RU2796587C1

RU2796587C1 - Satellite modem hardware platform

Info

Publication number: RU2796587C1
Application number: RU2022133813A
Authority: RU
Inventors: Владимир Васильевич Майстренко; Алексей Викторович Богданов
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Радиозавод имени А.С. Попова"
Filing date: 2022-12-22
Publication date: 2023-05-26

Abstract

FIELD: satellite communication network.

SUBSTANCE: hardware platform of the satellite modem comprises a high-frequency (HF) interface, the input of which is connected to the output of the boost converter, and the output is connected to the input of the down converter, the input of the boost converter is connected to the output of the first parallel-to-serial converter, the input of which is connected to the output of the Hartley inverse conversion unit, the output of the first serial-to-parallel converter is connected to the first input of the Hartley inverse transformation unit, the second input of which is connected to the output of the first signal matrix generator, the input of the first serial-to-parallel converter is connected to the first output of the physical layer interface unit, the first input and second output of which are connected to external equipment, and the second input is connected to the output of the second parallel-to-serial code converter, the input of which is connected to the output of the threshold device, the amplitude estimation unit by the Cauchy method is connected by the first and second inputs to the outputs of the second signal matrix shaper and the second serial-to-parallel converter, respectively, and is connected by the output with the input of the threshold device. The down-step converter is connected by its output to the input of the synchronization circuit, the output of which is connected to the input of the subchannel, which is connected by its output to the input of the second serial-to-parallel converter.

EFFECT: increased spectral efficiency, which makes it possible to reduce the frequency band occupied by the signal and reduced computing resources when estimating the received amplitudes by the modified Cauchy method.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к сети спутниковой связи, использующей каналы множественного доступа с временным разделением каналов.The invention relates to a satellite communication network using time division multiple access channels.

Известны спутниковые модемы, использующие протокол MF-TDMA (Multi-Frequency Time-Division Multiple Access-Многочастотный множественный доступ с временным разделением - протокол, используемый в спутниковой связи при передаче данных в обратном канале) и относящиеся к линейке модемов спутникового абонентского оборудования VSAT (Very Small Aperture Terminal - терминал с очень малой апертурой) DVB-S2 (стандарт на вещание цифрового спутникового телевидения). Для передачи информационных пакетов в таких модемах применяется OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing - мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов) с модуляцией QAM (Quadrature Amplitude Modulation - квадратурная амплитудная модуляция), QPSK (Quadrature phase-shift keying - квадратурная манипуляция фазовым сдвигом), n-PSK (n-phase-shift keying - n-фазовая манипуляция) и др. (см. ГОСТ Р 52210-2004 «Телевидение вещательное цифровое. Термины и определения»)Known satellite modems using the MF-TDMA protocol (Multi-Frequency Time-Division Multiple Access-Multi-frequency multiple access with time division - a protocol used in satellite communications for data transmission in the reverse channel) and related to the line of modems of satellite subscriber equipment VSAT (Very Small Aperture Terminal - a terminal with a very small aperture) DVB-S2 (standard for broadcasting digital satellite television). To transmit information packets in such modems, OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing - multiplexing with orthogonal frequency division of channels) is used with QAM (Quadrature Amplitude Modulation - quadrature amplitude modulation), QPSK (Quadrature phase-shift keying - quadrature phase shift keying), n-PSK (n-phase-shift keying - n-phase keying), etc. (see GOST R 52210-2004 "Broadcast digital television. Terms and definitions")

