王国东，方 轶，李春萍，陈 龙，高 磊

（上海航天电子技术研究所，上海 201109）

0 引 言

近年来，高速率、多样化、大容量成为卫星数传的主流方向。它将计算机技术和卫星通信技术有机融合在一起，为用户提供了更加丰富和全球化的数据服务[1]。此背景下，卫星高速数据编码、调制、高增益星上天线、大口径地面接收等技术迅速发展。但是，对于一些特殊的卫星数据用户，如接收终端小型化、机动性强、数据速率和容量相对较小、安全性要求高、要求硬件体积小和成本低，不能影响正常的卫星测控功能等，传统的卫星数传设备不能满足需求。本文以体积小、重量轻、成本低以及性能高为设计目标，模拟卫星广播分发的功能，研制了一台模拟星载发射机。这台模拟发射机通过室内有线联调试验、室外无线联调试验以及高塔试验的静态与动态试验，实测指标和优点均符合设计预期。

1 概 述

模拟星载发射机综合运用射频集成电路和数字集成电路技术，采用扩频通信体制结合CCSDS（空间数据系统咨询委员会）标准下信道编码的方法，保证下行链路的高可靠性、强抗干扰性、高隐秘性和低误码率。模拟星载发射机中生成有效的信息数据，然后对数据进行组帧、信道编码、加扰和扩频调制，并加入多普勒频偏模拟后下发给接收终端。其中，信道编码是包含交织码、RS编码和卷积编码的级联码，以提高纠错能力。无线通信中存在多普勒效应，会导致载波频率的偏移[2]。而卫星与接收终端的通信中，两者快速的相对运动会导致接收信号产生较大频偏，又由于载波频率在S频段，多普勒影响更大。因此，模拟下行链路时加入了多普勒频偏模拟。

2 硬件实现方案

模拟星载发射机包括了射频电路和数字中频处理电路，由一块二次电源模块供电，如图1所示。通过调研分析，射频电路的方案中使用了ADI公司的AD9364作为集成芯片。AD9364集成了放大器、上变频、滤波器、频综和DA等功能模块，功能十分强大，且可以进行参数配置，非常灵活；体积小，仅为10 mm×10 mm×1.7 mm，符合模拟星载发射机设计体积小的要求[3]。该芯片各指标均能够满足本模拟星载发射机的性能要求。射频电路主要完成上变频、滤波、DAC及功率放大的功能。

图1 星载模拟发射机电路组成

数字中频处理电路由FPGA、FLASH、时钟晶振、线性稳压器和阻容件组成。FPGA实现数据处理发送功能包括生成目标位置信息，然后对数据进行组帧、信道编码、加扰、扩频调制以及多普勒频偏模拟功能；FLASH存储FPGA的配置文件；时钟晶振为FPGA提供工作时钟；线性稳压器提供FPGA、FLASH和时钟晶振所需的工作电压。

生产星载模拟发射机时，运用微组装、MEMS和裸芯片等新工艺、新技术进行集成设计以缩小体积，外壳采用铝进一步减轻了发射机的重量，且散热性好。

3 数据流处理过程

星载模拟发射机完整的数据处理过程为：上电后，固化在IP核ROM中的有效信息会依次送出到组帧模块组帧并完成组帧，然后数据依次进入RS编码模块、加扰模块和卷积模块，编码后输出的数据再进行扩频调制和多普勒频偏模拟后输出给后端设备。整个数据流的处理过程，如图2所示。

图2 星载模拟发射机的信道编码流程

3.1 帧格式设计方案

星载模拟发射机数据帧格式选择CCSDS标准中的物理信道访问单元（Channel Access Data Unit，CADU）格式[4]，如图3所示。有效信息数据放在位流协议数据单元（Bitstream Protocol Data Unit）中，有256位，其他均为填充位。32位帧头SYNC不进行交织和RS编码，也不加扰。

图3 星载模拟发射机数据帧格式

3.2 信道编码方案

星载模拟发射机的信道编码方案是符合CCSDS标准的级联码编码方案。外码采用纠突发错误能力很强的RS编码，内码采用纠随机错误能力很强的卷积码[5]，而交织器用于分散可能突发的编码错误，进一步提升级联码的纠错能力。交织与RS编码具体实现如图4所示，输入数据以8 bit为单位，依次通过编码器1、编码器2到编码器I，输出也依次从编码器1、编码器2到编码器I取出8 bit编码后的数据。本文采用的级联码技术指标如表1所示。

图4 交织深度为I的RS编码

表1 级联码技术指标

4 多普勒频偏模拟方案

4.1 多普勒模拟设计需求

本文设计的多普勒频偏模拟扫描形式有正弦波和三角波变化，如图5、图6所示，具体指标如表2所示。星载模拟发射机具备切换多普勒模拟扫描形式的能力，可以随时通过多普勒控制端切换为无多普勒模拟模式、正弦波多普勒模拟以及三角波多普勒模拟。

