無人機(jī)地空高速調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)

王利平

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)具有體積小、質(zhì)量輕和使用便捷等特性，作為一種遠(yuǎn)程可操控的航空器，隨著軍事裝備和航空技術(shù)的發(fā)展，在各種方面都發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。

隨著UAV平臺(tái)搭載傳感器種類和數(shù)量的不斷增多[2]以及聯(lián)合作戰(zhàn)的需要，大容量偵察信息需要及時(shí)傳回地面進(jìn)行處理，比如美軍通用戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈CDL數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到了274 Mb/s[3]，美軍DirecNet系統(tǒng)最高傳輸速率達(dá)到了1 Gb/s。因此，為了滿足不斷增長的數(shù)據(jù)傳輸需求，迫切需要UAV寬帶數(shù)據(jù)鏈不斷提高數(shù)據(jù)傳輸能力。

高速調(diào)制解調(diào)器在UAV寬帶數(shù)據(jù)鏈中的設(shè)計(jì)尤為重要，直接關(guān)系到數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?。針對UAV數(shù)據(jù)鏈功率和頻譜資源受限的問題，本文基于軟件無線電技術(shù)，設(shè)計(jì)了一型高速調(diào)制解調(diào)器，采用幅度與相位相結(jié)合的高階調(diào)制體制，通過并行定時(shí)同步、并行載波同步等信號(hào)處理方法實(shí)現(xiàn)2.0 Gb/s的高速數(shù)據(jù)傳輸。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

UAV地空高速調(diào)制解調(diào)器主要完成機(jī)載下行高速中頻信號(hào)調(diào)制以及地面下行高速中頻信號(hào)解調(diào)[4]，調(diào)制解調(diào)器主要系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示，其中，為了提高帶寬利用率，采用16APSK高階調(diào)制，星座圖映射采用DVB-S2建議星座圖[5]。

表1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

1.2 信道傳輸幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高速調(diào)制解調(diào)器信道傳輸幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，同步包含329個(gè)符號(hào)，其中，幀同步169個(gè)符號(hào)，由13位Barker碼組成，可用于幀同步；訓(xùn)練序列160個(gè)符號(hào)，由Frank zadoff序列組成，可用于信道估計(jì)；報(bào)頭包含39個(gè)符號(hào)，主要由測距值、空滿標(biāo)識(shí)和校驗(yàn)位等組成；數(shù)據(jù)包含15 360個(gè)符號(hào)，其中有效數(shù)據(jù)12 288個(gè)符號(hào)。按以上設(shè)計(jì)，傳輸幀效率為78.12%。

圖1 信道幀結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of channel frame

2 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

基于軟件無線電思想[6-7]，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種中頻數(shù)字化調(diào)制解調(diào)硬件平臺(tái)[8]，相比于傳統(tǒng)的零中頻硬件方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)[9]：① 有效降低模擬電路對高速信號(hào)的傳輸影響；② 具有理想的I、Q支路平衡特性；③ 直流偏置、本振泄露徹底避免；④ 全數(shù)字化基帶信號(hào)處理，軟件升級(jí)改進(jìn)便捷。

硬件平臺(tái)主要由FPGA，ADC，DAC，時(shí)鐘芯片和晶振等組成，硬件原理框圖如圖2所示。

圖2 硬件原理Fig.2 Principle block diagram of hardware

FPGA選用XILINX公司的XC7VX690T-2FFG1927I，該芯片具有專用的JESD204B接口，可以與ADC，DAC無縫銜接；ADC選用TI公司的射頻采樣ADC：ADC12J4000NKE，可直接轉(zhuǎn)換射頻信號(hào)，采樣率達(dá)到4 GS/s；DAC選擇ADI公司的AD9164BBCAZ，這是一款高性能16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器和直接數(shù)字頻率合成器，支持高達(dá)6 GS/s的更新速率；PLL選擇ADI公司的LMK04828，可完美支持JESD204B協(xié)議；VCO選擇ADI公司的LMX2594，這是一款高性能寬帶合成器，可在不使用內(nèi)部加倍器的情況下生成10 MHz～15 GHz的任何頻率，并且具備非常低的帶內(nèi)噪聲和集成抖動(dòng)，硬件平臺(tái)實(shí)物如圖3所示，尺寸為3U。

經(jīng)實(shí)測，對于2.0 GS/s采樣，本文高速調(diào)制解調(diào)器ADC SFDR指標(biāo)優(yōu)于55 dBFS，DAC SFDR指標(biāo)優(yōu)于58 dBc。

