CN110460368A - 鸿雁低轨通信卫星信号发射方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种鸿雁低轨通信卫星信号发射方法，基于FPGA+ARM架构硬件，依据鸿雁用户链路空口协议，对用户通信电文依次进行加扰、LDPC编码、组帧、基带成型、调制及DAC转换，然后上变频至射频频点，并进行功率放大，最后通过天线发射给卫星。该方法适应多种不同的数据速率，可以根据数据速率自适应调整发射信号功率；此外，由于低轨卫星相对地面运行速度快，造成的多普勒较大，本发明能对多普勒进行了补偿，保证卫星接收口面频率准确度。
Description
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，具体涉及一种鸿雁低轨通信卫星信号发射方法。
背景技术
低轨卫星通信系统由数百颗低轨卫星组成，可提供面向全球的智能终端通信、物联网、移动广播、导航增强、航空航海监视、宽带互联网接入等服务。2018年12月29日，鸿雁首颗试验星（以下简称首发星）在酒泉发射场发射成功，为用户提供数据交换、数据采集、数据广播等服务。
首发星为国内首颗低轨通信卫星，通信体制和星地接口规范皆为专门制定，目前国内外尚无专用的地面接收发射装置，为适应在轨测试需求，并为组网星进行技术验证，需要研发专属信号发射装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种鸿雁低轨通信卫星信号发射方法，解决多速率发射信号生成、动态功率控制、发射频率多普勒补偿等技术问题。
本发明所采用的技术方案为：
鸿雁低轨通信卫星信号发射方法，其特征在于：
基于FPGA+ARM架构硬件，依据鸿雁用户链路空口协议，对用户通信电文依次进行加扰、LDPC编码、组帧、基带成型、调制及DAC转换，然后上变频至射频频点，并进行功率放大，最后通过天线发射给卫星。
FPGA+ARM架构硬件包括ARM处理器、FPGA处理器、DAC转换器、射频通道和天线；
ARM处理器通过串口接收用户要发送的通信电文，通过串口任务解析后，按照鸿雁链路层协议进行组包，发送给FPGA处理器，同时将工作模式、数据速率、发射数据长度发送给FPGA处理器；
FPGA处理器对通信电文进行加扰、LDPC编码、组帧、基带成型及调制，将数字调制信号发送至DAC转换器；
DAC转换器完成信号的模数转换，将模拟中频信号发送至射频通道；
射频通道将中频信号上变频至L频段，并进行功率放大后发送至天线；
天线将L频段信号发送至卫星。
FPGA处理器将接收多普勒发送给ARM，ARM处理器进行发射频率补偿值计算，反馈给FPGA处理器。
用户待发射数据通过串口输入至ARM处理器，首先进行数据的CRC校验，然后进行串口协议解析。
FPGA处理器收到ARM处理器发射申请后打开功放，接收ARM处理器组包后的发射数据，缓存入RAM1，RAM1存储结束后进行数据加扰，加扰后的数据缓存入RAM2中，然后对RAM2中的数据进行LDPC编码，编码后的数据分为I、Q两路缓存入RAM3和RAM4，同时帧头和帧尾也缓存入RAM3和RAM4，然后对RAM3和RAM4中的数据进行DQPSK映射，再经过基带成型滤波器和低通滤波器，后与中频载波进行调制，生成数字调制信号发射出去，发射完毕后关闭功放。
多普勒频率补偿的具体步骤为：
首先ARM处理器采用滑窗方法对接收多普勒进行平滑，然后根据接收和发射频率比值进行尺度变换，获得发射频率应补偿的多普勒值，将该值写给FPGA处理器，FPGA处理器利用该值补偿发射载波NCO的频率控制字，获得实际的发射频率，通过DDS生成sin和cos调制载波，然后和基带成型后的发射数据进行调制，送至DAC进行数模转换后获得模拟中频信号。
射频通道对信号的处理具体为：
模拟中频信号进入射频通道后首先进行功率调整和滤波，抑制带外干扰，然后与本振进行混频，将中频信号上变频至L频段，经放大和滤波后滤除高频分量，并进行镜频抑制，再经过数控衰减器和放大器，控制进入功放的信号功率，实现发射功率控制。
功放采用多级级联放大器。