Примером такого модема является изобретение по патенту US 7738596 В2, опубл. 15.06.2010 г., МПК Н04В 7/19, в котором для передачи и приема пакетов информации используются классические модуляторы и демодуляторы на основе БПФ (быстрое преобразование Фурье) и видом модуляции QPSK с протоколом MF-TDMA.An example of such a modem is the invention according to US patent 7738596 B2, publ. 06/15/2010, IPC H04B 7/19, in which classical modulators and demodulators based on the FFT (Fast Fourier Transform) and the QPSK modulation type with the MF-TDMA protocol are used to transmit and receive information packets.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является спутниковый модем (см. патент US 8230464 В2, опубл. 24.07.2012 г., МПК H04N 7/20), аппаратная платформа которого содержит Modulator (модулятор) и Demodulator (демодулятор) OFDM выполненные по классической схеме на основе БПФ, RF frontend (высокочастотный интерфейс), Downconverter (понижающий конвертор), Upconverter (повышающий конвертор), Tracking circuit (схему синхронизации), Sub-Channel Filter (фильтр подканала), Custom MAC Blok (блок интерфейса физического уровня). Передача пакетов информации выполняется по классическому OFDM с применением протокола MF-TDMA.The closest technical solution (prototype) is a satellite modem (see US patent 8230464 B2, publ. 24.07.2012, IPC H04N 7/20), the hardware platform of which contains Modulator (modulator) and Demodulator (demodulator) OFDM made according to the classical FFT-based circuit, RF frontend (high frequency interface), Downconverter (down converter), Upconverter (up converter), Tracking circuit (clocking circuit), Sub-Channel Filter (sub-channel filter), Custom MAC Blok (physical layer interface block). Information packets are transmitted via classical OFDM using the MF-TDMA protocol.

Недостатками известных технических решений являются использование в модуляторе и демодуляторе классического OFDM на основе БПФ, которое имеет низкую спектральную эффективность и высокую сложность в аппаратной реализации.The disadvantages of the known technical solutions are the use in the modulator and demodulator of the classic FFT-based OFDM, which has a low spectral efficiency and high complexity in hardware implementation.

Для формирования и выделения, ортогональных поднесущих в OFDM-модемах спутниковой связи используется пара преобразований Фурье. Поэтому сигналы формируются и передаются в виде временных отрезков определенной структуры, называемых OFDM-символами. Для минимизации влияния эффектов межсимвольной интерференции между отдельными символами вводятся паузы - защитные интервалы (циклическое расширение). Передаваемый по каналу связи пакет состоит из N символов сигналов с OFDM (например, 23 символа с данными и 2 символа преамбулы). Каждый символ дополняется циклическим префиксом (ЦП) длиной 1/4 длительности сигнала с OFDM. Преамбула одинакова для всех пакетов, таким образом, формирование преамбулы происходит только один раз при формировании первого пакета. На приемной стороне изначально не известен момент прихода очередного символа. Кроме того, во избежание потери ортогональности поднесущих при демодуляции, требуется точное фазовое и частотное согласование приемника и передатчика во всей полосе принимаемых сигналов. Фазовое и частотное рассогласование обусловлено разбросом и нестабильностью частот опорных генераторов передатчика и приемника при переносе спектра и доплеровским сдвигом в подвижной связи. Реализация классического способа передачи данных с частотным уплотнением посредством прямого и обратного преобразования Фурье (ПФ) сталкивается с рядом трудностей, среди которых стоит отметить вычислительную сложность, особенно если учесть комплексное представление чисел. Несимметричность ПФ относительно мнимой единицы компенсируется выполнением операции перестановки исходных данных, требующей дополнительных вычислительных затрат. Расстановка частот OFDM поднесущих в многочастотной посылке выбирается так, чтобы сигнальные отклики в приемнике приходились на максимумы амплитудно-частотных характеристик (АЧХ), синтезированных в результате быстрого преобразования Фурье (БПФ) частотных фильтров. Условие ортогональности поднесущих приводит к серьезным недостаткам OFDM: ограниченная спектральная эффективность при использовании относительно широкой полосы частот за счет фиксированных поднесущих; отсутствие адаптивной перестройки частот поднесущих для отстройки от сосредоточенных по спектру помех; чувствительность к доплеровскому смещению частоты, что снижает возможности реализации высокоскоростной связи между движущимися объектами.For the formation and selection of orthogonal subcarriers in satellite OFDM modems, a pair of Fourier transforms is used. Therefore, signals are generated and transmitted in the form of time slices of a certain structure, called OFDM symbols. To minimize the influence of inter-symbol interference effects, pauses are introduced between individual symbols - guard intervals (cyclic expansion). The packet transmitted over the communication channel consists of N OFDM signaling symbols (eg, 23 data symbols and 2 preamble symbols). Each symbol is padded with a cyclic prefix (CP) of length 1/4 of the duration of the OFDM signal. The preamble is the same for all packets, so the preamble generation occurs only once when the first packet is formed. On the receiving side, the moment of arrival of the next symbol is not initially known. In addition, in order to avoid loss of subcarrier orthogonality during demodulation, precise phase and frequency matching of the receiver and transmitter is required over the entire received signal band. Phase and frequency mismatch is caused by the frequency spread and instability of the transmitter and receiver reference oscillators during spectrum transfer and Doppler shift in mobile communications. The implementation of the classical method of data transmission with frequency division multiplexing through the direct and inverse Fourier transform (FT) faces a number of difficulties, among which it is worth noting the computational complexity, especially when considering the complex representation of numbers. The asymmetry of the PF with respect to the imaginary unity is compensated by performing the operation of rearranging the initial data, which requires additional computational costs. The frequency spacing of the OFDM subcarriers in a multi-frequency message is chosen so that the signal responses in the receiver fall on the peaks of the amplitude-frequency characteristics (AFC) synthesized as a result of the fast Fourier transform (FFT) of the frequency filters. The condition of subcarrier orthogonality leads to serious drawbacks of OFDM: limited spectral efficiency when using a relatively wide frequency band due to fixed subcarriers; lack of adaptive tuning of subcarrier frequencies for detuning from interference concentrated over the spectrum; sensitivity to Doppler frequency shift, which reduces the possibility of implementing high-speed communication between moving objects.

