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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。 
随着新世纪的到来，科学技术的迅猛发展，已经引起社会经济结构和生活方式的重大变化。改革开放以来，我国测绘行业逐步实现了从模拟法向数字测绘体系的转变，并与遥感、空间定位和地理信息相结合，奠定了传统的测绘行业向信息产业发展的基础。传统的测绘产业应抓住机遇，以高新技术为依托，实现传统的测绘生产向数字化生产的转变，进而为建立数字化规模生产、并最终形成数字化生产基地打下良好的基础。1 测绘技术的发展方向及测绘行业的产业特征1 测绘技术应属于信息技术传统的测绘技术领域包括大地测量技术、航空摄影测量技术、工程测量技术、地图制图与制印技术、海洋测绘技术以及测绘仪器制造技术等。当代测绘高科技主要是空间定位技术、航空和卫星遥感技术、地面一体化测量技术和地理信息技术，以及与之相配套的通信技术和系统技术而带来的上述技术的集成。它是以研究地理信息为主要目的，其研究内容主要包括对地理信息的几何物理性质的探讨，研究地理信息的度量方法，研究地理信息如何产生、提取、变换、检测、传递、存贮、识别和处理，以及研究如何表达和应用地理信息等这些均属于当代信息科学的研究内容。凡是用信息科学的原理和方法与信息打交道的技术均应称为信息技术。因此，我们有理由认为测绘技术应该属于信息技术范畴。测绘技术的现代化发展方向要以信息技术为发展方向，这就是当前测绘科技的发展战略。2 测绘行业属于信息产业范畴测绘行业应该属于第三产业中的信息产业范畴。因为，一是测绘业务的基本内容都是为地理信息的获取、处理、表达等提供服务;二是测绘产品具有知识性和决策依据属性的信息产品;三是测绘技术在很大程度上属于信息技术范畴;四是测绘产品具有价值和使用价值(即测绘商品的商品属性)。因此，测绘生产应该是一种以信息产品的交换为目的的特殊商品生产。测绘行业属于第三产业的信息产业这不仅是理论上的划分问题，而是在市场经济的条件下，在实践中应当把它真正作为一种产业来经营。3 测绘工作重点向开辟信息市场转移随着市场经济的发展，国家政治经济体制改革的不断深入，测绘生产管理方式从生产事业型向生产经营型转变。测绘生产单位承担指令性任务的比重逐步缩小，而计划外的开发性任务将大量增加，城乡建设与规划国土的全面规划与整治、资源的调查与开发、环境监测与保护等对测绘技术和测绘产品提出更迫切的要求，这些因素必将导致测绘市场的活跃。测绘市场包括测绘信息市场和测绘技术市场两个方面。测绘信息市场侧重于测绘信息产品在社会和经济领域内的交换和流通，测绘技术市场侧重于直接利用测绘技术进行有偿服务。可以预见，今后用户需要测绘市场提供的不仅是线划图产品，还要有影像产品;不仅是模拟产品，还要有数字产品、专题产品、硬件产品、软科学服务、动态信息等，都需要测绘行业自己去开拓。2 测绘单位应采取的对策1 测绘单位要理顺产业结构测绘高科技的发展，打破了测绘行业的传统分工。地理信息产业应当摆脱经典测绘的组织和结构模式，寻找更好的优化组合与分工，应按地理信息产业的特点，形成从数据采集加工、建库、产品提供、维护一体化的产业体系，成立能快速生产、提供地理信息数据的部门。当前，在测绘科技高速发展的同时，与其许多相关专业集成向地理信息产业发展。要发展GPS、RS和GIS(简称3S)技术，需要跨部门、跨行业的联合，关起门来发展等于孤立自己。要学会在既联合又竞争的环境中求发展的机遇和技巧。2 引进和培养能够适应信息产业需要的人才要发展信息产业，必须要有高科技的人才。传统的测绘行业分为大地测量、工程测量、摄影测量、地图制图和地图制印等专业。高科技的发展冲破了传统的分工，由于各类测绘高科技系统数字化、自动化、智能化程度高，很多操作可作为“傻瓜”式的操作。学会按键操作比较容易，如GPS接收机，只需花1~2小时即可学会操作，但要解决GPS数据中出现的问题，就需要一定的理论水平和研究水平。也就是说操作越来越简单，而解决关键问题却越来越复杂。在引进和培养人才中，注意研究人才和实用人才的合理搭配，使人才的结构能够最大限度地发挥效能。就专业而言，主要引进和培养“3 S”及其集成的人才。与此同时，还要注意人才的知识和技能的及时更新。3 测绘行业的主要技术政策测绘高科技的发展，信息产业的迅速崛起，导致测绘行业摆脱经典的测绘产业的组织和结构模式，但今后在一定的时间段内，测绘新技术体系不可能完全替代测绘生产中的常规技术体系，即常规测绘技术仍将在测绘生产中占有一席之地。因此，测绘单位和测绘科技工作者必须把解决关键技术问题和常规测绘技术的改造放在主要地位，要在常规技术和新技术之间，建立起一种适合本单位实际的过渡体系。实现测绘生产从模拟向数字化的转变，不仅仅是将模拟图转换为数字图，而是实现基础地理信息从采集、存贮、管理到产品输出整个流程作业方式的改变，这种改变是系统的、整体的。所以，测绘单位必须进行总体规划、分步实施，作为一个系统工程全面加以实现。当前，测绘单位首先要全面完成常规测绘技术向数字化和自动化方向过渡的技术改造。1 组建基础地理信息系统建立1∶500~1∶10 000各种比例尺地形图、地籍测量、地下管线测量等需要的机助成图系统，应有数据库、图形库编辑功能，能够和野外观测电子手簿实现接口。只有这样，才能在新一轮的更新基本图中，全面实现航测数字化成图(局部地区不排除全野外数字成图)，并建立全站仪、电子手簿在野外直接对数字地图进行修测(大面积集中修测亦可采用航测数字修测)，使数字化成图一体化。各类工程图施测，建筑工程、水利工程放样，市政工程的定线以及各种工程的竣工测量等均应采用内外业一体化系统，其数据格式应与基础地理信息数据库接轨。2 建立部门网络，实现资源共享盘片管理方法无法满足信息存贮、使用的要求，同时为避免出现磁盘数据损坏、数据丢失、新老版本数据混淆现象，应在生产管理部门、数字化内业生产部门、图档管理部门之间建成计算机网络，通过计算机图档管理系统实现数字化内业生产调图、归档到最终打印的自动化。为有利于生产方式从采集到管理的转换，应考虑建立本单位的局域网，实现各生产部门、生产管理部门、检查验收部门、图档管理部门之间的计算机网络互联，使各部门作业以数据流的方式进行运转。3 推广GPS定位技术的应用应用GPS定位技术为城市及各重点工程项目建立各等级的控制网和精密工程控制网，重点掌握静态相对定位原理、布网原则、精度要求和作业技术方法。学会网型的设计、仪器检验方法、外业数据采集和内业数据处理、坐标转换、平差计算等问题的处理。在城市规划管理、市政管理、交通管理、环境保护、灾害监测、气象学、土地管理等城市管理方面，GPS都有着良好的应用前景和市场机遇。随着全球信息化浪潮和我国国民经济信息化的召唤，空间技术和计算机技术的迅猛发展，传统的测绘技术体系正在向以“3 S”技术为特征的现代测绘技术体系转变，测绘行业也正逐步向现代地理信息产业过渡和转化。我们应当贯彻“加强测绘工作，发展地理信息产业”的精神，立足现在，展望21世纪，携手并进，共创地理信息产业的未来。
