CN110765729B - 一种基于soc集成化可扩展卫星通信业务系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SOC集成化可扩展卫星通信业务系统，该发明是实现较传统的卫星通信终端更小的体积、更低成本、更小电路架构复杂度的关键部分，该系统使用双核SOC运行双操作系统，提供抗干扰电路和PCB布局线的原则，解决射频和数字电路高集成度后产生干扰的问题，将射频芯片、恒温高稳时钟等外围接口电路布局到一块电路板上且可实现电路功能重构，使用高密板间连接器实现板卡可扩展，从而实现高集度可扩展的射频模数集成化可扩展卫星通信业务系统，有效降低成本、提高卫星通信业务系统的小型化和通用性。

Description

一种基于SOC集成化可扩展卫星通信业务系统

技术领域

本发明属于卫星通信终端系统设备领域，适用于以应用卫星通信系统中的便携站和小型化终端系统，特别适用于低成本、小型化可扩展的卫星通信的业务终端系统。

背景技术

近年来，随着集成电路发展，卫星通信技术发展日新月异，各种卫星通信地面站都在向小型化发展，并且终端系统的需求数量逐渐在上升。便携式卫星通信地面终端系统集成了微波技术、电子技术、数据采集处理技术、数字信号处理技术等多学科有机结合的产物，在卫星通信系统发展过程中起到小型化平台支撑的作用。便携终端系统通过卫星可以实现话音、数据、视音频等业务，是实现远程数据传输、事故现场、应急通信和现场图像传输等业务的良好手段。小型化卫星通信终端系统具有小体积、重量轻等特点，在遭遇突发事件时,可以采用空运、公路、背负等多种运输方式到达事故现场，并做到随地开展、与指挥中心建立及时的联系，大大消除由于现场交通复杂造成的通信站无法部署的弊端，做到多点部署及时响应，并且其操作使用方便、成本相对大型固定站很低，应用场景多，需求数量大，具有非常广阔的应用场景。在未来卫星通信系统的应用中兼容性强、通用化、小型化、低成本将成为主流卫星通信终端系统。

传统便携式卫星通信终端系统的兼容性、小型化、低成本方面还有很大空间改善：1)卫星通信中的信号在由基带变频到射频需要支持的射频波段不单一和卫通通信的通信模式不单一，造成终端系统内射频电路板的兼容性差不能通用。2)射频模块和高温恒温晶振模块外置需要订制壳体以及高性能的射频传输线，导致便携式的终端系统成本不能更低、体积不能更小。3)便携式卫星通终端系统内依然沿用CPU+FPGA的架构，根据不同通信模式需要至少1到2个CPU芯片，外围电路配置以及电路布局面积不能减小，因此成本、电路体积、以及电路架构的复杂度高，并且有待改善。

综上所述，现有技术存在的缺陷是：在未来卫星通信系统广泛普及前提下，目前传统的便携式卫星通终端系统在兼容性、小型化、低成本等方面还需很大改善才能更好的应用于未来的应用场景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为克服目前传统的便携式卫星通终端系统以上不足，提供了一种基于SOC集成化可扩展卫星通信业务系统。

本发明采用的技术方案为：

一种基于SOC集成化可扩展卫星通信业务系统，包括SOC及外围接口电路模块、射频兼容电路模块、时钟硬件电路模块、电源硬件电路模块和接插件模块；

SOC及外围接口电路模块包括SOC芯片、外部存储Flash、EMMC接口电路、内存DDR3、RTC和温度传感接口电路、RS232接口电路、PHY接口电路、Switch接口电路、RS485接口电路、高速GTX通道接口、射频接口电路、复位接口电路、预留IO和LVDS；SOC及接口硬件电路模块上电复位启动后，SOC芯片主动读取外部存储Flash内的双操作系统的启动代码，把程序分别加载到SOC芯片的微处理器PS和可编程逻辑PL上，微处理器PS运行双操作系统Vxworks和Linux，分别配置管理操作系统需要使用的接口电路；可编程逻辑PL用于将用户数据进行调制后发送至射频兼容电路模块，并接收射频兼容电路模块的基带数据进行解调；