При постановке задачи повышения спектральной эффективности классической OFDM предложена структура аппаратной платформы модема с не ортогональным частотным мультиплексированием сигналов N-OFDM, сформированных в базисе Хартли. При таком подходе частотный разнос сигналов может быть меньше релеевского предела разрешения (1/Т), где Т - длительность пакета передачи. То есть в один частотный фильтр может попадать несколько поднесущих. Такой вариант уплотнения сигналов позволяет, помимо решения характерных для OFDM проблем, использовать частотное позиционирование в качестве ключа для дополнительной защиты информации, что невозможно в классической системе с OFDM, а также позволяет выполнить уплотнение поднесущих OFDM-сигнала не менее чем в четыре раза относительно классического OFDM. Как известно, схема обработки сигналов сформированных в базисе Хартли, идентична как на передающей стороне (обратное преобразование Хартли), так и на приемной стороне (прямое преобразование Хартли), а также является вещественным, что существенно упрощает аппаратную и программную реализацию спутникового модема. (https://sibsutis.ru/upload/iblock/681/Dissertation_V.V.Mavstrenko.pdf)When setting the task of increasing the spectral efficiency of classical OFDM, a structure of the modem hardware platform with non-orthogonal frequency multiplexing of N-OFDM signals formed in the Hartley basis is proposed. With this approach, the frequency separation of signals can be less than the Rayleigh resolution limit (1/T), where T is the duration of the transmission packet. That is, several subcarriers can fall into one frequency filter. This option of signal compression allows, in addition to solving problems specific to OFDM, to use frequency positioning as a key for additional information protection, which is impossible in a classical OFDM system, and also allows multiplexing subcarriers of an OFDM signal by at least four times relative to classical OFDM . As you know, the signal processing scheme generated in the Hartley basis is identical both on the transmitting side (inverse Hartley transform) and on the receiving side (direct Hartley transform), and is also real, which greatly simplifies the hardware and software implementation of the satellite modem. (https://sibsutis.ru/upload/iblock/681/Dissertation_V.V.Mavstrenko.pdf)

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение спектральной эффективности, позволяющей уменьшить полосу частот, занимаемую сигналом и снижение вычислительных ресурсов при оценке принимаемых амплитуд модифицированным методом Коши.The technical result to which the invention is directed is an increase in the spectral efficiency, which makes it possible to reduce the frequency band occupied by the signal and the reduction of computational resources when estimating the received amplitudes by the modified Cauchy method.

