卫星手持站的实现方案研究

2011-10-26段小龙许光飞解放军理工大学通信工程学院江苏南京210007

中国科技信息 2011年10期

关键词：基带嵌入式射频

段小龙许光飞解放军理工大学通信工程学院，江苏南京 210007

卫星手持站的实现方案研究

段小龙许光飞解放军理工大学通信工程学院，江苏南京 210007

分析了卫星手持站的实现原理及设计难点，提出了手持站的软硬件实现方案，给出了手持站硬件实现的主要芯片选型以及软件实现的具体体系结构，为卫星手持站的设计实现提供了有效的参考。

卫星手持站；软硬件；实现方案

引言

随着数字化战场技术的发展和信息化战争理论的不断深入研究，卫星手持式终端作为数字化战场数字通信系统的重要组成部分，其重要性得到了国内外的一致认同。外国、外军尤其是一些军事强国非常重视对手持式终端的研究，已进行了大量的研究和开发，并且得到了很好的应用和发展。

由于卫星通信系统受地面环境影响小，对通信距离不敏感，对大范围快速移动通信的支持能力强，覆盖范围广，所以在现代战争环境卫星通信的重要性日益突出。如美军近年的几次局部战争的通信畅通无一不依赖于其庞大的卫星群的保障能力。我国手持卫星站的发展还相对比较落后，因此研究卫星手持站的具体实现方案具有重要的意义。有平台上调整或增加功能往往需要对整个接收机做很大的改动甚至重新设计，因此扩展、升级显得极不灵活。软件无线电概念的一经提出，就引起了全世界无线通信领域的广泛关注，并成为未来无线通信技术的发展方向。其中心思想是：软件无线电作为一个系统，是将宽带A/D变换尽可能地靠近射频天线，即尽可能早地将接收到的模拟信号数字化，并在体系结构上构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，最大限度地将各种功能用软件来完成，以实现具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。通过运行不同的算法，软件无线电可以实时地配置信号波形，使其能够灵活实现各种工作频段、调制解调方式、信道编译码方式、话音和数据处理、加密模式、通信协议等无线电通信功能。

理想的软件无线电是直接对整个感兴趣的信号进行宽带数字化，但在目前硬件技术条件下，软件无线电接收机主要是基于中频带通采样数字化结构的接收机，即在采样前将射频信号通过一级或几级变频，将其变为标准的中频信号，以适应A/D转换的需要，然后进行中频数字化和相应的后端数字处理。

对手持卫星地球站的设计，为了使硬件平台具有更强的通用性，便于软件的灵活升级、扩展，基带信号处理单元直接对与射频接口的收、发中频信号进行数字化处理，通过软、硬件编程实现终端的各种功能。其硬件体系结构图2所示，基带单元的主要芯片选型如表1所示。

1.卫星手持站的实现原理及设计难点

卫星手持站主要由天线单元，射频单元，基带处理单元以及电源组成。其模块构成框图如图1所示。

天线单元通过馈线与射频单元相连，发射信号时将射频单元输出的射频信号以电磁波形式辐射出去；接收信号时，将相应的电磁波信号转化为电信号，送至射频单元。

射频单元主要实现模拟信号和数字信号之间的转化以及对信号功率和频率的转变和调整。在发送状态时，射频单元从基带接收低中频信号，经过变频、放大等处理后向天线单元发送较大功率的射频信号；在接收状态时，射频单元从天线单元接收小功率的射频信号，经过放大、变频处理，输出低中频信号到基带处理单元；同时，射频单元还接收控制中心的信道控制指令、网络控制指令以及接收和发送的转换控制指令等，并和基带信号处理单元进行一些参数和状态的交互。

基带信号处理单元主要实现信号处理和系统控制的功能，其主要由信号处理芯片和CPU芯片组成，加上DAC，ADC完成数字信号和模拟信号的转换，显示和键盘完成信息、控制指令以及终端工作状态的输入输出，语音接口完成语音信号的输入输出，保密模块完成信息加密解密，以及其他的辅助扩展接口实现扩展功能。CPU负责整个手持终端的运行、控制和管理，信号处理芯片实现信息比特流与中频信号之间的相互转化。基带信号处理单元是整个手持终端的核心，直接决定了整个系统的性能，是设计的重点难点。