所述射频兼容电路模块，用于接收来自可编程逻辑PL经过调制的数据，将数据调制到中频，然后将中频数据进行中频滤波、放大和阻抗匹配后发射出去；还用于接收中频信号，将中频信号进行阻抗匹配、放大和中频滤波，然后把中频数据转化为基带数据后输出到SOC芯片的可编程逻辑PL；

时钟硬件电路模块，用于给其他模块提供时钟；

接插件模块，用于提供可扩展单元的接口、提供单元的时钟输入输出不同配置接口、提供用户数据接口以及提供开发者调试接口。

其中，所述的SOC及外围接口电路模块采用双核SOC加Flash存储架构，组合上电复位Flash断电电路,由N沟道MOS管和P沟道MOS管组成。

其中，射频兼容电路模块包括射频发送电路和射频接收电路或者只包括射频发送电路；射频发送电路包括依次连接的第一射频变压器、第一射频开关、第一封装兼容滤波器、第二射频开关、第一射频放大电路和第一阻抗匹配电路；第一封装兼容滤波器为L波段下波段滤波器、L波段上波段滤波器或C波段中频滤波器，根据发送的数据频率选择焊接的滤波器类型；

射频接收电路包括依次连接的第二阻抗匹配电路、第二射频放大电路、第二封装兼容滤波器、射频衰减器和第二射频变压器；第二封装兼容滤波器为L波段或C波段中频滤波器，根据接收的数据频率选择焊接的滤波器类型。

其中，所述电源硬件电路模块包括数字电源和模拟电源；数字电源包括顺序连接的第一DC/DC开关电源和第一线性电源；第一DC/DC开关电源为数字电路提供高于3.3V的电压，第一线性电源将第一DC/DC开关电源提供的电压转换为低于2.5V的电压；模拟电源包括顺序连接的第二DC/DC开关电源、第一π型滤波器、第二线性电源、第三线性电源和第二π型滤波器；第二DC/DC开关电源把12V电压转化到模拟电路需要的电源加上第二线性电源的最小压降的电压，转化后的电压经第一π型滤波器进行滤波；第二线性电源把第二DC/DC开关电源转化的电压转化成小于等于5V的电压，第三线性电源把第二线性电源产生的电压再次转化成小于等于3.3V的电压，转化后的电压经第二π型滤波器进行滤波。

其中，将电路板划分为数字电路区域和模拟电路区域，模拟电路区域划分为时钟电路区域、射频发射区域、射频收发区域和模拟电源区域，各个区域之间分别进行地平面回流信号不重叠分割；SOC芯片和电源硬件电路模块的数字电源布局在数字电路区域，时钟硬件电路模块布局在时钟电路区域，射频兼容电路模块的发送电路布局在射频发射区域，射频兼容电路模块的发送和接收电路布局在射频收发区域，电源硬件电路模块的模拟电源布局在模拟电源区域。

采用上述技术方案的有益效果在于：

(1)相对于目前传统的便携式卫星通终端系统，本发明提出的一种基于SOC集成化可扩展卫星通信业务系统的设计思路，利用最新的数字集成电路和模拟集成电路，提高电路的集成度以及射频数字电路混合设计原理与PCB布局布线原则，弥补了以上目前传统的便携式卫星通终端系统的缺陷。

(2)本发明将处理器的软件可编程性和FPGA的硬件可编程性进行完美整合，可为设备提供无语伦比的系统性能、灵活性与可扩展性，可为电路设计带来更低的功耗和成本；

(3)本发明采用双核SOC代替原来使用的CPU+FPGA架构，从而降低电路核心芯片架构的复杂度，减小CPU电路以及配置电路面积等。模拟集成电路方面：设计不同射频波段兼容性电路，订制相同封装中频滤波器和屏蔽罩把射频模块和数字电路集成到一个电路板上进一步降低成本、缩小体积、提高稳定性降低终端系统内部连接的复杂度。

