宽频段一体化硬件处理平台设计

2022-06-02王苏君平一帆马定坤杨伟超

空间电子技术 2022年2期

王苏君,平一帆,文伟,杨丽,马定坤,杨伟超

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

随着信号处理、卫星通信等技术的迅猛发展，对硬件平台的轻量化、通用化要求显著增加[1-4]。传统卫星通信中，往往预先设定好系统工作的频带、信道数量、信息传输速率以及信号调制方式和信号波形，然后以此为指标，设计、研制卫星通信系统。因此传统的硬件处理平台一般功能固化,不能满足功能多、快速响应的需求，严重地限制了产品的开发和应用。

为了解决传统通讯卫星面临的问题，本文针对微纳卫星发展趋势和方向，将具备核心功能的载荷微小型化，使设备重量和功耗都控制在合理范围内，提高载荷的集成度和功能密度，通过一体化设计有效实现卫星高功能密度，大幅度地降低成本，缩短研制周期。

基于以上目标，本文提出了一种宽频段一体化平台设计方案。通过部组件产品模块化、接口标准化，制定即插即用标准规范，实现标准化，搭建的平台具有功耗低、集成度高、可重构等特性。

1 平台方案设计

整个平台具备高功能密度、轻小型化的特点，因此其设计思想不能停留在传统的卫星设计模式：多个单机组成分系统、再由分系统组成一个完整卫星系统，而是截然不同的一体化设计思想。打破传统分系统的功能界限，通过一体化设计可以有效实现卫星高功能密度，大幅度地降低成本，缩短研制周期。

系统的硬件实现主要包括射频一体化天线、数字信号处理平台、控制配电3部分[5-9]。天线射频通道一体化，即收发天线和收发射频通道集成；基于软件无线电的数字处理平台小型化，即通过模块化设计实现微小型化。并将它们进行有机、有效地结合，形成一个紧凑的整体，与具备相同功能的传统设备相比，其体积、重量、功耗都会大幅度地下降，实现高功能密度，轻小型化，图1为传统系统组成图，图2为本文系统组成图。

图1 传统系统组成图Fig.1 Traditional system composition diagram

图2 本文系统组成图Fig.2 System composition diagram of this paper

1.1 射频一体化天线单元

射频一体化天线单元考虑到微纳卫星电子对天线的要求是具有轻质、宽角、宽带、高增益等特性，因此轻质的可重构高增益天线是最好的选择[10]。可重构天线能够根据应用需求实时地重构天线的频率、增益、波束、扫描范围等特性，使天线适应不同的功能需求。对于接收通道采用基于软件无线电的处理平台时，不能对天线接收的信号进行直接采样，须通过可重构的射频通道将模拟信号先从射频搬移到固定的中频频率，对中频信号进行带通采样后，在高性能的硬件平台上实现后续的数字处理；对于发射通道，采用全数字化的信号合成与成形方法，通过软件实现将形成的数字信号通过高速ADRV9009器件变换到相应的工作频段发射。考虑到收发不同时，通过射频通道重构，实现收发通道时分复用。

如图3所示，开关1为双刀双掷开关，开关2为单刀双掷开关，连通特性如下：

发送时：开关1：AC连通，BD连通；开关2：AC连通；

接收时：开关1：AB连通，CD连通；开关2：AB连通；

收发通道主要任务包括接收信号和发送信号，接收时：对信号进行低噪声放大、滤波混频后，直通输出至宽带接收处理器中，主要由限幅器、低噪放、可变本振、混频器、滤波器等组成。

发送时：将中频信号放大，滤波、混频等处理变成射频信号发送，主要由滤波器、混频、本振电路、功放等组件组成。

微型射频一体化通道，利用多层电路集合多芯片微组装技术，合理配置各单元电平，尽量减少冗余设计，以有效降低整机的体积和功耗，实现整机宽带、小型化设计。

图3 射频一体化框图Fig.3 Radio frequency integration block diagram

1.2 数字信号采集处理单元

数字信号采集处理平台主要完成对目标辐射信号进行接收，根据任务配备通信/雷达信号检测、参数估计、原始信号采样、雷达信号的PDW获取，通信信号的检测与处理，处理后信息格式打包、调制及发送等功能[11]，需要包括模数转换ADC模块、数模转换DAC模块、时钟管理模块、主处理模块等组成。

模数转换模块及数模转换模块由收发一体的ADRV9009 芯片及其前端电路构成，主要完成信号的采集及发送功能；时钟管理模块主要为多片ADRV9009及FPGA提供工作时钟，保证时钟具有良好的一致性及抖动指标；信号主处理模块由Zynq系列的FPGA构成，可完成参数估计、原始信号采样、雷达信号的PDW获取，通信信号的检测与处理等相关功能。

数字处理平台主要由Zynq系列的FPGA芯片、ADRV9009、存储芯片DDR3、Norflash、外围LVDS、接口芯片、供电芯片等器件组成。其硬件处理平台实现方案如图4所示。

