《电子技术应用》
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一种基于软件无线电的卫星跟踪平台设计
2019年电子技术应用第2期
康国栋1,薛 超2,李琳琳1,崔玉福1
1.航天东方红卫星有限公司,北京100094;2.航天恒星卫星有限公司,北京100086
摘要: 提出了一种基于软件无线电技术的卫星跟踪平台设计,构造了一个具有开放性、模块化、可软件重构的通用平台。与非重构的平台相比,该平台的动态可重构设计具有任务可转换、设备可复用、配置灵活、运行速度高等特点。平台功能可以进行扩展、升级,以满足不同卫星跟踪任务的需要。
中图分类号: TN919
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.182818
中文引用格式: 康国栋,薛超,李琳琳,等. 一种基于软件无线电的卫星跟踪平台设计[J].电子技术应用,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.
Design of satellite tracking platform based on software defined radio
Kang Guodong1,Xue Chao2,Li Linlin1,Cui Yufu1
1.DFH Satellite Co.,Ltd.,Beijing 100094,China;2.Aerospace Star Co.,Ltd.,Beijing 100086,China
Abstract: This paper proposes a kind of design for satellite tracking platform which is based on software defined radio(SDR) technology and constructed with several properties such as open, modularization, code refactoring, etc. Compared with those platforms without code refactoring, the function of dynamic code refactoring in this platform behaves some characters of task switching, equipment reusability, configuration flexibility, high-speed. This platform can update and extend its function to meet different requirements for satellite tracking tasks.
Key words : software defined radios(SDR);satellite tracking platform;code refactoring

0 引言

    软件无线电(Software Defined Radio,SDR)[1]的基本思想是利用尽可能靠近天线的宽带A/D和D/A将传统的模拟信号进行数字化处理,构造一个通用的可编程硬件平台并通过加载软件的方式来实现或改变相应功能[2]

    本文基于软件无线电技术构造了一个具有开放性、模块化、可软件重构的通用卫星跟踪平台,平台功能可以进行扩展、升级,并满足不同卫星跟踪任务的需要。

1 跟踪平台组成

    本文提出的卫星跟踪平台的设备组成如图1所示。卫星跟踪平台主要由通用计算处理平台和综合数字信号处理板卡组成。

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    通用计算处理平台与综合数字信号处理板卡具有PCI总线接口,主要完成设备状态监视、数据处理以及对平台硬件的控制,可通过网络完成与监控子系统或操作控制中心的快速信息交换。

    综合数字信号处理板卡(HXI_2)包括接收通道、发送通道。根据信号处理需要占用的硬件端口和FPGA门数需求量,可以在一台工控机系统内配置多块综合信号处理板卡。

    对外连接的接口功能包括:

    (1)输入10 MHz标准频率源(CLK);

    (2)外部输入70 MHz中频信号(单载波、扩频数据、宽带调制数据);

    (3)输出角度误差直流电压信号(俯仰、方位);

    (4)输出AGC控制电压;

    (5)通过以太网口和地面站监控连接,完成对参数的配置及工作状态监测;

    (6)基带时钟输入、时统时钟输入(CLK_M、1PPS);

    (7)基带时钟输出(CLK_M);

    (8)逻辑分析仪测试,包括RS422、TTL和LVDS数据接口等。

    跟踪平台接收时统送来的10 MHz和1 PPS信号,用于数据解调时钟基准和对解调处理后的数据进行加时标处理。

2 软硬件功能划分

    跟踪平台软硬件模块功能如图2所示。硬件完成对输入中频跟踪信号的滤波、自动增益控制、A/D采样后送入FPGA进行角度误差信号的提取。硬件板卡进行信息处理和解调角度误差,然后通过缓存器传递误差结果给监控计算机。监控计算机负责显示当前工作的参数以及工作方式、工作状态,还要将需要配置的参数写入到FPGA中,配合硬件板卡完成角度误差的提取。也可通过网络将当前工作状态发送给站管分系统以及接收站管分系统发送过来的控制命令,配置需要设定的参数。

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2.1 跟踪接收

    跟踪平台对来自天线的射频信号经过和/差网络合成处理并下变频为70 MHz中频跟踪信号后进行A/D采样。硬件平台在主机端监控软件的协同下,利用板上FPGA进行解扩、解调、误差解算等处理后,通过D/A将解调误差信号传送给ACU,通过ACU完成对天线的闭环角度控制。