附图说明

图1是本发明实施例的一种基于SOC集成化可扩展卫星通信业务系统与传统系统原理框图对比图。

图2是本发明卫星通信业务系统详细组成框图。

图3是本发明卫星通信业务系统射频兼容电路模块原理图。

图4是本发明一种基于SOC集成化可扩展卫星通信业务系统关键组成框图。

图5是本发明布局图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好的理解本发明。特别需要提醒的是，当以下描述中，已知功能和设计的详细描述可能淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

如图1所示，本发明是一种高集成度基于SOC集成化可扩展卫星通信业务系统可划分为五个综合功能电路模块分别为SOC及外围接口电路模块、射频兼容电路模块、时钟硬件电路模块、电源硬件电路模块和接插件模块。所述SOC及接口模块处理器部分提供两个操作系统运行(Vxworks和Linux)处理用户数据和信道管理功能。在电路提高集成度以后会引入射频干扰和杂散问题，把电路设计PCB时对布局规划原则是最好数字电路和模拟电路在版图上左右分开布局布线，由于模拟电路对干扰源敏感，因此让开关电源等频率器件远离射频电路，并对数字电路和模拟电路的电流回流分割，所述其它硬件电路模块为该系统提供硬件平台并解决以上问题，从而保证系统满足指标的前提下稳定运行。

框图1中SOC及外围接口电路模块包括SOC芯片、外部存储Flash和EMMC接口电路、内存DDR3、RTC和温度传感接口电路、RS232接口电路、PHY接口电路、Switch接口电路、RS485接口电路、高速GTX通道接口、射频接口电路、复位接口电路、预留IO和LVDS；SOC及接口硬件电路模块上电复位启动后，SOC芯片主动读取外部存储Flash内的双操作系统的启动代码，把程序分别加载到SOC芯片的微处理器PS和可编程逻辑PL上，微处理器PS运行双操作系统Vxworks和Linux，分别配置管理操作系统需要使用的接口电路；可编程逻辑PL用于将用户数据进行调制后发送至射频兼容电路模块，并接收射频兼容电路模块的基带数据进行解调；

如图3所示，射频兼容电路模块包括射频发送电路和射频接收电路或者只包括射频发送电路；射频发送电路包括依次连接的第一射频变压器、第一射频开关、第一封装兼容滤波器、第二射频开关、第一射频放大电路和第一阻抗匹配电路；第一封装兼容滤波器为L波段下波段滤波器、L波段上波段滤波器或C波段中频滤波器，根据发送的数据频率选择焊接的滤波器类型；

射频接收电路包括依次连接的第二阻抗匹配电路、第二射频放大电路、第二封装兼容滤波器、射频衰减器和第二射频变压器；第二封装兼容滤波器为L波段或C波段中频滤波器，根据接收的数据频率选择焊接的滤波器类型。

针对中频滤波器的分析，由于L(950-2150MHz)波段和C(2.4GHz-4GHz)波段中频带通滤波器的尺寸大小不同,频率越低封装尺寸越大，在订制中频滤波器时考虑两个中频滤波器的兼容性，让订制的中频滤波器满足一个PCB封装可以实现不同波段的滤波器都可以焊接上。该模块射频发送电路工作在L波段(950-2150MHz)模式时，由于射频后置电路工作在950-1075MHz时，它的二次谐波也在L波段的通带内，因此中频带通滤波器采用滤波器分段的设计原理，分为L下波段950-1250MHz和L上波段1250-2150MHz,在发送时通过开关选通射频信号流通路径对用的波段，从而实现L波段射频发送；工作在C波段模式时，选取L波段的其中一路，焊接为封装兼容C波段中频滤波器，开关选通C波段射频路径。