圖3 硬件平臺(tái)實(shí)物Fig.3 Physical picture of hardware platform

3 FPGA軟件設(shè)計(jì)

3.1 頂層軟件設(shè)計(jì)

高速調(diào)制解調(diào)器FPGA軟件包括調(diào)制軟件和解調(diào)軟件兩部分，受FPGA最高處理時(shí)鐘的限制，傳統(tǒng)的串行實(shí)現(xiàn)方式無法實(shí)現(xiàn)2 Gb/s的調(diào)制解調(diào)，因此必須采用并行處理方案，如并行濾波、并行同步等。本文采用VHDL語言[10]對FPGA調(diào)制解調(diào)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

調(diào)制軟件設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

信源信息經(jīng)過信道編碼、16APSK相位映射后生成4路并行I、Q信號(hào)，插入報(bào)頭、同步頭后經(jīng)2倍8路并行匹配濾波輸出8路并行I、Q基帶信號(hào)，最后經(jīng)串并轉(zhuǎn)換后輸出至DAC，由DAC完成上變頻和數(shù)模轉(zhuǎn)換。

解調(diào)軟件設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。

圖4 調(diào)制軟件設(shè)計(jì)Fig.4 Design block diagram of modulation software

圖5 解調(diào)軟件設(shè)計(jì)Fig.5 Design block diagram of demodulation software

具體描述如下：

① 高速ADC以固定2 GS/s采樣率對輸入中頻信號(hào)進(jìn)行采樣，并輸出8路并行采樣數(shù)據(jù)給FPGA；

② 在FPGA將8路數(shù)據(jù)進(jìn)行1∶2串并轉(zhuǎn)換輸出16路并行數(shù)據(jù)；

③ 對這16路并行數(shù)據(jù)按免混頻結(jié)構(gòu)進(jìn)行奇偶抽取、插零和取反操作，從而實(shí)現(xiàn)正交數(shù)字下變頻；

④ 對步驟③得到的基帶I/Q路數(shù)據(jù)聯(lián)合進(jìn)行32點(diǎn)并行DFT運(yùn)算，然后分別乘以匹配濾波器經(jīng)DFT后的系數(shù)以實(shí)現(xiàn)匹配濾波，再乘以相位旋轉(zhuǎn)因子以實(shí)現(xiàn)定時(shí)相位誤差校正，最后分別做32點(diǎn)IDFT，取無混疊數(shù)據(jù)輸出給下一級(jí)模塊；

3.2 軟件關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 并行濾波技術(shù)

針對速度需求與現(xiàn)有硬件最高運(yùn)行時(shí)鐘有限的矛盾，本文的成型濾波、低通濾波和匹配濾波均采用了并行濾波技術(shù)[11]，其中成型濾波、低通濾波采用時(shí)域并行FIR濾波，匹配濾波采用頻域并行FIR濾波。

① 時(shí)域并行FIR濾波

時(shí)域并行FIR濾波主要利用了FIR濾波器抽頭系數(shù)的對稱性，設(shè)輸入序列為x(n)，抽頭系數(shù)為h(n)，濾波輸出為y(n)，則：

(1)

若將輸入信號(hào)進(jìn)行L路并行處理，并進(jìn)行相應(yīng)的時(shí)延，根據(jù)式(1)，可以同時(shí)獲得并行L路輸出：

(2)

由此可見，按式(2)進(jìn)行并行處理，可以使濾波處理工作在較低的時(shí)鐘速率上，這種方法的本質(zhì)是以資源換取速度。

本文中，成型濾波軟件模塊中L=8，低通濾波軟件模塊中L=16。

會(huì)議還邀請了河北省蛋肉雞產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位專家、河北省畜牧站污染防治科科長劉雙，河北省獸藥監(jiān)察所研究員王萍，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)教授、博士、博士生導(dǎo)師張國中，河北省發(fā)酵工程技術(shù)研究中心副主任、河北科技大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院博士劉金龍，伊莎公司中國區(qū)總裁、資深家禽技術(shù)專家尚磊作了精彩的學(xué)術(shù)報(bào)告。

② 頻域并行FIR濾波

本文中的匹配濾波采用頻域并行FIR濾波，未采用前文的時(shí)域并行方案是由于本文中的定時(shí)誤差校正是在頻域完成的，繼而采用頻域?yàn)V波，可以進(jìn)一步降低FPGA乘法器資源使用率。

頻域并行FIR濾波利用了基于傅里葉變換的卷積定理，采用DFT實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)與FIR濾波器的卷積運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖6所示。

圖6 頻域并行FIR濾波軟件設(shè)計(jì)框圖Fig.6 Design block diagram of frequency domain parallel FIR filtering software