电源负责整个系统的供电。

手持卫星地球站的设计重点及难点包括：

天线单元设计方案。手持卫星地球站天线工作频率范围很大，在每一频段天线都需要满足宽波束、较高增益等指标，同时作为手持终端，天线尺寸受限；

射频通道的一体化。射频单元中，信号频率多并且高，模拟成分多，必须保证频率之间不产生互调和其他干扰，并要求通道具有高的灵敏度、较强的选择性和很大的动态范围；

硬件平台和软件体系结构。手持卫星地球站可通过不同的信号样式工作，硬件平台和信号处理方案必须兼顾各种工作模式，软件结构应适合软、硬件及功能的扩展和更新，系统应具有良好的灵活性和开放性；

小型化及低功耗设计。作为手持设备，必须考虑整个终端的体积大小和功耗，这就对手持卫星地球站的方案设计提出了更高的要求。

图1 手持卫星地球站功能模块构成框图

图2 手持卫星地球站基带处理单元的硬件体系结构图

2.卫星手持站的硬件方案设计

2.1 基带单元的一体化硬件平台设计方案及主要芯片选型

传统的通信终端，都是根据特定业务模式开发的，大部分设备都是非模块设计，没有采用开放式的体系结构，因此在现

表1 基带单元的主要芯片选型

2.2射频单元的实现方案及主要芯片选型

2.2.1 射频单元上行通道的实现方案

如图3所示，上行通道设计将来自基带的D/A信号，经过一次混频变频，通过声表带通滤波器取出392.5±2.5M H z的射频信号，经前级放大后，再加一级声表滤波器以进一步降低发射通道对接收通道的噪声影响，然后送往功放输出，经双工器和天线发射。

上行通道大约需要50d B的固定增益，发射通道的功率调整由数字处理板负责调整。

图3 手持站射频单元信道设计方案（发射通道）

2.2.2 射频单元下行通道的实现方案

在系统设计中，用户段前向链路是TDM/DS体制，下行通道相当于是7M H z带宽噪声电平放大器。链路计算可知，卫星到达LNA入口处的7MH z带宽的噪声电平为-105d Bm左右，至中频口电平约为-15d Bm，整个通道放大增益约为90dB，信道动态调整由基带板处理。

图4 手持站射频单元信道设计方案（接收通道）

2.2.3 射频单元主要芯片选型

（1）混频器选用M in icircu its公司的ADE-1L，其工作频率为2～500MH z，包含了手持卫星地球站的所有工作频率，其实现差损、频率隔离度、线性度均较好，体积小，能够满足终端射频单元设计要求，

（2）低噪声放大器选用H E 3 9 3 A。HE393A是一种宽带低压放大器，工作频率为10～500MHz，采用有源偏置设计提供温度补偿，具有良好的50欧阻抗匹配，易于级联使用。其采用标准全密封管壳封装，微波薄膜电路结构，电性能稳定可靠。

（3）频率合成器部分主要由锁相环电路、环路滤波器、分频器和压控振荡器组成。锁相环电路选用A D公司的集成锁相环芯片ADF4252，分频器选用Motorola公司的m c12093D。集成电路ADF4252是一个具有小数分频功能的双环频率合成器芯片。其小数分频部分采用三级Σ-Δ调制器实现，性能稳定可靠。主要由低噪声鉴相器、输出电流可设置的精确电荷泵、可控的参考信号倍频器、可编程的R分频器、可编程的分数N分频器等部件组成，对芯片内部的所有控制及编程均通过三线串口给相应的数据寄存器置数来实现。

（4）小型化双工器采用4阶腔体滤波器，插损、带外抑制等指标都非常理想。经验估计，考虑到生产、制作过程中切割精度、电路设计带来的影响，双工器的插损将恶化1～2d B，两个腔体合并后带外抑制将比仿真结果恶化约10dB。