射频兼容电路模块的器件选型和设计方案需要根据实际需求提供参数选型，对常用的卫星通信终端系统来说要求发送频段常为L波段或C波段，模数/数模转换芯片选用AD9364射频芯片，该器件集成RF前端与灵活的混合信号基带部分为一体，集成频率合成器，为处理器提供可配置数字接口，从而简化设计导入。AD9364工作频率范围为70MHz至6.0GHz，涵盖大部分特许执照和免执照频段，支持的通道带宽范围为200kHz以下至56MHz；在L波段模式时，射频后置电路由于950-1075的二次谐波调制后在L波段的带内，因此射频发射后置电路的滤波设计需要用滤波器分段的设计思路，L下波段950-1250(BPF1200/500)和L上波段(LFCN-2550)设计采用低通滤波器设计，在发送时通过开关选通射频信号的流通路径(对应滤波器上段或下段)；在C波段模式时，射频后置电路的部分，中频滤波器位置L波段和C波段的中频滤波器订制成一样的封装，对应路径安装C波段中频滤波器，开关选通C波段的通路；射频信号经过中频滤波后在经过SBB-508920dB增益放大器放大，最终经由阻抗匹配射频连接器发送出去；接收部分在接收到L波段射频信号后经由950-2150带通滤波器滤波后，再通过接收放大器放大后，进入AD9364变成基带信号输出到SOC的PL侧进行解调。

时钟硬件电路模块提供整板的时钟源。时钟硬件电路模块包括10MHz高稳恒温晶振、33MHz晶振、1分4功率分配器、倍频器、集成锁相环电路、DDS以及不同时钟输入输出10MHz时钟接口。

电源硬件电路模块包括数字电源和模拟电源；数字电源包括顺序连接的第一DC/DC开关电源和第一线性电源；第一DC/DC开关电源为数字电路提供高于3.3V的电压，第一线性电源将第一DC/DC开关电源提供的电压转换为低于2.5V的电压；模拟电源包括顺序连接的第二DC/DC开关电源、第一π型滤波器、第二线性电源、第三线性电源和第二π型滤波器；第二DC/DC开关电源把12V电压转化到模拟电路需要的电源加上第二线性电源的最小压降的电压，转化后的电压经第一π型滤波器进行滤波；第二线性电源把第二DC/DC开关电源转化的电压转化成小于等于5V的电压，第三线性电源把第二线性电源产生的电压再次转化成小于等于3.3V的电压，转化后的电压经第二π型滤波器进行滤波。

接插件模块包括高速高密板间接插件、电源接插件、总线接口接插件、用户接口接插件、射频接插件、JTAG调试接插件、散热器。用于提供可扩展单元的接口、提供单元的时钟输入输出不同配置接口、提供用户数据接口以及提供开发者调试接口。

图2是系统详细组成框图实现具体组成。

SOC及接口硬件电路模块在满足整板上电顺序前提下，成功上电后，SOC根据PS硬件设置的配置方式主动读取QSPI(内部存储双操作系统启动文件和FPGA的逻辑代码)加载到PS和PL上，随后逐步配置、识别操作系统启动相关硬件电路，最后在PS硬核上分别加载运行Vxworks和Linux操作系统，PL上运行调制解调、协议装换、模数/数模等逻辑代码。其中SOC选用Xlinx Z-7045PS部分为双Cortex-A9 ARM内核峰值处理速度上线为1GHz。PL部分兼容K7系列FPGA逻辑资源容量为350K、LUTs容量为218600、RAM容量为19.1Mb、DSP容量为900；为提高SOC配置速度，本方案配置方式设计为双QSPI 8-bit并行快速加载方式。