Указанный технический результат достигается тем, что в аппаратной платформе спутникового модема первый выход блока интерфейса физического уровня подключен к входу первого преобразователя последовательного кода в параллельный, выход которого соединен с первым входом блока обратного преобразования Хартли, ко второму входу которого подключен выход первого формирователя сигнальной матрицы, а выход к входу первого преобразователя параллельного кода в последовательный, выход которого соединен со входом повышающего конвертора, соединенного со входом высокочастотного интерфейса, подключенного к входу и выходу антенной системы, при этом второй выход высокочастотного интерфейса соединен со входом понижающего конвертора, выход которого соединен со входом схемы синхронизации, выходом подключенной к входу фильтра подканала, выход которого соединен со входом второго преобразователя последовательного кода в параллельный, соединенного выходом с первым входом блока оценки амплитуд методом Коши, второй вход которого подключен к выходу второго формирователя сигнальной матрицы, выход блока оценки амплитуд методом Коши подключен к пороговому устройству, соединенному выходом со входом второго преобразователя параллельного кода в последовательный, выход которого подключен ко второму входу блока интерфейса физического уровня, подключенного к внешнему оборудованию.The specified technical result is achieved by the fact that in the satellite modem hardware platform the first output of the physical layer interface unit is connected to the input of the first serial-to-parallel converter, the output of which is connected to the first input of the Hartley inverse transform unit, to the second input of which the output of the first signal matrix shaper is connected, and the output to the input of the first parallel-to-serial converter, the output of which is connected to the input of a boost converter connected to the input of a high-frequency interface connected to the input and output of the antenna system, while the second output of the high-frequency interface is connected to the input of a down-converter, the output of which is connected to the input synchronization circuit, the output of which is connected to the input of the subchannel filter, the output of which is connected to the input of the second serial-to-parallel converter connected by the output to the first input of the Cauchy amplitude estimation unit, the second input of which is connected to the output of the second signal matrix shaper, the output of the Cauchy amplitude estimation unit connected to a threshold device connected by its output to the input of the second parallel-to-serial converter, the output of which is connected to the second input of the physical layer interface unit connected to the external equipment.

Использование в предлагаемом техническом решении блока обратного преобразования Хартли вместо модулятора, а также блока оценки амплитуд методом Коши вместо демодулятора снижает частотную полосу пропускания канала, тем самым, повышая спектральную эффективность.The use of the Hartley inverse transform block instead of the modulator in the proposed technical solution, as well as the Cauchy amplitude estimation block instead of the demodulator reduces the channel bandwidth, thereby increasing the spectral efficiency.

Введенные в аппаратную платформу спутникового модема первый и второй преобразователи последовательного кода в параллельный, первый и второй формирователи сигнальной матрицы, первый и второй преобразователи параллельного кода в последовательный, а также пороговое устройство выполняют вычислительные функции для блоков обратного преобразования Хартли и оценки амплитуд методом Коши, тем самым формируя более узкий спектр частот для передачи информационных пакетов, что способствует достижению поставленной цели.The first and second serial-to-parallel converters, the first and second signal matrix generators, the first and second parallel-to-serial converters, as well as the threshold device, introduced into the hardware platform of the satellite modem, perform computational functions for the Hartley inverse transform blocks and amplitude estimation by the Cauchy method, thus thereby forming a narrower frequency spectrum for the transmission of information packets, which contributes to the achievement of the goal.

На фиг. приведена структурная схема аппаратной платформы спутникового модема.In FIG. the block diagram of the hardware platform of the satellite modem is given.