2.2 本地频率

    跟踪平台的本地工作时钟为110 MHz,采用倍频器产生。倍频器可以锁定于内部高精度晶振,也可以锁定于时统设备送来的10 MHz基准频率。

3 软件无线电设计

    跟踪平台的软件无线电功能主要由综合数字信号处理板卡(HXI_2)完成。HXI_2是一款集成大规模FPGA、高速A/D、上变频器、高速D/A、基带I/O、滤波以及自动增益控制的全功能数字中频处理平台,有两片大容量的FPGA为主处理芯片,可以与高频或者中频电路直接接口,并在其上编程实现所需的各种通信处理算法,进而构成一个带宽可达50 MHz以上的数字中频和基带处理系统。

    硬件平台外形示意图如图3所示。

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3.1 板卡硬件设计

    HXI_2型通用板卡的原理框图如图4所示。硬件板卡采用双路14 bit分辨率、150 MS/s采样率的ADC进行采集,具有输入带通滤波和自动增益控制放大功能;采用4路16 bit分辨率、500 MHz转换速率的DAC进行上变频,具有输出带通滤波和数控衰减功能;采用两片Xilinx Virtex4 FPGA作为软件重构和加载的核心,可即时配置;采用1 024 MB SDRAM存储器用于数据存储。

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    为解决频率混叠,在对模拟信号进行A/D采样前,需采用低通滤波器滤除高于1/2采样频率的频率成分。板卡的低通滤波器采用了模块化设计,其可以根据具体的频带需求定制并且更换;并采用外接隔直电容的办法省去了低通滤波器内部的隔直电容;同时,并对滤波器外壳进行接地处理,以提高其EMC性能。

3.2 板卡数字I/O设计

    图5给出了数字I/O原理框图。两片FPGA一共引出下列I/O信号:

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    (1)ComapctPCI接插件[3]

    FPGA1和FPGA2各自引出70条I/O管脚到CPCI接插件J3和J5,其中FPGA1引出到J3,FPGA2到J5。此70条I/O信号在PCB内以差分对形式排布,可提供最多35对双向LVDS差分信号,或者70条双向LVTTL单端信号,用于板卡与机箱内的其他板卡或者后插卡进行数据传输或者控制操作。

    (2)前面板同轴电缆

    FPGA1和FPGA2各引出3条单端I/O信号到前面板的6个小型同轴电缆插座(MMCX)上。这些信号可以用来作为面向前面板的测试或者同步信号。

    (3)扩展插座

    HXI_2在靠近前面板左侧的位置上定义了一个扩展插座,其上定义了40条I/O信号,一半连接到FPGA1,另一半到FPGA2。可以制作具有RS422收发器的扩展卡并将RS422接插件定义到前面板。同时,扩展插座上还定义了10条信号直接连接到CPCI J5,使得扩展板上的电路还可以通过J5与外界通信。

3.3 板卡程序设计

    硬件采用可重构的FPGA配置模式,根据任务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误差提取。基于上述硬件平台,划分的硬件平台可配置模块文件包括:

    (1)信标、残余载波信号的角度误差提取可配置模块文件;

    (2)扩频体制跟踪信号的角度误差提取可配置模块文件;

    (3)BPSK、QPSK宽带数据跟踪信号角度误差提取可配置模块文件。

3.4 动态重构方法

    如图6所示,本文中设计将不同的FPGA配置程序和计算机应用程序保存在计算机中,当系统改变任务时,只需将相应用途的配置程序从计算机文件系统加载到FPGA中,调用相应用途的计算机处理软件,即完成整个系统的任务转换。这种动态可重构方式较非重构的数字系统具有任务可转换、设备可复用、配置灵活、运行速度高等特点。在硬件平台设计上,用现场可编程门阵列(FPGA)完成各种信号处理,FPGA的速度高、容量大。

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    当终端功能和模块组成确定后,选定电路模块清单,计算机从电路库调出电路模块,然后通过总线对FPGA的运行程序进行下载,从而达到终端设计可重组。

4 结论

    本文提出的基于软件无线电的卫星跟踪平台已成功应用于某国际出口卫星的跟踪测控。其良好的模块化设计、可重构的软件设计,使其在卫星测控跟踪任务[4]中发挥了良好的作用,可以在卫星测控跟踪领域推广使用。

参考文献

[1] MITOLA J.The software radio architecture[J].IEEE Communication Magazine,1995(5):26-38.

[2] 杨小牛,楼才义,徐建良.软件无线电原理与应用[M].北京:电子工业出版社,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系统兼容星载应答机的一种实现方案[J].飞行器测控学报,2001,20(3):19-23.



作者信息:

康国栋1,薛  超2,李琳琳1,崔玉福1

(1.航天东方红卫星有限公司,北京100094;2.航天恒星卫星有限公司,北京100086)