天线采用微带天线，接收和发射两层一体，并采用双馈提高轴比性能。
本发明具有以下优点：
鸿雁卫星系统处于建设起始阶段，目前尚无鸿雁地面专用信号接收发射装置，本发明提出的信号发射装置，采用FPGA+ARM架构硬件平台，依据鸿雁用户链路空口协议，对用户通信电文依次进行加扰、LDPC编码、组帧、基带成型、调制及DAC转换，然后上变频至射频频点，并进行功率放大，最后通过天线发射给卫星。该发射装置适应多种不同的数据速率，可以根据数据速率自适应调整发射信号功率。此外，由于低轨卫星相对地面运行速度快，造成的多普勒较大，为保证卫星接收口面频率准确度，发射装置对多普勒进行了补偿。本发明已经应用于首发星的在轨测试，测试结果表明该发射装置功能全面，性能优异，后续可进行应用推广。
附图说明
图1是鸿雁低轨通信卫星信号发射装置原理图；
图2是ARM处理流程图；
图3是FPGA处理流程图；
图4是发射频率补偿原理图；
图5是射频通道原理图；
图6是天线增益方向图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
本发明涉及一种鸿雁低轨通信卫星信号发射方法，基于FPGA+ARM架构硬件，依据鸿雁用户链路空口协议，对用户通信电文依次进行加扰、LDPC编码、组帧、基带成型、调制及DAC转换，然后上变频至射频频点，并进行功率放大，最后通过天线发射给卫星。
1、总体工作流程
如图1所示，信号发射装置由ARM处理器、FPGA处理器、DAC转换器、射频通道和天线组成，其中ARM处理器通过串口接收用户要发送的通信电文，通过串口任务解析后，按照鸿雁链路层协议进行组包，发送给FPGA处理器，同时将工作模式、数据速率、发射数据长度发送给FPGA处理器；FPGA处理器对通信电文进行加扰、LDPC编码、组帧、基带成型及调制，将数字调制信号发送至DAC转换器；DAC转换器完成信号的模数转换，将模拟中频信号发送至射频通道；射频通道将中频信号上变频至L频段，并进行功率放大后发送至天线；天线将L频段信号发送至卫星。
2、ARM处理流程
如图2所示，用户待发射数据通过串口输入至ARM处理器，首先进行数据的CRC校验，然后进行串口协议解析，按照约定的卫星信号格式组包，发送给FPGA，同时将发射数据长度、数据速率、发射功率、发射信道等配置参数发送给FPGA。此外FPGA将接收多普勒发送给ARM，ARM进行发射频率补偿值计算，反馈给FPGA。
3、FPGA工作流程及频率补偿
如图3所示，FPGA收到ARM发射申请后打开功放，接收ARM组包后的发射数据，缓存入RAM1，RAM1存储结束后进行数据加扰，加扰后的数据缓存入RAM2中，然后对RAM2中的数据进行LDPC编码，编码后的数据分为I、Q两路缓存入RAM3和RAM4，同时帧头和帧尾也缓存入RAM3和RAM4，然后对RAM3和RAM4中的数据进行DQPSK映射，再经过基带成型滤波器和低通滤波器，后与中频载波进行调制，生成数字调制信号发射出去，发射完毕后关闭功放。
鸿雁卫星为低轨卫星，和地面接收发射装置的相对运行速度较快，从而对下行和上行信号带来较大的多普勒。对于下行多普勒，地面设备需具备较强的多普勒捕获和跟踪能力。对于上行多普勒，由于不同位置不同类型的地面设备产生的多普勒不一致，会导致卫星接收的时候出现频谱重叠、信道交叉等问题，影响数据通信的正常进行。因此需要通过校频技术来实现上行多普勒频率的补偿，从而提高系统的频率利用率，减小星上接收机的实现复杂度。多普勒频率补偿原理图如图4所示。首先ARM处理器采用滑窗方法对接收多普勒进行平滑，然后根据接收和发射频率比值进行尺度变换，获得发射频率应补偿的多普勒值，将该值写给FPGA处理器，FPGA处理器利用该值补偿发射载波NCO的频率控制字，获得实际的发射频率，通过DDS生成sin和cos调制载波，然后和基带成型后的发射数据进行调制，送至DAC进行数模转换后获得模拟中频信号。
4、射频通道工作流程
