衛星手持站的實現方案研究

段小龍 許光飛 解放軍理工大學通信工程學院，江蘇南京 210007

衛星手持站的實現方案研究

段小龍 許光飛 解放軍理工大學通信工程學院，江蘇南京 210007

分析了衛星手持站的實現原理及設計難點，提出了手持站的軟硬件實現方案，給出了手持站硬件實現的主要芯片選型以及軟件實現的具體體系結構，為衛星手持站的設計實現提供了有效的參考。

衛星手持站；軟硬件；實現方案

引言

隨著數字化戰場技術的發展和信息化戰爭理論的不斷深入研究，衛星手持式終端作為數字化戰場數字通信系統的重要組成部分，其重要性得到了國內外的一致認同。外國、外軍尤其是一些軍事強國非常重視對手持式終端的研究，已進行了大量的研究和開發，并且得到了很好的應用和發展。

由于衛星通信系統受地面環境影響小，對通信距離不敏感，對大范圍快速移動通信的支持能力強，覆蓋范圍廣，所以在現代戰爭環境衛星通信的重要性日益突出。如美軍近年的幾次局部戰爭的通信暢通無一不依賴于其龐大的衛星群的保障能力。我國手持衛星站的發展還相對比較落后，因此研究衛星手持站的具體實現方案具有重要的意義。有平臺上調整或增加功能往往需要對整個接收機做很大的改動甚至重新設計，因此擴展、升級顯得極不靈活。軟件無線電概念的一經提出，就引起了全世界無線通信領域的廣泛關注，并成為未來無線通信技術的發展方向。其中心思想是：軟件無線電作為一個系統，是將寬帶A/D變換盡可能地靠近射頻天線，即盡可能早地將接收到的模擬信號數字化，并在體系結構上構造一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，最大限度地將各種功能用軟件來完成，以實現具有高度靈活性、開放性的新一代無線通信系統。通過運行不同的算法，軟件無線電可以實時地配置信號波形，使其能夠靈活實現各種工作頻段、調制解調方式、信道編譯碼方式、話音和數據處理、加密模式、通信協議等無線電通信功能。

理想的軟件無線電是直接對整個感興趣的信號進行寬帶數字化，但在目前硬件技術條件下，軟件無線電接收機主要是基于中頻帶通采樣數字化結構的接收機，即在采樣前將射頻信號通過一級或幾級變頻，將其變為標準的中頻信號，以適應A/D轉換的需要，然后進行中頻數字化和相應的后端數字處理。

對手持衛星地球站的設計，為了使硬件平臺具有更強的通用性，便于軟件的靈活升級、擴展，基帶信號處理單元直接對與射頻接口的收、發中頻信號進行數字化處理，通過軟、硬件編程實現終端的各種功能。其硬件體系結構圖2所示，基帶單元的主要芯片選型如表1所示。

1.衛星手持站的實現原理及設計難點

衛星手持站主要由天線單元，射頻單元，基帶處理單元以及電源組成。其模塊構成框圖如圖1所示。

天線單元通過饋線與射頻單元相連，發射信號時將射頻單元輸出的射頻信號以電磁波形式輻射出去；接收信號時，將相應的電磁波信號轉化為電信號，送至射頻單元。

射頻單元主要實現模擬信號和數字信號之間的轉化以及對信號功率和頻率的轉變和調整。在發送狀態時，射頻單元從基帶接收低中頻信號，經過變頻、放大等處理后向天線單元發送較大功率的射頻信號；在接收狀態時，射頻單元從天線單元接收小功率的射頻信號，經過放大、變頻處理，輸出低中頻信號到基帶處理單元；同時，射頻單元還接收控制中心的信道控制指令、網絡控制指令以及接收和發送的轉換控制指令等，并和基帶信號處理單元進行一些參數和狀態的交互。

基帶信號處理單元主要實現信號處理和系統控制的功能，其主要由信號處理芯片和CPU芯片組成，加上DAC，ADC完成數字信號和模擬信號的轉換，顯示和鍵盤完成信息、控制指令以及終端工作狀態的輸入輸出，語音接口完成語音信號的輸入輸出，保密模塊完成信息加密解密，以及其他的輔助擴展接口實現擴展功能。CPU負責整個手持終端的運行、控制和管理，信號處理芯片實現信息比特流與中頻信號之間的相互轉化?；鶐盘柼幚韱卧钦麄€手持終端的核心，直接決定了整個系統的性能，是設計的重點難點。

