文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.182818
中文引用格式： 康國棟，薛超，李琳琳，等. 一種基于軟件無線電的衛(wèi)星跟蹤平臺設計[J].電子技術應用，2019，45(2)：50-52，66.
英文引用格式： Kang Guodong，Xue Chao，Li Linlin，et al. Design of satellite tracking platform based on software defined radio[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(2)：50-52，66.
0 引言
軟件無線電(Software Defined Radio，SDR)[1]的基本思想是利用盡可能靠近天線的寬帶A/D和D/A將傳統(tǒng)的模擬信號進行數(shù)字化處理，構造一個通用的可編程硬件平臺并通過加載軟件的方式來實現(xiàn)或改變相應功能[2]。
本文基于軟件無線電技術構造了一個具有開放性、模塊化、可軟件重構的通用衛(wèi)星跟蹤平臺，平臺功能可以進行擴展、升級，并滿足不同衛(wèi)星跟蹤任務的需要。
1 跟蹤平臺組成
本文提出的衛(wèi)星跟蹤平臺的設備組成如圖1所示。衛(wèi)星跟蹤平臺主要由通用計算處理平臺和綜合數(shù)字信號處理板卡組成。
通用計算處理平臺與綜合數(shù)字信號處理板卡具有PCI總線接口，主要完成設備狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)處理以及對平臺硬件的控制，可通過網絡完成與監(jiān)控子系統(tǒng)或操作控制中心的快速信息交換。
綜合數(shù)字信號處理板卡（HXI_2）包括接收通道、發(fā)送通道。根據(jù)信號處理需要占用的硬件端口和FPGA門數(shù)需求量，可以在一臺工控機系統(tǒng)內配置多塊綜合信號處理板卡。
對外連接的接口功能包括：
(1)輸入10 MHz標準頻率源(CLK)；
(2)外部輸入70 MHz中頻信號(單載波、擴頻數(shù)據(jù)、寬帶調制數(shù)據(jù))；
(3)輸出角度誤差直流電壓信號(俯仰、方位)；
(4)輸出AGC控制電壓；
(5)通過以太網口和地面站監(jiān)控連接，完成對參數(shù)的配置及工作狀態(tài)監(jiān)測；
(6)基帶時鐘輸入、時統(tǒng)時鐘輸入(CLK_M、1PPS)；
(7)基帶時鐘輸出(CLK_M)；
(8)邏輯分析儀測試，包括RS422、TTL和LVDS數(shù)據(jù)接口等。
跟蹤平臺接收時統(tǒng)送來的10 MHz和1 PPS信號，用于數(shù)據(jù)解調時鐘基準和對解調處理后的數(shù)據(jù)進行加時標處理。
2 軟硬件功能劃分
跟蹤平臺軟硬件模塊功能如圖2所示。硬件完成對輸入中頻跟蹤信號的濾波、自動增益控制、A/D采樣后送入FPGA進行角度誤差信號的提取。硬件板卡進行信息處理和解調角度誤差，然后通過緩存器傳遞誤差結果給監(jiān)控計算機。監(jiān)控計算機負責顯示當前工作的參數(shù)以及工作方式、工作狀態(tài)，還要將需要配置的參數(shù)寫入到FPGA中，配合硬件板卡完成角度誤差的提取。也可通過網絡將當前工作狀態(tài)發(fā)送給站管分系統(tǒng)以及接收站管分系統(tǒng)發(fā)送過來的控制命令，配置需要設定的參數(shù)。
2.1 跟蹤接收
跟蹤平臺對來自天線的射頻信號經過和/差網絡合成處理并下變頻為70 MHz中頻跟蹤信號后進行A/D采樣。硬件平臺在主機端監(jiān)控軟件的協(xié)同下，利用板上FPGA進行解擴、解調、誤差解算等處理后，通過D/A將解調誤差信號傳送給ACU，通過ACU完成對天線的閉環(huán)角度控制。
2.2 本地頻率
跟蹤平臺的本地工作時鐘為110 MHz，采用倍頻器產生。倍頻器可以鎖定于內部高精度晶振，也可以鎖定于時統(tǒng)設備送來的10 MHz基準頻率。
3 軟件無線電設計
跟蹤平臺的軟件無線電功能主要由綜合數(shù)字信號處理板卡(HXI_2)完成。HXI_2是一款集成大規(guī)模FPGA、高速A/D、上變頻器、高速D/A、基帶I/O、濾波以及自動增益控制的全功能數(shù)字中頻處理平臺，有兩片大容量的FPGA為主處理芯片，可以與高頻或者中頻電路直接接口，并在其上編程實現(xiàn)所需的各種通信處理算法，進而構成一個帶寬可達50 MHz以上的數(shù)字中頻和基帶處理系統(tǒng)。
硬件平臺外形示意圖如圖3所示。
3.1 板卡硬件設計