（5）功放ASIC的设计采用两级级联的功率放大方案，由于二极管在电路中等效为电阻与电容的并联，使电路中产生相位预失真的效应，当输入信号增强时，由于等效电阻和等效电容的非线性作用，使信号随着增益变大而呈现相位滞后的效应，从而对放大器的AM/AM和AM/PM效应进行预补偿，达到级间匹配和放大器线性放大的目的。另外还可以采用二极管并联或偏压式线性补偿方案达到级间匹配的目的。该器件具有：高线性，高效率，低泄漏电流的特点，采用7脚LGA封装。

3.卫星手持站的软件方案设计

图5 手持卫星地球站基带处理单元的硬件体系结构图

软件体系结构以硬件平台为底层支持，以操作系统和驱动程序为基础，结合各种图形库以及中间件，并最终形成为用户提供各种业务服务的应用层程序。

3.1 用户接口部分的操作系统选择

几种操作系统相关的特性对比如表2。

开放源码的操作系统，由于能够完全的对系统的各个方面进行控制和调整，对于开发产业来说，这点尤为重要，以此为基础，再结合以上对多种操作系统进行比较，卫星手持终端采用Linux操作系统。

3.2 基于Linux的图形用户界面选择

在确定操作系统之后，就需要进行图形库的选择，常见的面向嵌入式L inu x系统的图形库主要包括以下几个：

（1）Q t/Em bedded

Q t/Em bed ded是著名的Q t库开发商T ro llTech发布的面向嵌入式系统的Q t版本。因为Q t是KDE等项目使用的GU I支持库，所以有许多基于Qt的XW indow程序可以非常方便地移植到Qt/Embedded版本上。因此，自从Qt/Em bedded以GPL条款形势发布以来，就有大量的嵌入式Linux开发商转到了Qt/Embedded系统上。

（2）M iniGU I

M in iGU I是国内为数不多的自由软件项目之一，其目标是为基于L inu x的实时嵌入式系统提供一个轻量级的图形用户界面支持系统。该项目自1998年底开始到现在，已历经12年的开发过程。到目前为止，已经非常成熟和稳定。和其他针对嵌入式产品的图形系统相比，M in iGU I具有如下几大技术优势：

轻型、占用资源少 M iniGU I本身的占用空间非常小。最新的研发成果表明，M iniGU I能够在CPU主频为30MH z，仅有4MRAM的系统上正常运行，这是其它针对嵌入式产品的图形系统，比如M icroW indow s或者Qt/Em bedded所无法达到的。

高性能、高可靠性 M iniGU I 良好的体系结构及优化的图形接口，可确保最快的图形绘制速度。在设计之初，充分考虑到了实时嵌入式系统的特点，针对多窗口环境下的图形绘制开展了大量的研究及开发，优化了M in iGU I的图形绘制性能及资源占有。M iniGU I在大量实际系统中的应用，尤其在工业控制系统的应用，证明M iniGU I具有非常好的性能。

可配置为满足嵌入式系统千变万化的需求，必须要求GU I系统是可配置的。和Linux内核类似，M iniGU I也实现了大量的编译配置选项，通过这些选项可指定M iniGU I库中包括哪些功能而同时不包括哪些功能。

可伸缩性强 M iniGU I丰富的功能和可配置特性，使得它既可运行于基于龙珠的低端产品中，亦可运行于基于ARM 9的高端产品中，并使用M iniGU I的高级控件风格及皮肤界面等技术，创建华丽的用户界面。

跨操作系统支持理论上，M iniGU I 可支持任意一个多任务嵌入式操作系统；实际已支持 Linux/uC linux、eCos、uC/OS-II、VxW orks等嵌入式操作系统。同时，在不同操作系统上的 M in iGU I，提供完全兼容的API接口。

基于上述对比，拟采用国产的M iniGU I来完成手持终端图形用户界面的支持。

因此，终端采用的软件体系结构如图6所示。增加硬件功能模块或扩展接口时，通过编写相应的设备驱动程序实现连接和交互；软件功能扩展时，通过增加相应的用户接口应用层软件实现。