電源負責整個系統的供電。

手持衛星地球站的設計重點及難點包括：

天線單元設計方案。手持衛星地球站天線工作頻率范圍很大，在每一頻段天線都需要滿足寬波束、較高增益等指標，同時作為手持終端，天線尺寸受限；

射頻通道的一體化。射頻單元中，信號頻率多并且高，模擬成分多，必須保證頻率之間不產生互調和其他干擾，并要求通道具有高的靈敏度、較強的選擇性和很大的動態范圍；

硬件平臺和軟件體系結構。手持衛星地球站可通過不同的信號樣式工作，硬件平臺和信號處理方案必須兼顧各種工作模式，軟件結構應適合軟、硬件及功能的擴展和更新，系統應具有良好的靈活性和開放性；

小型化及低功耗設計。作為手持設備，必須考慮整個終端的體積大小和功耗，這就對手持衛星地球站的方案設計提出了更高的要求。

圖1 手持衛星地球站功能模塊構成框圖

圖2 手持衛星地球站基帶處理單元的硬件體系結構圖

2.衛星手持站的硬件方案設計

2.1 基帶單元的一體化硬件平臺設計方案及主要芯片選型

傳統的通信終端，都是根據特定業務模式開發的，大部分設備都是非模塊設計，沒有采用開放式的體系結構，因此在現

表1 基帶單元的主要芯片選型

2.2射頻單元的實現方案及主要芯片選型

2.2.1 射頻單元上行通道的實現方案

如圖3所示，上行通道設計將來自基帶的D/A信號，經過一次混頻變頻，通過聲表帶通濾波器取出392.5±2.5M H z的射頻信號，經前級放大后，再加一級聲表濾波器以進一步降低發射通道對接收通道的噪聲影響，然后送往功放輸出，經雙工器和天線發射。

上行通道大約需要50d B的固定增益，發射通道的功率調整由數字處理板負責調整。

圖3 手持站射頻單元信道設計方案（發射通道）

2.2.2 射頻單元下行通道的實現方案

在系統設計中，用戶段前向鏈路是TDM/DS體制，下行通道相當于是7M H z帶寬噪聲電平放大器。鏈路計算可知，衛星到達LNA入口處的7MH z帶寬的噪聲電平為-105d Bm左右，至中頻口電平約為-15d Bm，整個通道放大增益約為90dB，信道動態調整由基帶板處理。

圖4 手持站射頻單元信道設計方案（接收通道）

2.2.3 射頻單元主要芯片選型

（1）混頻器選用M in icircu its公司的ADE-1L，其工作頻率為2～500MH z，包含了手持衛星地球站的所有工作頻率，其實現差損、頻率隔離度、線性度均較好，體積小，能夠滿足終端射頻單元設計要求，

（2）低噪聲放大器選用H E 3 9 3 A。HE393A是一種寬帶低壓放大器，工作頻率為10～500MHz，采用有源偏置設計提供溫度補償，具有良好的50歐阻抗匹配，易于級聯使用。其采用標準全密封管殼封裝，微波薄膜電路結構，電性能穩定可靠。

（3）頻率合成器部分主要由鎖相環電路、環路濾波器、分頻器和壓控振蕩器組成。鎖相環電路選用A D公司的集成鎖相環芯片ADF4252，分頻器選用Motorola公司的m c12093D。集成電路ADF4252是一個具有小數分頻功能的雙環頻率合成器芯片。其小數分頻部分采用三級Σ-Δ調制器實現，性能穩定可靠。主要由低噪聲鑒相器、輸出電流可設置的精確電荷泵、可控的參考信號倍頻器、可編程的R分頻器、可編程的分數N分頻器等部件組成，對芯片內部的所有控制及編程均通過三線串口給相應的數據寄存器置數來實現。

（4）小型化雙工器采用4階腔體濾波器，插損、帶外抑制等指標都非常理想。經驗估計，考慮到生產、制作過程中切割精度、電路設計帶來的影響，雙工器的插損將惡化1～2d B，兩個腔體合并后帶外抑制將比仿真結果惡化約10dB。

（5）功放ASIC的設計采用兩級級聯的功率放大方案，由于二極管在電路中等效為電阻與電容的并聯，使電路中產生相位預失真的效應，當輸入信號增強時，由于等效電阻和等效電容的非線性作用，使信號隨著增益變大而呈現相位滯后的效應，從而對放大器的AM/AM和AM/PM效應進行預補償，達到級間匹配和放大器線性放大的目的。另外還可以采用二極管并聯或偏壓式線性補償方案達到級間匹配的目的。該器件具有：高線性，高效率，低泄漏電流的特點，采用7腳LGA封裝。