Аппаратная платформа спутникового модема содержит высокочастотный (ВЧ) интерфейс 1, вход которого соединен с выходом повышающего конвертора 2, а выход со входом понижающего конвертора 6, вход повышающего конвертора 2 соединен с выходом первого преобразователя параллельного кода в последовательный 3, вход которого, соединен с выходом блока обратного преобразования Хартли 4, выход первого преобразователя последовательного кода в параллельный 5 соединен с первым входом блока обратного преобразования Хартли 4, второй вход которого, соединен с выходом первого формирователя сигнальной матрицы 7, вход первого преобразователя последовательного кода в параллельный 5 соединен с первым выходом блока интерфейса физического уровня 8, первый вход и второй выход которого соединены с внешним оборудованием, а второй вход с выходом второго преобразователя параллельного кода в последовательный 15, вход которого соединен с выходом порогового устройства 14, блок оценки амплитуд по методу Коши 13 первым и вторым входами соединен с выходами второго формирователя сигнальной матрицы 10 и второго преобразователя последовательного кода в параллельный 12 соответственно, а выходом со входом порогового устройства 14.The hardware platform of the satellite modem contains a high-frequency (HF) interface 1, the input of which is connected to the output of the up-converter 2, and the output to the input of the down-converter 6, the input of the up-converter 2 is connected to the output of the first parallel-to-serial converter 3, the input of which is connected to the output Hartley inverse conversion unit 4, the output of the first serial-to-parallel converter 5 is connected to the first input of the Hartley inverse conversion unit 4, the second input of which is connected to the output of the first signal matrix generator 7, the input of the first serial-to-parallel converter 5 is connected to the first output of the block interface of the physical layer 8, the first input and the second output of which are connected to external equipment, and the second input to the output of the second parallel-to-serial converter 15, the input of which is connected to the output of the threshold device 14, the amplitude estimation unit by the Cauchy method 13 is connected by the first and second inputs with the outputs of the second signal matrix generator 10 and the second serial-to-parallel converter 12, respectively, and the output with the input of the threshold device 14.

Понижающий конвертор 6 выходом соединен со входом схемы синхронизации 9, выход которой соединен со входом подканала 11, который своим выходом соединен со входом второго преобразователя последовательного кода в параллельный 12.The down converter 6 is connected by its output to the input of the synchronization circuit 9, the output of which is connected to the input of the subchannel 11, which is connected by its output to the input of the second serial-to-parallel converter 12.

Аппаратная платформа спутникового модема работает следующим образом.The hardware platform of the satellite modem works as follows.

