应用无线电设计思想的无线发射机设计

第一章引言

1.1课题背景与意义
应用软件无线电技术的通用发射机及时的满足了这一需求。软件无线电技术技术，最早是由MTRE公司的JoeMitola在1992年5月全美电信系统年会上首次提出，其基本设计思想是利用一个通用的可编程硬件平台，通过软件编程来实现各种通信协议，充分利用编程语言的可编程特性避免了无线发射机功能单一、互联互通程度低、仅能进行语音传输的弱点，支持不同通信设备间互联互通和各种不同的信息传输（例如语音、图像、视频），扩展了无线通信发射机的功能，能够实时将战场环境信息和各种控制指令传送到控制终端，提高了控制终端的视野和传输效能，增强了战场环境下信息的实时性与可靠性。美军提出的无线发射机开发计划包括Speakeasy计划和Linkl 1、Link 16等数据链系统，这些计划的目的就是要改变无线发射机不兼容，作战人员、武器系统以及信息平台之间的信息实时传输等问题，随着新一代无线发射机加入战场，必将极大改变未来战争的面貌。在国内无线发射机也有了比较长足的发展。应用扩频跳频的无线通信发射机已经装备了现役部队，海军也已装备了 C3 (指挥、控制和通信）数据链系统，空军也逐步装备了 AT-2M的国产数据链系统，随着国内通信技术发展也将日益完善。

1.2研究目的与内容
该项目发射机设计即是基于软件无线电的思想，设计一种载波频率、调制方式、调制参数、传输速率等参数均可设置的较为通用的发射机。本发射机以FPGA作为数字信号处理平台，使用数字电路实现多种调制方式可选的中频调制信号，配合射?频上变频和功率放大电路构成一个完整通用发射机。本项目设计的发射机主要包括实现以下功能：(1)对信息码流可以实现FM、BPSK、QPSK调制解调功能，输出S波段射频调制信号。

第二章原理概述与方案设计

项目中设计的通用发射机是基于软件无线电的设计思想，软件无线电设计随着近些年来高性能的FPGA芯片的出现，逐步取代之前的模拟电路和小规模数字芯片设计，成为现在无线发射机设计的主流。下面我们概括的介绍一下软件无线电的设计一些基本概念。

2.1软件无线电的概念
软件无线电（Software Radio)的基本概念和体系结构最早是由MITRE公司的工程师JoeMitola于1992年在全美电信系统年会上首次提出。软件无线电的核心思想是：基于一个具有开放性、标准化、模块化的通信硬件平台，在这个平台上将基带信号处理和通信协议的实现完全通过可编程的软件语言实现，软件无线发射机的兼容性和可编程特性将极大提高了无线发射机的开发时间，降低了设计成本，促进了无线发射机的快速发展。传统的无线发射机系统设计中，往往是面向功能、性能单一的设计，不仅占用频段各不相同，而且传输距离有限，调制方式单一，例如常用的无线通信系统调制方式包括：AM、FM、LSB、PCM-FM、BPSK、MSK、QPSK等，复用方式也有多种：如时分多址（TDMA)、频分多址（FDMA)、码分多址（CDMA)等，因此仅仅基于一种设计的无线发射机互联互通性差，各种设备终端、武器平台、信息终端之间的无线发射机之间无法直接进行通信，造成新环境下无线发射机品种繁多、携带不便，北约内部主要盟国均有自己的无线通信发射机标准，包括美军在内也面临同样的问题，例如美军在格林纳达行动中就暴露了各种通信设备间的不兼容性，信息传输输瓶颈造成了各个终端单元无法实现效能最大化，因此传统的无线发射机设计思路在新时期已经不能满足战场的需求。
在这种情况下，设计一款通用的无线发射机成为破解各个作战平台信息瓶颈的关键问题，应用软件无线电设计思想的无线发射机设计，利用了可编程硬件平台的优势，能够设计出一种多频段、多模式、调制方式可调、通用性强的无线发射机，成为无线发射机设计的未来发展趋势。

    2.2 软件无线电的特点 ..................12-13
    2.3 通用发射机的整体方案设计 ..................13-14
    2.4 BPSK/QPSK/PCM-FM调制解调原理 ..................14-21
    2.5 协议转换部分的原理与实现 ..................21-25
        2.5.1 RS232接口协议与实现 ..................21-23
        2.5.2 SPI接口协议与实现 ..................23-25
    2.6 控制指令的组帧与解析 ..................25-28
第三章发射机的算法仿真与实现 ..................28-42
    3.1 算法仿真的设计指标 ..................28-29
    3.2 算法仿真的流程设计 ..................29-30
    3.3 Modelsim的仿真结果 ..................30-42 
第四章发射机的硬件设计 ..................42-50
    4.1 接口芯片与协议转换芯片 ..................43-45
        4.1.1 MAX232接口芯片 ..................43-44
        4.1.2 协议转换芯片 ..................44-45
    4.2 基带信号处理芯片 ..................45-46
    4.3 DAC数模转换芯片 ..................46-47
    4.4 电源芯片设计 ..................47-50
第五章发射机的软件与逻辑设计 ..................50-61
    5.1 VC++界面部分软件设计 ..................50-52
    5.2 协议转换芯片部分逻辑设计 ..................52-53
    5.3 基带信号处理部分逻辑设计 ..................53-61

结论

按照课题的设计思想，本发射机采用FPGA作为基带信号处理芯片，在内部完成了 BPSK/PCM-FM/QPSK的调制与解调，同时VC界面作为控制指令的生成，CPLD实现了协议转换和UFM存储，这个系统在后期测试中，基本完成了前期设计时要求的性能与指标。本发射机涉及的设计要点主要包括：在高码率情况下BPSK/PCM-FM/QPSK的调制与解调实现；VC界面实现的RS232接口协议与控制指令的组帧；CPLD实现的协议转换与UFM存储；DAC芯片的配置等。虽然本发射机基本完成了设计要求，但仍有一些不足需要改进，不足之处主要有以下几点：
1、调制算法的精度略显不足，在测试中载波频率偶尔会出现漂移，对时序约束方面可以再加以改进。
2、解调算法载波同步部分捕获带宽较窄，科斯塔斯环和松尾环内部环路滤波器需加以改进，以适应不同码率的载波跟踪。
3、在多种接口方面，一旦发送控制指令出错，没有纠IE机制，需要添加握手协议，一旦出错可以纠正或者重发数据。
4、对硬件设计中需要加以改进，以适应高码率信号的数据传输，对所用的器件性能需要进一步了解，以使设计硬件尽量优化。