HXI_2型通用板卡的原理框圖如圖4所示。硬件板卡采用雙路14 bit分辨率、150 MS/s采樣率的ADC進行采集，具有輸入帶通濾波和自動增益控制放大功能；采用4路16 bit分辨率、500 MHz轉換速率的DAC進行上變頻，具有輸出帶通濾波和數(shù)控衰減功能；采用兩片Xilinx Virtex4 FPGA作為軟件重構和加載的核心，可即時配置；采用1 024 MB SDRAM存儲器用于數(shù)據(jù)存儲。
為解決頻率混疊，在對模擬信號進行A/D采樣前，需采用低通濾波器濾除高于1/2采樣頻率的頻率成分。板卡的低通濾波器采用了模塊化設計，其可以根據(jù)具體的頻帶需求定制并且更換；并采用外接隔直電容的辦法省去了低通濾波器內部的隔直電容；同時，并對濾波器外殼進行接地處理，以提高其EMC性能。
3.2 板卡數(shù)字I/O設計
圖5給出了數(shù)字I/O原理框圖。兩片F(xiàn)PGA一共引出下列I/O信號：
(1)ComapctPCI接插件[3]
FPGA1和FPGA2各自引出70條I/O管腳到CPCI接插件J3和J5，其中FPGA1引出到J3，F(xiàn)PGA2到J5。此70條I/O信號在PCB內以差分對形式排布，可提供最多35對雙向LVDS差分信號，或者70條雙向LVTTL單端信號，用于板卡與機箱內的其他板卡或者后插卡進行數(shù)據(jù)傳輸或者控制操作。
(2)前面板同軸電纜
FPGA1和FPGA2各引出3條單端I/O信號到前面板的6個小型同軸電纜插座（MMCX）上。這些信號可以用來作為面向前面板的測試或者同步信號。
(3)擴展插座
HXI_2在靠近前面板左側的位置上定義了一個擴展插座，其上定義了40條I/O信號，一半連接到FPGA1，另一半到FPGA2?？梢灾谱骶哂蠷S422收發(fā)器的擴展卡并將RS422接插件定義到前面板。同時，擴展插座上還定義了10條信號直接連接到CPCI J5，使得擴展板上的電路還可以通過J5與外界通信。
3.3 板卡程序設計
硬件采用可重構的FPGA配置模式，根據(jù)任務的工作模式配置已生成的FPGA 工作文件，完成特定工作模式下的角度誤差提取。基于上述硬件平臺，劃分的硬件平臺可配置模塊文件包括：
(1)信標、殘余載波信號的角度誤差提取可配置模塊文件；
(2)擴頻體制跟蹤信號的角度誤差提取可配置模塊文件；
(3)BPSK、QPSK寬帶數(shù)據(jù)跟蹤信號角度誤差提取可配置模塊文件。
3.4 動態(tài)重構方法
如圖6所示，本文中設計將不同的FPGA配置程序和計算機應用程序保存在計算機中，當系統(tǒng)改變任務時，只需將相應用途的配置程序從計算機文件系統(tǒng)加載到FPGA中，調用相應用途的計算機處理軟件，即完成整個系統(tǒng)的任務轉換。這種動態(tài)可重構方式較非重構的數(shù)字系統(tǒng)具有任務可轉換、設備可復用、配置靈活、運行速度高等特點。在硬件平臺設計上，用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)完成各種信號處理，F(xiàn)PGA的速度高、容量大。
當終端功能和模塊組成確定后，選定電路模塊清單，計算機從電路庫調出電路模塊，然后通過總線對FPGA的運行程序進行下載，從而達到終端設計可重組。
4 結論
本文提出的基于軟件無線電的衛(wèi)星跟蹤平臺已成功應用于某國際出口衛(wèi)星的跟蹤測控。其良好的模塊化設計、可重構的軟件設計，使其在衛(wèi)星測控跟蹤任務[4]中發(fā)揮了良好的作用，可以在衛(wèi)星測控跟蹤領域推廣使用。
參考文獻
[1] MITOLA J.The software radio architecture[J].IEEE Communication Magazine，1995(5)：26-38.
[2] 楊小牛，樓才義，徐建良.軟件無線電原理與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.
[3] IEEE 1101-1-1998，IEEE standard for mechanical core specifications for microcomputers using IEC 60603-2 connectors[S].1998.
[4] 李秉尚.TDRSS、USB系統(tǒng)兼容星載應答機的一種實現(xiàn)方案[J].飛行器測控學報，2001，20(3)：19-23.
作者信息:
康國棟1，薛 超2，李琳琳1，崔玉福1
(1.航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京100094；2.航天恒星衛(wèi)星有限公司，北京100086)