CN112290218B - 一种卫星通信相控阵天线波束快速切换方法 - Google Patents

一种卫星通信相控阵天线波束快速切换方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种卫星通信相控阵天线波束快速切换方法，本发明首先构建相控阵天线波束切换系统，所构建的系统包括天线角度接收模块A、通道解算与装订模块B1、3/8译码器C1，菊花链模块D1至菊花链模块D8，根据相控阵天线的芯片通道规模，可扩展至通道解算与装订模块Bn、3/8译码器Cn，菊花链模块D(n+1)至菊花链模块D(n+8)。通过天线角度接收模块接收相控阵天线波束角度信息，通道解算与装订模块完成芯片通道的幅度相位信息解算，控制3/8译码器选择菊花链模块并传输至菊花链模块内部的芯片。本发明方法能够有效实现卫星通信相控阵天线波束快速切换。

Description

一种卫星通信相控阵天线波束快速切换方法
技术领域
本发明涉及一种相控阵天线波束切换方法，特别是一种卫星通信相控阵天线波束快速切换方法。
背景技术
卫星通信终端是用户接入卫星互联网的唯一入口，随着低轨卫星星座的发展，相控阵天线凭借二维电子扫描的优势，可快速实现大角度的波束调转实现不同卫星跟踪，具备广阔的发展前景，逐渐成为卫星通信终端天线的主要形式。相控阵天线接收天线指向角度后，首先进行通道的幅度相位信息解算，然后将幅度相位信息传输至每一个芯片通道，最后才能进行波束的切换。传统相控阵天线主要用于雷达制导领域，尤其弹载相控阵天线规模较小，芯片通道的相位解算及传输装订时间较短，可实现波束快速切换。但卫星通信的传输距离远、频段高、衰减大，卫星通信终端的相控阵天线口径大，芯片规模达到数百枚以上。受限于卫星通信终端市场低价需求，在低成本要求下数字处理部分硬件资源有限，芯片的幅度相位串行解算及装订时间较长，天线波束将不能及时切换，将影响卫星跟踪的精度，造成通信数据率下降。
发明内容
本发明目的在于提供一种卫星通信相控阵天线波束快速切换方法，解决大规模卫星通信相控阵天线波束快速切换的问题。
为实现上述目的，本发明的一种卫星通信相控阵天线波束快速切换方法具体步骤为：第一步 搭建相控阵天线波束切换系统。相控阵天线波束切换系统，包括天线角度接收模块A、通道解算与装订模块Bn、3/8译码器Cn、菊花链模块D（8n-7）至菊花链模块D（8n）；第二步 天线角度接收模块接收相控阵天线波束角度信息。天线角度接收模块A接收外部对相控阵天线的角度信息输入，然后将角度信息并行发送至各通道解算与装订模块Bn；第三步通道解算与装订模块完成幅度相位信息的解算与数据装订。通道解算与装订模块Bn按照顺序串行解算通过3/8译码器Cn菊花链模块D（8n-7）至菊花链模块D（8n）所有芯片的通道幅度相位数据；各通道解算与装订模块Bn并行进行数据的解算和装订；第四步 菊花链模块完成波束切换。通道解算与装订模块B1至通道解算与装订模块Bn完成数据装订后，将芯片装订的幅度和相位信息执行操作，改变相控阵天线波束。
进一步地，在第一步中，各通道解算与装订模块Bn的数据输出MISO接口连接菊花链模块D（8n-7）至菊花链模块D（8n）的Chip1芯片输入SDI接口。
进一步地，在第一步中，通道解算与装订模块B1的数据输入MOSI接口连接菊花链模块D1至菊花链模块D8的Chip4芯片输出SDO接口。
进一步地，在第一步中，通道解算与装订模块B1的波束控制PUT接口连接菊花链模块D1至菊花链模块D8的所有芯片波束控制LD接口。
进一步地，通道解算与装订模块Bn的CL（3n-2）、CL（3n-1）CL（3n-1）CL（3n-1）、CL（3n）控制信号线连接3/8译码器Cn的信号输入端，用于控制3/8译码器Cn的输出端n+1至n+8的信号电平，3/8译码器Cn输出端1至8按照顺序分别连接菊花链模块D（8n-7）至菊花链模块D（8n）芯片的片选信号CS。
进一步地，菊花链模块D1由4个芯片连接组成,Chip1芯片输出SDO接口连接Chip2芯片输入SDI接口，Chip2芯片输出SDO接口连接Chip3芯片输入SDI接口，Chip3芯片输出SDO接口连接Chip4芯片输入SDI接口，所有菊花链模块连接方法相同且均由4个芯片连接组成。