图4 数字信号处理平台方案Fig.4 Digital signal processing platform scheme

下面本文对选用的芯片进行详细介绍：

1)Zynq系列FPGA芯片

数字信号处理平台选用的Zynq系列FPGA芯片Zynq-7000是全可编程片上系统，具有处理器和FPGA双重特性，特别适用于软硬件协同设计[11]。可编程逻辑可由用户配置，并通过“互连”模块连接在一起，扩展处理系统的性能及功能。可扩展处理平台芯片硬件的核心本质就是将通用基础双ARMCortex-A9MPCore处理器系统作为“主系统”，结合低功耗28 nm工艺技术，以实现高度的灵活性、强大的配置功能和高性能。

2)ADRV9009芯片

选用的ADRV9009芯片是一款高集成度射频、捷变收发器，最大接收带宽200 MHz，最大可调谐发射器合成带宽450 MHz，调谐范围75～6 000 MHz。完整的接收子系统拥有自动和手动衰减控制、直流失调校正、正交误差校正和数字滤波功能，从而消除了在数字基带中提供这些功能的必要性。相比较传统的中频接收器，直接变频构架组合不会出现带外镜像混频或缺少混叠，可降低对RF滤波器的要求。发射器采用创新的直接变频调制器，可实现高调制精度和极低的噪声。随着ADC/DAC采样速率的不断提高，数据的吞吐量越来越大，对于500 MSPS以上的ADC/DAC，动辄就是几十个G的数据吞吐率，而采用传统的CMOS和LVDS已经很难满足设计要求，而ADRV9009具有高速的JESD204B接口，且接口速率支持高达12.288 Gbps的通道速率。JESD204B接口好处在于：a)不再使用数据接口，时序控制简单；b)不用担心信道偏移；c)不再使用大量IO口，布线简单；d)多片IC同步方便；e)减少了PCB布板空间；f)减小了器件的引脚和封装大小。

3)时钟管理芯片

选用的时钟管理芯片是ADI公司的AD9528芯片，AD9528是一款双级PLL，集成JESD204B SYSREF发生器，可用于多片器件同步。是一款低抖动、低相位噪声时钟分配器，14路输出，可配置为HSTL或LVDS。

另外平台上还集成了2个DDR4芯片和若干接口芯片，为单板提供存储和对外交互功能。

数字信号处理单元大规模使用商用货架产品，采用标准化、模块化、小型化的设计方案，进行全局考虑与优化设计，降低数字信号处理单元的功耗与重量。

2 处理平台性能分析

2.1 平台轻小型化分析

整个平台具备高功能密度、轻小型化的特点，打破传统卫星设计模式：多个单机组成分系统、再由分系统组成一个完整卫星系统，而是截然不同的一体化设计思想。打破传统分系统的功能界限天线射频通道一体化，即收发天线和收发射频通道集成；基于软件无线电的数字处理平台小型化，即通过模块化设计实现微小型化；并将它们进行有机有效地结合，形成一个紧凑的整体，与具备相同功能的传统设备相比，其体积、重量、功耗都会大幅度地下降，实现高功能密度，轻小型化。

为了使处理平台具有通用性，选用Zynq系列FPGA芯片作为主处理芯片。选用ADRV9009作为模数/数模转换芯片，且输入频率支持高达6 GHz。

2.2 平台可重构性分析

1)可重构天线设计

微纳卫星要求天线具有轻质、宽角、宽带、高增益等特性，因此轻质的可重构高增益天线是较好的选择。可重构天线是用同一个天线口径通过实时改变天线的电参数，使天线具有多种功能。可重构天线能够根据应用需求实时地重构天线的频率、增益、波束、扫描范围等特性，使天线适应不同的功能需求。

2)处理平台软件可重构设计

载荷的信号处理也要做到可重构，包括处理对象(雷达信号、通信信号)，处理算法(参数测量、定位)等，通过加载存储芯片中不同程序实现不同的算法功能。通过外部指令或者内部自动检测，完成特定程序的载入，以实现不同功能[12-14]。

2.3 基于平台的软件实现

在基于Zynq+ADRV9009的硬件平台上实现自适数字信道化，通过动态信道化接收设计、无盲区接收、参数估计以及偏差校正自适应接收，在缺少信号先验信息的情况下，可以对通信及雷达的多路信号进行自适应信道化接收，有较强的灵活性，复杂度较低，其原理框图如图5所示。

图5 处理平台实现自适应数字信道化Fig.5 Adaptive digital channelization of the processing platform

在基于Zynq+ADRV9009的硬件平台上实现频谱感知的侦听和对抗技术，获取当前频段内的频谱信息，并对感兴趣的重点频段内的信号进行侦听。获取目标信号后，根据对抗需求，选择对抗干扰方式。更加灵活和智能地完成目标信号的侦听和对抗。其整体设计流程图如图6所示，首先接收信号，对接收到的信号进行参数分析实现信号侦听；其次提取不同的信号特征，选择或设计干扰样式，生成干扰信号；最后从时间域、空间域、频率域、样式域、过程域等引导干扰信号发射。