SOC接口硬件可划分PS BAKN和PL BANK，PS直连接口包括DRR3接口连接两个4Gb的MT41K256M16HA、RGMII与SMI接口连接的千兆PHY 88E1111和千兆Switch 88E6176、EMMC接口连接EMMC SDIN8DE2、IP加速调试串口、两个IIC接口分别为IIC0采集时间和板卡温度和IIC1控制扩展板和LED接口板、复位控制、33MHz时钟及PS上电配置接口；PL直连接口包括458总线接口、访控的调试串口、保密机通信串口、保密机K7 SSC配置接口、秒脉冲信号、两个AD9364接口分别支持单发和收发复用、保密机明密数据接口、看门狗接口连接MAX706、扩展板Sslect Map配置接口、时钟芯片管理接口连接AD9522、时钟频偏调整接口连接DAC7311、DDS接口连接AD9952、扩展板预留LVDS接口、全局时钟接口、三组GTX接口通过1组1通道GTX连接保密机和2组4通到分别连接到K7扩展板上。

图4是射频中频滤波实现关键电路具体组成。一种基于SOC集成化可扩展卫星通信业务系统应用概要图。

图5是本发明布局图，将电路板划分为数字电路区域和模拟电路区域，模拟电路区域划分为时钟电路区域、射频发射区域、射频收发区域和模拟电源区域，各个区域之间分别进行地平面回流信号不重叠分割；SOC芯片和电源硬件电路模块的数字电源布局在数字电路区域，时钟硬件电路模块布局在时钟电路区域，射频兼容电路模块只包括射频发送电路时，发送电路布局在射频发射区域，射频兼容电路模块包括射频发送电路和射频接收电路时，发送和接收电路布局在射频收发区域，电源硬件电路模块的模拟电源布局在模拟电源区域。

本发明具体的设计具有以下效果：

一本发明采用1片SOC代替传统的卫星通信终端系统2片CPU加1片FPGA的架构，从而实现把传统卫星通信终端系统处理数据的芯片由3片变成1片，从而实现电路板数量减少和面积减小；

二本发明将传统卫星通信终端系统外置的射频收发电路和高稳晶振融合到一块电路板上，并通过电路原理和PCB上做好隔离手段(提供布局原则)解决因提高模数混合设计带来电路模块相互干扰的问题，从而去掉射频电路和高稳晶振订制的金属密闭壳体，使卫星通信终端系统极大降低射频电路的成本、减少终端系统内外置模块的数量以及模块之间的连接线的空间复杂度，提高系统的集成度和稳定性。

三本发明将传统卫星通信终端系统不同频段须要多种电路结构及多个板卡，整合设计成一种通用的电路原理以及电路板，从而实现一种电路原理和电路板可以兼容多种波段电路，减少电路板生产种类，在特殊情况电路可以快速改装实现不同波段的需求。

四本发明将传统卫星通信终端系统的接插件采用高密高速板间连接器实现板卡扩展功能，板卡之间预留高速通道和配置接口，从而实现高集度可扩展的射频模数集成化可扩展卫星通信终端系统。

实践表明，该一种基于SOC集成化可扩展卫星通信业务系统设计方法和目前传统的便携式卫星通终端系统相比，电路板面积缩小30％以上、成本下降40％以上、而且电路原理和PCB兼容性提高。通过本发明的以上要点，从而实现卫星通信终端系统的通用化、更低的成本、更小的体积，特别适用于低成本小型化可扩展的卫星通信的业务终端系统。

以上内容是结合具体的优选方式对本发明进行的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明，对于本发明所属技术领域的技术人员而言，在不脱离本发明构思的前提下，还可以引入其他信号和接口进行拓展和替换，都应当视为本发明由所提交的权利说明书确定的发明保护范围。

Claims (5)