进一步地，在第二步中，当菊花链模块D1所有芯片通道解算完成后，CL1、CL2、CL3控制信号为000，3/8译码器C1输出端1路为低电平，输出端2至8为高电平；菊花链模块D2至菊花链模块D8片选信号CS为高电平无效，无法接收幅度相位信息的传输；菊花链模块D1片选信号CS在低电平有效情况下，可以接收幅度相位信息的传输；通道解算与装订模块B1通过数据输出MISO接口将通道幅度相位信息传输至菊花链模块D1的Chip1芯片输入SDI接口；Chip1芯片读取幅度相位数据后，通过SDO接口传输至Chip2芯片输入SDI接口，Chip2芯片读取幅度相位数据后，依据此方法完成Chip4芯片的读取，所有芯片读取完成后将芯片装订结果通过Chip4芯片输出SDO接口传输至通道解算与装订模块B1的数据输入MOSI接口；依据同样的流程，完成菊花链模块D（8n-7）至菊花链模块D（8n）所有芯片的幅度相位信息的装订。
进一步地，在第二步中，通道解算与装订模块Bn与菊花链模块D（8n-7）至菊花链模块D（8n）的幅度相位装订过程同通道解算与装订模块B1与菊花链模块D1至菊花链模块D8方法相同。
进一步地，在所述第四步中还包括将波束控制PUT接口电平拉低50个时钟周期，菊花链模块D1至菊花链模块D（8n）的芯片波束控制LD接口低电平有效，同时监测波束控制信号低电平宽度满足5个时钟周期。
应用本发明的技术方案，通道解算与装订模块Bn按照顺序串行解算通过3/8译码器Cn与菊花链模块D（8n-7）至菊花链模块D（8n）所有芯片的通道幅度相位数据。各通道解算与装订模块Bn并行进行数据的解算和装订。这样可以缩短芯片通道的幅度相位解算及装订时间，及时切换天线波束。本发明的技术方案有效地解决了现有技术中的大规模卫星通信相控阵天线波束快速切换的问题。
附图说明
图1 一种卫星通信相控阵天线波束快速切换系统
1. 天线角度接收模块A 2. 通道解算与装订模块B1 3.通道解算与装订模块Bn
4. 3/8译码器C1 5. 3/8译码器Cn 6. 菊花链模块D1 7. 菊花链模块D2
8. 菊花链模块D8 9.菊花链模块D（8n-7） 10.菊花链模块D（8n-6）D（8n-6）
11.菊花链模块D（8n）
实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种卫星通信相控阵天线波束快速切换方法的具体步骤为：
第一步 搭建相控阵天线波束切换系统
相控阵天线波束切换系统，包括天线角度接收模块A、通道解算与装订模块B1、3/8译码器C1，菊花链模块D1至菊花链模块D8。根据相控阵天线的芯片通道规模，可扩展至通道解算与装订模块Bn、3/8译码器Cn，菊花链模块D（8n-7）至菊花链模块D（8n）。
通道解算与装订模块B1的数据输出MISO接口连接菊花链模块D1至菊花链模块D8的Chip1芯片输入SDI接口。通道解算与装订模块B1的数据输入MOSI接口连接菊花链模块D1至菊花链模块D8的Chip4芯片输出SDO接口。通道解算与装订模块B1的波束控制PUT接口连接菊花链模块D1至菊花链模块D8的所有芯片波束控制LD接口。通道解算与装订模块B1的CL1、CL2、CL3控制信号线连接3/8译码器C1的信号输入端，用于控制3/8译码器C1的输出端1至8的信号电平，3/8译码器C1输出端1至8按照顺序分别连接菊花链模块D1至菊花链模块D8芯片的片选信号CS。通道解算与装订模块Bn同3/8译码器Cn和菊花链模块D（8n-7）至菊花链模块D（8n）连接方法同通道解算与装订模块B1与3/8译码器C1和菊花链模块D1至菊花链模块D8连接方法相同。
相控阵天线内部芯片都需要同通道解算与装订模块进行I0管脚连接。大规模的相控阵天线需要数百枚芯片通信，这样极大占用可编程逻辑如FPGA的IO管脚资源。菊花链模块内部芯片首位相接形成通信链路，可有效降低通道解算与装订模块与芯片的通信管脚数量，降低可编程器件的资源需求。菊花链模块D1可由2至8个甚至更多芯片连接组成，连接数量越多，对通道解算与装订模块B1管脚的占用越少。但组成菊花链模块D1内部的芯片数据串行传输，会增加数据装订时间。同时菊花链模块D1内部某个芯片损坏，将导致整个链路数据通信异常，无法正常工作。从数据传输时间和相控阵天线芯片可接收损坏程度，综合分析建议由4个芯片连接组成,Chip1芯片输出SDO接口连接Chip2芯片输入SDI接口，Chip2芯片输出SDO接口连接Chip3芯片输入SDI接口，Chip3芯片输出SDO接口连接Chip4芯片输入SDI接口，所有菊花链模块连接方法相同。