ВЧ интерфейс 1 выполняет функцию приемопередатчика, который имеет входы и выходы на антенную систему. Принятый сигнал ВЧ интерфейсом 1 поступает на понижающий конвертор 6, выполняющий функцию переноса принятого сигнала с несущей частоты на низкую частоту, далее принятый сигнал, содержащий информационные пакеты, поступает на схему синхронизации 9, выполняющую временную синхронизацию по протоколу MF-TDMA и временному разделению принятых информационных пакетов. Принятые схемой синхронизации 9 информационные пакеты с ее выхода поступают на фильтр подканала 11, выполняющего канальную фильтрацию принятых информационных пакетов, и далее с его выхода информационные пакеты поступают на второй преобразователь последовательного кода в параллельный 12, который формирует сигнал в матричном виде, подходящем для дальнейшей оценки принятых амплитуд информационных пакетов в блоке оценки амплитуд методом Коши 13. На блок оценки амплитуд методом Коши 13 поступают опорные сигналы в матричном виде со второго формирователя сигнальной матрицы 10, выполняющего функцию генератора опорных сигналов. Далее блок оценки амплитуд методом Коши 13 выполняет частотное разделение поднесущих OFDM-сигнала в принятых информационных пакетах, и передает информационные биты в пороговое устройство 14, выполняющего функции регенерации принятых информационных битов, с которого информационные биты в параллельном коде подаются во второй преобразователь параллельного кода в последовательный 15, выполняющего последовательное преобразование информационных битов, которые поступают в блок интерфейса физического уровня 8 и с него на внешнее оборудование, например, к локальной вычислительной сети. Передаваемые информационные биты от внешнего оборудования поступают на первый вход блока интерфейса физического уровня 8, в котором группируются в информационные пакеты по протоколу MF-TDMA и с его первого выхода поступают на первый преобразователь последовательного кода в параллельный 5, который формирует матрицу информационных пакетов, и с его выхода информационные пакеты поступают на первый вход блока обратного преобразования Хартли 4, а на второй вход этого блока поступают опорные сигналы с выхода первого формирователя сигнальной матрицы 7, выполняющего роль генератора опорных сигналов, и осуществляется модуляция передаваемого сигнала и преобразование его в OFDM-сигнал. С выхода блока обратного преобразования Хартли 4 сформированный OFDM- сигнал поступает на вход первого преобразователя параллельного кода в последовательный 3, выполняющего формирование последовательного кода, с выхода которого информационные пакеты в последовательном коде поступают на вход повышающего конвертора 2, выполняющего перенос на высокую частоту передаваемого в эфир OFDM-сигнала, с выхода которого OFDM-сигнал поступает на вход ВЧ интерфейса 1 и далее сигнал поступает в антенную систему.RF interface 1 functions as a transceiver that has inputs and outputs to the antenna system. The received signal by the RF interface 1 is fed to a downconverter 6, which performs the function of transferring the received signal from the carrier frequency to a low frequency, then the received signal containing information packets is fed to the synchronization circuit 9, which performs time synchronization according to the MF-TDMA protocol and time division of the received information packages. The information packets received by the synchronization circuit 9 are fed from its output to the subchannel filter 11, which performs channel filtering of the received information packets, and then from its output the information packets are sent to the second serial-to-parallel converter 12, which generates a signal in a matrix form suitable for further evaluation received amplitudes of information packets in the amplitude estimation block by the Cauchy method 13. The amplitude estimation block by the Cauchy method 13 receives reference signals in matrix form from the second signal matrix generator 10, which acts as a generator of reference signals. Further, the amplitude estimation block by the Cauchy method 13 performs frequency separation of the subcarriers of the OFDM signal in the received information packets, and transmits the information bits to the threshold device 14, which performs the functions of regenerating the received information bits, from which the information bits in the parallel code are fed to the second parallel-to-serial converter 15, which performs serial conversion of information bits that enter the interface unit of the physical layer 8 and from it to external equipment, for example, to a local area network. The transmitted information bits from external equipment are fed to the first input of the physical layer interface block 8, in which they are grouped into information packets according to the MF-TDMA protocol, and from its first output they are fed to the first serial-to-parallel converter 5, which forms a matrix of information packets, and from its output, information packets are fed to the first input of the Hartley inverse transform block 4, and the second input of this block receives reference signals from the output of the first signal matrix generator 7, which acts as a reference signal generator, and the transmitted signal is modulated and converted into an OFDM signal. From the output of the Hartley inverse transform block 4, the generated OFDM signal is fed to the input of the first parallel-to-serial code converter 3, which performs the formation of a serial code, from the output of which information packets in serial code are fed to the input of an upconverter 2, which carries out the transfer to a high frequency of the broadcast OFDM signal, from the output of which the OFDM signal is fed to the input of the RF interface 1 and then the signal enters the antenna system.

Claims

Satellite modem hardware platform, containing a physical layer interface unit 8, connected by input and output to external equipment, boost converter 2, connected by output to high-frequency interface 1, connected to the input and output of the antenna system, the second output of high-frequency interface 1, connected to down converter 6 connected to the synchronization circuit 9 connected to the subchannel filter 11, characterized in that the hardware platform of the satellite modem is equipped with a Hartley inverse transform unit 4, a Cauchy amplitude estimation unit 13, the first 5 and the second 12 serial-to-parallel converter, the first 7 and the second 10 by the signal matrix shaper, the first 3 and second 15 parallel-to-serial converter, threshold device 14, wherein the first output of the physical layer interface block 8 is connected to the input of the first serial-to-parallel converter 5, the output of which is connected to the first input of the Hartley inverse transform block 4, to the second input of which the output of the first signal matrix generator 7 is connected, and the output to the input of the first parallel-to-serial converter 3, the output of which is connected to the input of the boost converter 2, the output of the subchannel filter 11 is connected to the input of the second serial-to-parallel converter 12, the output of which is connected to the first input of the amplitude estimation block by the Cauchy method 13, the second input of which is connected to the output of the second signal matrix generator 10, the output of the amplitude estimation block by the Cauchy method 13 is connected to the threshold device 14, connected by the output to the input of the second parallel-to-serial code converter 15, the output of which is connected to the second input of the physical layer 8 interface block.