基于CCSDS协议的中频信号源设计与实现

摘要：针对深空通信的复杂环境，设计了一种基于CCSDS协议的中频信号源系统，可产生多种基于CCSDS协议的深空通信信号。该系统上位机采用LabWindows虚拟仪器开发环境，通过PCI接口与集成了DSP和FPGA单元的信号板卡互联，采用正交调制算法，在不改变硬件电路的情况下实现多种调制方式和参数。经测试，该系统输出精准、稳定，各项参数均符合设计要求，可实现对CCSDS协议的信号模拟。

关键词：深空通信；CCSDS协议；中频信号源；虚拟仪器；正交调制

中图分类号：V423.4+5；P228.4 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2017）02-0071-06

0引言

随着通信技术的不断进步，人类对深空探测的范围和技术要求不断提高，对通信质量的要求也越来越高，传统的地面无线通信模型无法适应深空通信环境。随着越来越多的国家加入到深空探测的活动中，人类在深空探测中更加需要统一的标准来实现多航天器之间的通信和控制。因此，NASA、ESA等主要空间国家联合组织成立了空间数据系统咨询委员会（CCSDS），迄今为止已有200多个空间任务采用了该协议体系进行遥测遥控、科学数据、图像等信息的传输，是未来深空探测通信的发展方向。

本文介绍了一种基于CCSDS-211系列通信协议的用于深空通信的信号源，该信号源所产生的中频调制信号的各项参数均参考CCSDS-211系列通信协议，符合深空通信应用环境，适用于深空通信系统的研究和开发。

CCSDS-211系列协议规定了6种调制方式，分别为BPSK，QPSK，OQPSK，GMSK，FM和PM，以及12种数据速率，分别为1Kb/s，2 Kb/s，4Kb/s，8 Kb/s，16 Kb/s，32 Kb/s，64 Kb/s，128Kb/s，256 Kb/s，512 Kb/s，1 Mb/s，2 Mb/s。该信号源根据协议规定全部实现了以上调制方式以及数据速率，以供深空通信研究使用。此外，为了适应不同的信道带宽，还提供了3种滚降系数，分别为0.25，0.5，0.75。该信号源载波频率为70MHz，配合混频器使用可将输出提高到UHF频段，供更多实验研究情况使用。

系统由上位机软件和硬件信号板卡两部分组成，数据源经过软件的计算后通过PCI接口传递至信号板卡，经过上变频后通过D/A转换模块得到模拟信号，如图1所示。其中上层软件安装在工控机中，DSP，FPGA，D/A转换模块等位于信号处理板卡上，通过PCI接口与上位机相连进行数据通信与控制。

上位机软件起到对整个系统的控制作用，相当于传统硬件信号源的操控面板，同时还进行部分计算工作。因此，系统软件采用适用于虚拟仪器开发的LabWindows/CVI环境编译实现。上位机软件算法流程如图2所示。

在上位机中，用户可以选择输入数据，配置信号源的输出参数，如调制方式、数据速率等。当软件启动后，先读取设置的各项参数和输入数据文件。输入的二进制数据经过脉冲成型、基带调制和插值等运算获得I，Q两路的基带调制数据。此时的数据为双精度浮点数型，需对数据进行定点化转换为16位的short int型的整型数据，以便信号板卡处理。上位机软件调用WinDriver驱动，将这些数据通过PCI接口传递到信号处理板卡上DSP模块控制的存储单元中，再将这些数据通过EMIF总线传输给信号处理板卡上的FPGA单元，经过FPGA运算电路，即可得到所设置的中频信号的模拟量输出，信号源循环发送用户输入的数据直至关闭信号源。

2系统关键技术

2.1调制算法

由于系统需要实现多种调制方式，因此，为了不改变硬件结构且能实现多种不同的调制方式，系统采用了正交调制算法，见图3。在正交调制的过程中加入插值滤波器，可通过改变插值倍数来变换数据速率，以实现12种数据速率的切换。平方根升余弦滤波器可通过脉冲成型实现无码间干扰的通信，同时还可实现3种不同的滚降系数。

QPSK信号可以看作是对两个正交的载波进行多电平双边带调制后再叠加所得的信号，其正交调制的表达式为

（1）式中：I（t）为I路基带调制信号；Q（t）为Q路基带调制信号；载波角频率ωc=2πf。对于本系统，载波频率fc=70 MHz；采样频率fc=160 MHz。

QPSK调制时，先将输入的二进制序列转换为I，Q两路的双极性码，然后对该双极性序列进行脉冲成型和插值滤波，使I，Q两路基带信号采样率达到16 Mb/s。两路基带信号再分别与两路正交的载波相乘，相加后即可得到QPSK调制信号。

BPSK调制时，Q路输入全Q，就可以在不改变硬件电路的情况下，在正交调制系统中实现单路的幅度调制。OQPSK调制时，只需在两路信号经过平方根升余弦滤波器后，将Q路信号延迟半个码元周期，再进行插值滤波、上变频并相加。

GMSK调制即高斯最小频移键控，在MSK（最小频移键控）调制器之前插入一个高斯低通预调制滤波器。GMSK的正交调制表达式为

通常将B与Ts的乘积作为设计高斯滤波器的重要参数，本系统采取BTs=0.3的高斯滤波器进行预滤波。GMSK正交调制时，将二进制码元数据转换为双极性码后通过高斯滤波，再通过插值滤波将数据插值到16 Mb/s，并过积分获得相位信号φ（t），此相位信号分别取余弦值和正弦值，即分别为I，Q两路的基带信号，经过上变频和相加即可获得GMSK调制信号。

对于FM调制，系统采用先对双极性码进行BPSK调制，再进行FM调制的方式，其表达式为

对于PM调制，系统采用先对双极性码进行BPSK调制，再进行PM调制的方式，其表达式为