3.衛星手持站的軟件方案設計

圖5 手持衛星地球站基帶處理單元的硬件體系結構圖

軟件體系結構以硬件平臺為底層支持，以操作系統和驅動程序為基礎，結合各種圖形庫以及中間件，并最終形成為用戶提供各種業務服務的應用層程序。

3.1 用戶接口部分的操作系統選擇

幾種操作系統相關的特性對比如表2。

開放源碼的操作系統，由于能夠完全的對系統的各個方面進行控制和調整，對于開發產業來說，這點尤為重要，以此為基礎，再結合以上對多種操作系統進行比較，衛星手持終端采用Linux操作系統。

3.2 基于Linux的圖形用戶界面選擇

在確定操作系統之后，就需要進行圖形庫的選擇，常見的面向嵌入式L inu x系統的圖形庫主要包括以下幾個：

（1）Q t/Em bedded

Q t/Em bed ded是著名的Q t庫開發商T ro llTech發布的面向嵌入式系統的Q t版本。因為Q t是KDE等項目使用的GU I支持庫，所以有許多基于Qt的XW indow程序可以非常方便地移植到Qt/Embedded版本上。因此，自從Qt/Em bedded以GPL條款形勢發布以來，就有大量的嵌入式Linux開發商轉到了Qt/Embedded系統上。

（2）M iniGU I

M in iGU I是國內為數不多的自由軟件項目之一，其目標是為基于L inu x的實時嵌入式系統提供一個輕量級的圖形用戶界面支持系統。該項目自1998年底開始到現在，已歷經12年的開發過程。到目前為止，已經非常成熟和穩定。和其他針對嵌入式產品的圖形系統相比，M in iGU I具有如下幾大技術優勢：

輕型、占用資源少 M iniGU I本身的占用空間非常小。最新的研發成果表明，M iniGU I能夠在CPU主頻為30MH z，僅有4MRAM的系統上正常運行，這是其它針對嵌入式產品的圖形系統，比如M icroW indow s或者Qt/Em bedded所無法達到的。

高性能、高可靠性 M iniGU I 良好的體系結構及優化的圖形接口，可確保最快的圖形繪制速度。在設計之初，充分考慮到了實時嵌入式系統的特點，針對多窗口環境下的圖形繪制開展了大量的研究及開發，優化了M in iGU I的圖形繪制性能及資源占有。M iniGU I在大量實際系統中的應用，尤其在工業控制系統的應用，證明M iniGU I具有非常好的性能。

可配置 為滿足嵌入式系統千變萬化的需求，必須要求GU I系統是可配置的。和Linux內核類似，M iniGU I也實現了大量的編譯配置選項，通過這些選項可指定M iniGU I庫中包括哪些功能而同時不包括哪些功能。

可伸縮性強 M iniGU I豐富的功能和可配置特性，使得它既可運行于基于龍珠的低端產品中，亦可運行于基于ARM 9的高端產品中，并使用M iniGU I的高級控件風格及皮膚界面等技術，創建華麗的用戶界面。

跨操作系統支持 理論上，M iniGU I 可支持任意一個多任務嵌入式操作系統；實際已支持 Linux/uC linux、eCos、uC/OS-II、VxW orks等嵌入式操作系統。同時，在不同操作系統上的 M in iGU I，提供完全兼容的API接口。

基于上述對比，擬采用國產的M iniGU I來完成手持終端圖形用戶界面的支持。

因此，終端采用的軟件體系結構如圖6所示。增加硬件功能模塊或擴展接口時，通過編寫相應的設備驅動程序實現連接和交互；軟件功能擴展時，通過增加相應的用戶接口應用層軟件實現。

表2 嵌入式操作系統比較

圖6 終端軟件體系結構

4.總結

本文在介紹手持站實現原理的基礎上，提出了具體的軟硬件實現方案并給出具體的芯片選型，具有很好的參考價值。

[1]陳英.linux基礎及應用教程. 中國水利水電出版社.2 0 0 8年

[2]陳強,譯.軟件無線電-無線電工程的現代方法.人民郵電出版社.2 0 0 4年

[3]任強.嵌入式Linux下MiniGUI的編譯、移植和實現.計算機技術與發展.Vo l.2 0,No.3

[4]黃思華.基于MiniGUI和嵌入式Linux的PDA設計與實現.計算機應用.2 0 0 9年S2期

[5]汪大卓.一種雙模式數字對講機的研究和設計.杭州電子科技大學學報.V o l.29,No.6

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.093