实际中，人们通常用多颗卫星发射信号，对一点进行定位测量，这样做的目的在于通过构建方程组消除误差。卫星定位系统的应用首先，卫星定位系统最直接的作用在于测量，即测量地球上任意一点的经纬度，故而定位、导航则是其首要用途。人们在野外探测、航海中，卫星定位系统相对于指南针罗盘，定位效果更精确可靠，例如发生海难时，救援船只可以通过卫星定位系统提供的精确的经纬数据找到遇险船只。同时，精确的定位给了现代军事以针对目标精确打击的可能性，2004年，以色列先后采用精确打击技术消灭了哈马斯连续两任精神领袖——亚辛和兰提斯，精确打击技术使得战争对目标以外的物体所造成的伤害最小化。其次，授时，即提供精确时间，亦是卫星定位系统的重要应用，原因在于导航卫星内部的高精度原子钟，这种原子钟可以精确到什么水平呢？现有GPS导航卫星的铯原子钟能把8000万年的误差控制在1秒内！高精度的时间服务为金融系统、电力系统、以及军事提供了有效保障。图片来源网络四足鼎立的格局从威廉、乔治以及弗兰克的灵光闪现到今天，人类卫星导航发展到今天已有整整六十载，除有效服务民用之外，其军事、以及国家战略价值更是使得卫星定位系统成为主要国家布局之重器。目前，除美国的GPS之外，欧洲的伽利略系统，俄罗斯的格洛纳斯系统，以及中国的北斗系统亦扮演者举足轻重的作用，卫星定位领域四巨头鼎立格局基本形成。值得一提的是，从2000年第一颗卫星发射至今，中国已发射23颗北斗卫星。服务领域涵盖交通、海运、气象等民用及军事领域，同时相比其他三大系统，北斗在段报文通信、定位等方面优势显著。目前，系统服务范围已延伸至东南亚，随着系统的不断完善以及中国“一带一路”战略的实施，相信北斗系统将会在更大范围承载中国的大国影响力。CAPS——天文学家的神来之笔2002年的初冬，一道灵光打破了著名太阳物理学家、时任中国科学院国家天文台台长艾国祥院士原本按部就班的工作：如果能利用太空退役卫星的转发器作为一面“镜子”，从地面发射电波信号，则同样能实现对地面坐标的定位导航！而同时被这道灵光打破的是此后世界卫星定位系统的格局，CAPS（中国区域卫星定位系统）应运而生。CAPS系统的创新之处在于“双重节约”：第一，人类既能避免单独发射成本高昂导航卫星，又能实现导航信号的发射；第二，退役通信卫星以导航卫星的身份继续服役，是“废物再利用”，亦节省了至为宝贵的空间轨道资源。十多年的发展至今，在艾国祥院士以及其他中国天文学家的共同努力下，CAPS系统已经做到了对中国区域的全境覆盖，同时亦不断将覆盖面积向外延伸，该系统目前作为中国卫星定位系统的重要组成部分，在军事科技领域发挥着重要作用。更为重要的是，这个天文学家的神来之笔给了卫星定位领域一个全新的灵感，未来卫星定位系统的成本或将极大降低，同时珍贵的太空资源或将进一步得到充分利用。展望未来六十年风云变幻，几代精英前赴后继，科学家的灵感已然凝结成浩瀚的系统，服务于普通人的生活，例如我们使用的百度地图等位置服务应用便是基于卫星定位。而从产业的角度，单北斗一个系统，到2020年产值便可突破4000亿人民币。更优良的位置服务、多系统的融合、与人工智能的结合将是未来卫星定位系统等发展方向，同时，系统应用将向农业、金融等领域进一步拓宽。此外，以CAPS为代表的新兴系统将为这个高大上的领域带来进一步的成本降低，使得卫星定位技术真正亲民的服务于民！编辑：赵翠 鲁凡英（专家：余宜珂，中国科学院国家天文台、华中科技大学博士，科普中国微平台原创首发）
GPS是Globle Positioning System的缩写，意思为全球定位系统，它是由美国政府历经20多年，耗资120亿美金而实施的一项庞大的宇宙及航天工程。该系统可以在全球范围内全天候地为地面目标提供信息，从而确定该目标在地面上的精确位置、速度、运行方面等参数。 GPS定位人造卫生是由飞行在地面上空26560公里高度的24颗人造卫星所组成，每颗卫星大约12小时绕球一周，共分成6个轨道面，呈55度的斜角，涵盖三个地球表面。每颗卫星都连续不断地向地球发射数字信号，在地面的GPS用户通过同时接收4颗以上卫星信号来计算出自己在地球上的位置（经、纬度和高度）、速度和运行。 GPS系统提供P码和C／A码两种定位服务，P码提供精确定位服务，专门为军方使用，C／A码提供标准定位服务，供给航海、车辆导航等非军事用途。对于民用定位服务，系统提供的定位精度为25米，不过当加上人为干扰时（美国政府的SA政策），其定位精度变为100米。现在，人们越来越意识到GPS作用的重大及其应用领域的广阔，除军事应用外，它已被广泛应用于航天、航空、航海、测量、勒探等诸多领域，随着GPS接收板价格的不断下降和其性能的不断提高，GPS系统在汽车防盗上的应用越来越普遍，当汽车被盗时，GPS系统可不断提供被盗车辆的位置，从而配合警方快速出警，打击犯罪。例如：目前效力于意大利国际米兰队的世界著名球星罗纳尔多，在里约热内卢度假时驾驶自己心爱的宝马车遭到五名手持武器的劫匪打劫，幸运的是，罗纳尔多的宝马车装有卫星定位系统，不出1小时，被抢走的车就物归原主了。 正如专家所预言的那样，GPS将改变汽车防盗行业的经营方式，它将是继计算机革命之后的又一场革命。 GPS适合用于：车载GPS系统，GPS系统，出租车GPS，物流GPS，汽车GPS，汽车全球定位，汽车防盗，GPS防盗，车载GSM，汽车位置服务，运钞车GPS，公交车队GPS，车载GPS，导航GPS，110联动GPS，公安巡逻GPS，120急救GPS，119火警GPS，中国移动GSM网络汽车锁，GSM汽车防盗汽器，报警器，防盗报警器，防盗器，防盗报警，防盗系统，防盗产品，家用防盗报警器，汽车单、双向报警器，家庭防盗系统，楼宇对讲，倒车雷达，汽车定位，摩托车防盗器，电动车防盗器，移动/联通GSM新业务，GPS导航，GPS汽车定位，GPS防盗器，GPS导航仪全球定位，GPS-GPRS-GSM全球卫星定位
汗 这种专业论文 只能你自己研究了 我们不是专业啊！