图5 正弦波规律变化的多普勒

图6 三角波规律变化的多普勒

表2 多普勒频偏模拟技术指标

4.2 多普勒模拟原理

信号传播过程同时存在伪码多普勒和载波多普勒，且伪码多普勒、载波多普勒与伪码速率、载波频率成比例关系：

基于芯片AD9364的星载模拟发射机扩频调制流程，如图7所示。FPGA内部通过映射以匹配AD9364的输入要求。FPGA与专用调制芯片的接口包括两路的数据接口，原始设计将伪码扩频后的数据流进行映射输出，针对载波多普勒模拟的需求，通过在FPGA内部进行数字调制，再通过专用调制芯片进行载波调制来实现。

图7 星载模拟发射机多普勒模拟的方法

原扩频调制形式为[6]：

模拟载波多普勒即在原有信号上加上对应多普勒的相位旋转，即：

在FPGA产生对应多普勒相位的正余弦值，并在扩频调制信后端加上乘法及加法处理，以完成相位旋转。上述分析是针对IQ正交调制，对于单路下行数据，只需乘以一个余弦量即可实现单路的载波多普勒模拟。

4.3 实现方案

下面以正弦波多普勒模拟的扫描形式为例。图8中，G为多普勒变化范围控制字，为多普勒变化范围：

取最大值75 kHz，fclk为工作时钟，取60 MHz；N=32为精度控制字。根据式（4），可算出G为5368709，16进制数为“51EB85”。

对式（4）微分，可得多普勒变化率f˙：

此时N=48可以获得更高的精度，得出Y信号的频率控制字0f应为50976，16进制数为“C720”。根据计算的载波多普勒计算伪码多普勒，调整伪码生成时钟，以模拟伪码多普勒。

按照上述方案编写FPGA程序，仿真输出如图9所示。图9中，多普勒频偏模拟的扫描形式为正弦波模式。将输出的数据存入文本文件，并设计对输出的数据解扩、解多普勒以及解码的matlab程序，解码结果与编码前的发送的帧数据一致。

图9 仿真波形

5 测试和联调试验情况

图10 地测设备解码结果

为了验证设计的正确性，生产了一套星载模拟发射机，并将FPGA程序烧录到星载模拟发射机的FLASH中，利用地测设备解出的帧数据和编码前一致，如图10所示。有线联调试验、室外无线联调试验以及高塔试验的静态与动态试验。室内有线联调试验是指通过射频电缆直接连接发射机和接收机，以直接验证设计的正确性。室外无线连调是指将发射机依次连接功放和天线，接收机也连接天线，进一步验证设计的正确性。高塔的试验如图11所示，发射端与接收端距离2 km，静态试验发射机固定不动，接收机也固定。动态试验时，发射机依然固定，但接收机放置在一辆汽车上匀速行驶，与发射机的最大直线距离不超过4 km。以上试验中，星载模拟发射机均正常工作，多普勒频偏模拟模式切换正常，接收机实测误码率小于10-6。以上试验验证了下行链路在有多普勒频偏情况下也能正确建立和保持。

图11 高塔试验

星载模拟发射机与另一套地面接收机进行室内

6 结 语

本文设计的小型化星载模拟发射机在生产过程中始终贯彻体积小、重量轻、成本低和性能高的目标。发射机实测重量不到400 g，体积仅为100 mm×160 mm×20 mm，满足了体积小和重量轻的要求，且装机的所有元器件成本较低。通过交织、RS编码以及卷积码的方式，保证了较强的纠错能力；利用扩频调制，具有可靠性好、抗扰性强的优点。此外，具有多普勒频偏模拟功能，验证了卫星广播分发的下行链路在较高相对速度下的稳定性。发射机也通过了测试和联调试验，实测指标和特点均符合设计要求。

[1] 李立,郑小松,黄普明．卫星高速数据处理与传输技术的发展趋势[C].2011年小卫星技术交流会论文集,2011:340-344.LI Li,ZHENG Xiao-song,HUANG Pu-ming.Development Trend If On-borad High-ratedata Processing and Transmission Technology[C].Proceedings of 2011 Small Satellite Technology Exchange Conference,2011:340-344.

[2] 张鑫,李彩华,黄仰博.基于混合时钟三阶DDS的信号多普勒模拟方法[J].国防科技大学学报,2014,36(02):134-139.ZHANG Xi,LI Cai-hua,HUANG Yang-bo.Mixed-clock Third-order DDS Applied in Signal Doppler Frequency Shift Simulation[J].Journal of National University if Defense Technology,2014,36(02):134-139.

[3] Analog Devices,Inc. AD9364 Data Sheet[Z].2013.

[4] CCSDS 131.0-B-3.TM Synchronization and Channel Coding:Blue Book[S].2017.

[5] 赵文景,李新付.RS+卷积级联码抗脉冲干扰性能研究[J].通信对抗,2016,35(04):26-29.ZHAO Wen-jing,LI Xin-fu.Study on Pulse Interference Rejection Performanceof Convolutional-RS Concatenated Code[J].Communication Countermeasur es,2016,35(04):26-29.

[6] 田日才，迟永刚.扩频通信[M]. 北京：清华大学出版社，2007 TIAN Ri-cai,CHI Yong-gang.Spread Spectrum Communication[M].Beijing:Tsinghua University,2007.