卫星接收信号为L频段，且不同数据速率需要的发射功率不同，因此DAC输出的模拟中频信号还需上变频至L频段，并且进行功率放大和发射功率控制，其原理图如图5所示。模拟中频信号进入射频通道后首先进行功率调整和滤波，抑制带外干扰，然后与本振进行混频，将中频信号上变频至L频段，经放大和滤波后滤除高频分量，并进行镜频抑制，再经过数控衰减器和放大器，控制进入功放的信号功率，实现发射功率控制。功放采用多级级联放大器，具有温度补偿功能，保证宽温范围内功放增益稳定度。
5、天线
天线将L频段射频信号发射至卫星，采用微带天线，接收和发射两层一体设计，并采用双馈提高轴比性能，其增益仿真图如图6所示。
本发明已经成功应用于鸿雁首发星的在轨测试，可适应多种数据速率，功率可控，且发射频率补偿精度较高，功能全面，性能优异，可进行行业应用推广。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.鸿雁低轨通信卫星信号发射方法，其特征在于：
基于FPGA+ARM架构硬件，依据鸿雁用户链路空口协议，对用户通信电文依次进行加扰、LDPC编码、组帧、基带成型、调制及DAC转换，然后上变频至射频频点，并进行功率放大，最后通过天线发射给卫星。
2.根据权利要求1所述的鸿雁低轨通信卫星信号发射方法，其特征在于：
FPGA+ARM架构硬件包括ARM处理器、FPGA处理器、DAC转换器、射频通道和天线；
ARM处理器通过串口接收用户要发送的通信电文，通过串口任务解析后，按照鸿雁链路层协议进行组包，发送给FPGA处理器，同时将工作模式、数据速率、发射数据长度发送给FPGA处理器；
FPGA处理器对通信电文进行加扰、LDPC编码、组帧、基带成型及调制，将数字调制信号发送至DAC转换器；
DAC转换器完成信号的模数转换，将模拟中频信号发送至射频通道；
射频通道将中频信号上变频至L频段，并进行功率放大后发送至天线；
天线将L频段信号发送至卫星。
3.根据权利要求2所述的鸿雁低轨通信卫星信号发射方法，其特征在于：
FPGA处理器将接收多普勒发送给ARM，ARM处理器进行发射频率补偿值计算，反馈给FPGA处理器。
4.根据权利要求3所述的鸿雁低轨通信卫星信号发射方法，其特征在于：
用户待发射数据通过串口输入至ARM处理器，首先进行数据的CRC校验，然后进行串口协议解析。
5.根据权利要求4所述的鸿雁低轨通信卫星信号发射方法，其特征在于：
FPGA处理器收到ARM处理器发射申请后打开功放，接收ARM处理器组包后的发射数据，缓存入RAM1，RAM1存储结束后进行数据加扰，加扰后的数据缓存入RAM2中，然后对RAM2中的数据进行LDPC编码，编码后的数据分为I、Q两路缓存入RAM3和RAM4，同时帧头和帧尾也缓存入RAM3和RAM4，然后对RAM3和RAM4中的数据进行DQPSK映射，再经过基带成型滤波器和低通滤波器，后与中频载波进行调制，生成数字调制信号发射出去，发射完毕后关闭功放。
6.根据权利要求5所述的鸿雁低轨通信卫星信号发射方法，其特征在于：
多普勒频率补偿的具体步骤为：
首先ARM处理器采用滑窗方法对接收多普勒进行平滑，然后根据接收和发射频率比值进行尺度变换，获得发射频率应补偿的多普勒值，将该值写给FPGA处理器，FPGA处理器利用该值补偿发射载波NCO的频率控制字，获得实际的发射频率，通过DDS生成sin和cos调制载波，然后和基带成型后的发射数据进行调制，送至DAC进行数模转换后获得模拟中频信号。
7.根据权利要求6所述的鸿雁低轨通信卫星信号发射方法，其特征在于：
射频通道对信号的处理具体为：
模拟中频信号进入射频通道后首先进行功率调整和滤波，抑制带外干扰，然后与本振进行混频，将中频信号上变频至L频段，经放大和滤波后滤除高频分量，并进行镜频抑制，再经过数控衰减器和放大器，控制进入功放的信号功率，实现发射功率控制。
8.根据权利要求7所述的鸿雁低轨通信卫星信号发射方法，其特征在于：
功放采用多级级联放大器。
9.根据权利要求8所述的鸿雁低轨通信卫星信号发射方法，其特征在于：
天线采用微带天线，接收和发射两层一体，并采用双馈提高轴比性能。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CP03 | Change of name, title or address |