3.2.2 并行定時(shí)同步技術(shù)

在高速傳輸中，收發(fā)參考時(shí)鐘的不一致性將導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作，必須對接收端解調(diào)器匹配濾波器輸出進(jìn)行同步抽樣，即定時(shí)同步或時(shí)間同步[12-13]。

本文中，定時(shí)誤差估計(jì)采用文獻(xiàn)[14-15]提出的O&M算法，這是一種無偏估計(jì)，相比于經(jīng)典Gardner算法[16-17]，其至少需要4倍采樣。O&M算法可以描述為：

假設(shè)匹配濾波后的基帶信號(hào)為rk，表示為：

rk=Ik+jQk。

(3)

對rk取包絡(luò)平方得到：

(4)

將xk按每L個(gè)符號(hào)周期分為一段，則通過DFT變換可得到其第m段數(shù)據(jù)頻譜上的符號(hào)速率譜線的譜分量為：

(5)

則此譜分量的歸一化相角就是定時(shí)誤差的無偏估計(jì)，即：

(6)

取N=4，則式(5)可以表示為：

(7)

顯然，Xm的實(shí)部對應(yīng)偶數(shù)采樣點(diǎn)包絡(luò)平方，虛部對應(yīng)奇數(shù)采樣點(diǎn)包絡(luò)平方，將式(7)按Xm的實(shí)部、虛部分解為：

(8)

(9)

由于在本文中IDFT輸出為16路并行數(shù)據(jù)，對應(yīng)4個(gè)符號(hào)，因此對于L1個(gè)符號(hào)的累積運(yùn)算，式(8)和式(9)可繼續(xù)分解為：

(10)

(11)

由式(10)和式(11)分解可以得到O&M算法的并行實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，如圖7所示。在具體FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)，其中的平方運(yùn)算采用硬件乘法器DSP48E1，求相位角采用Xilinx提供的基于Cordic算法的IP核實(shí)現(xiàn)。

圖7 定時(shí)誤差估計(jì)實(shí)現(xiàn)框圖Fig.7 Implementation block diagram of timing error estimation

3.2.3 并行載波同步技術(shù)

限于FPGA的最高時(shí)鐘運(yùn)行速度，傳統(tǒng)的串行載波同步算法難以實(shí)現(xiàn)，因此本文采用如圖8所示的并行載波同步結(jié)構(gòu)。

對于定時(shí)同步后的符號(hào)數(shù)據(jù)，首先通過Cordic算法將其由直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)，然后在相位域進(jìn)行頻偏的相偏估計(jì)，得到的平均誤差信號(hào)經(jīng)過二階環(huán)路濾波和NCO后，再反饋回去做減法，以完成頻偏校正，校正后的信號(hào)再通過Cordic算法將其由極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)得到載波同步后的基帶信號(hào)，Cordic利用FPGA自帶IP核實(shí)現(xiàn)。

相偏估計(jì)誤差可以表示為[18-19]：

(12)

式中，ek為誤差輸出；ck為定時(shí)同步后的復(fù)信號(hào)；Θ為環(huán)形區(qū)域內(nèi)的星座點(diǎn)集合；φk為鑒相輸出；λ為誤差閾值，取值為0.1π。

4 性能測試

為了充分驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境高斯白噪聲信道下對高速調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行誤碼性能測試，測試框圖如圖9所示，通過調(diào)節(jié)寬帶噪聲源輸出噪聲強(qiáng)度，獲得不同信噪比下的誤碼性能。解調(diào)性能測試結(jié)果如圖10所示，可以看出，在誤碼率為1×10-5時(shí)，解調(diào)損失優(yōu)于2 dB。

圖9 測試框圖Fig.9 Diagram of test

圖10 解調(diào)性能測試曲線Fig.10 Test curve of demodulation performance

5 結(jié)束語

本文基于軟件無線電思想，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種UAV地空高速調(diào)制解調(diào)器，通過采用JESD204B接口協(xié)議，解決了ADC/DAC與FPGA間的高速數(shù)據(jù)傳輸問題；通過并行信號(hào)處理，解決了速度需求與現(xiàn)有FPGA最高運(yùn)行時(shí)鐘有限的矛盾。經(jīng)過測試，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的高速調(diào)制解調(diào)器可以實(shí)現(xiàn)2.0 GS/s數(shù)據(jù)傳輸速率的16APSK信號(hào)的調(diào)制解調(diào)，在誤碼率為1×10-5時(shí)，解調(diào)損失優(yōu)于2 dB，滿足工程實(shí)際需求。