1.一种基于SOC集成化可扩展卫星通信业务系统，其特征在于，包括SOC及外围接口电路模块、射频兼容电路模块、时钟硬件电路模块、电源硬件电路模块和接插件模块；

SOC及外围接口电路模块包括SOC芯片、外部存储Flash、EMMC接口电路、内存DDR3、RTC和温度传感接口电路、RS232接口电路、PHY接口电路、Switch接口电路、RS485接口电路、高速GTX通道接口、射频接口电路、复位接口电路、预留IO和LVDS；SOC及外围接口电路模块上电复位启动后，SOC芯片主动读取外部存储Flash内的双操作系统的启动代码，把程序分别加载到SOC芯片的微处理器PS和可编程逻辑PL上，微处理器PS运行双操作系统Vxworks和Linux，分别配置管理操作系统需要使用的接口电路；可编程逻辑PL用于将用户数据进行调制后发送至射频兼容电路模块，并接收射频兼容电路模块的基带数据进行解调；

所述射频兼容电路模块，用于接收来自可编程逻辑PL经过调制的数据，将数据调制到中频，然后将中频数据进行中频滤波、放大和阻抗匹配后发射出去；还用于接收中频信号，将中频信号进行阻抗匹配、放大和中频滤波，然后把中频数据转化为基带数据后输出到SOC芯片的可编程逻辑PL；

时钟硬件电路模块，用于给其他模块提供时钟；

接插件模块，用于提供可扩展单元的接口、提供单元的时钟输入输出不同配置接口、提供用户数据接口以及提供开发者调试接口。

2.根据权利要求1所述的一种基于SOC集成化可扩展卫星通信业务系统，其特征在于：所述的SOC及外围接口电路模块采用双核SOC加Flash存储架构，组合上电复位Flash断电电路,由N沟道MOS管和P沟道MOS管组成。

3.根据权利要求1所述的一种基于SOC集成化可扩展卫星通信业务系统，其特征在于，射频兼容电路模块包括射频发送电路和射频接收电路或者只包括射频发送电路；射频发送电路包括依次连接的第一射频变压器、第一射频开关、第一封装兼容滤波器、第二射频开关、第一射频放大电路和第一阻抗匹配电路；第一封装兼容滤波器为L波段下波段滤波器、L波段上波段滤波器或C波段中频滤波器，根据发送的数据频率选择焊接的滤波器类型；

射频接收电路包括依次连接的第二阻抗匹配电路、第二射频放大电路、第二封装兼容滤波器、射频衰减器和第二射频变压器；第二封装兼容滤波器为L波段或C波段中频滤波器，根据接收的数据频率选择焊接的滤波器类型。

4.根据权利要求1所述的一种基于SOC集成化可扩展卫星通信业务系统，其特征在于，所述电源硬件电路模块包括数字电源和模拟电源；数字电源包括顺序连接的第一DC/DC开关电源和第一线性电源；第一DC/DC开关电源为数字电路提供高于3.3V的电压，第一线性电源将第一DC/DC开关电源提供的电压转换为低于2.5V的电压；模拟电源包括顺序连接的第二DC/DC开关电源、第一π型滤波器、第二线性电源、第三线性电源和第二π型滤波器；第二DC/DC开关电源把12V电压转化到模拟电路需要的电源加上第二线性电源的最小压降的电压，转化后的电压经第一π型滤波器进行滤波；第二线性电源把第二DC/DC开关电源转化的电压转化成小于等于5V的电压，第三线性电源把第二线性电源产生的电压再次转化成小于等于3.3V的电压，转化后的电压经第二π型滤波器进行滤波。

5.根据权利要求4所述的一种基于SOC集成化可扩展卫星通信业务系统，其特征在于，将电路板划分为数字电路区域和模拟电路区域，模拟电路区域划分为时钟电路区域、射频发射区域、射频收发区域和模拟电源区域，各个区域之间分别进行地平面回流信号不重叠分割；SOC芯片和电源硬件电路模块的数字电源布局在数字电路区域，时钟硬件电路模块布局在时钟电路区域，射频兼容电路模块的发送电路布局在射频发射区域，射频兼容电路模块的发送和接收电路布局在射频收发区域，电源硬件电路模块的模拟电源布局在模拟电源区域。

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