所述组成部分主要功能：
天线角度接收模块的功能是：接收相控阵天线波束角度信息；
通道解算与装订模块的功能是：芯片通道的幅度相位信息解算，并传输至菊花链模块；
3/8译码器的功能是：在通道解算与装订模块控制信号下，选择菊花链模块；
菊花链模块的功能是：接收通道解算与装订模块的幅度相位信息，完成波束切换。
第二步 天线角度接收模块接收相控阵天线波束角度信息
天线角度接收模块接收外部对相控阵天线的角度信息输入，然后将角度信息并行发送至通道解算与装订模块B1至通道解算与装订模块Bn。
第三步 通道解算与装订模块完成幅度相位信息的解算与数据装订
经分析发现菊花链模块数据解算的时间小于菊花链模块幅度相位信息装订时间。在保证快速完成芯片通道幅度相位信息解算及装订的条件下，降低通道解算与装订模块硬件资源需求，采用了模块间幅度相位信息并行解算装订，模块内串行解算装订的方法。尤其是模块内首先解算第一路菊花链模块的幅度相位信息，然后进行数据装订，在装订的过程中，调用相同的硬件资源解算下一路菊花链模块的幅度相位信息，在装订完成前即完成了解算，不增加任何执行时间。具体过程为：通道解算与装订模块B1至通道解算与装订模块Bn接收到天线角度信息后并行进行模块内菊花链模块的解算及装订工作。
以通道解算与装订模块B1工作过程进行描述，通道解算与装订模块B1首先解算第一路菊花链模块，例如菊花链模块D1。解算完成后调用相同的硬件资源解算剩余的菊花链模块通道幅度相位数据。同时进行菊花链模块D1的幅度相位信息装订，通道解算与装订模块B1将CL1、CL2、CL3控制信号设置为000，3/8译码器C1输出端1路为低电平，输出端2至8为高电平。菊花链模块D2至菊花链模块D8片选信号CS为高电平无效，无法接收幅度相位信息的传输。菊花链模块D1片选信号CS在低电平有效情况下，可以接收幅度相位信息的传输。通道解算与装订模块B1通过数据输出MISO接口将通道幅度相位信息传输至菊花链模块D1的Chip1芯片输入SDI接口。Chip1芯片读取幅度相位数据后，通过SDO接口传输至Chip2芯片输入SDI接口，Chip2芯片读取幅度相位数据后，依据此方法完成Chip4芯片的读取，所有芯片读取完成后将芯片装订结果通过Chip4芯片输出SDO接口传输至通道解算与装订模块B1的数据输入MOSI接口。依据同样的流程，通道解算与装订模块B1完成菊花链模块D2至菊花链模块D8所有芯片的幅度相位信息的装订。通道解算与装订模块B1至通道解算与装订模块Bn采用相同的方法并行完成所有的解算及装订过程。
第三步 菊花链模块完成波束切换
通道解算与装订模块B1至通道解算与装订模块Bn完成数据装订后，将波束控制PUT接口电平拉低2个时钟周期以上，建议50个时钟周期，菊花链模块D1至菊花链模块D（8n）的芯片检测波束控制LD接口低电平有效，同时为了抗干扰要求进行波束控制信号宽度判决，必须大于2个时钟周期以上，建议5个时钟周期。满足低电平和宽度要求后，将芯片装订的幅度和相位信息执行操作，改变相控阵天线波束。
至此，完成了相控阵天线波束快速切换。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1. 一种卫星通信相控阵天线波束快速切换方法，其特征在于，具体步骤为：
第一步 搭建相控阵天线波束切换系统
相控阵天线波束切换系统，包括天线角度接收模块A、通道解算与装订模块Bn、3/8译码器Cn、菊花链模块D（8n-7）至菊花链模块D（8n）；各所述通道解算与装订模块Bn的数据输出MISO接口连接所述菊花链模块D（8n-7）至菊花链模块D（8n）的Chip1芯片输入SDI接口；通道解算与装订模块B1的数据输入MOSI接口连接菊花链模块D1至菊花链模块D8的Chip4芯片输出SDO接口；通道解算与装订模块B1的波束控制PUT接口连接菊花链模块D1至菊花链模块D8的所有芯片波束控制LD接口；通道解算与装订模块Bn的CL（3n-2）、CL（3n-1）、CL（3n）控制信号线连接3/8译码器Cn的信号输入端，用于控制3/8译码器Cn的输出端n+1至n+8的信号电平，3/8译码器Cn输出端1至8按照顺序分别连接菊花链模块D（8n-7）至菊花链模块D（8n）芯片的片选信号CS；所述菊花链模块D1由4个芯片连接组成,Chip1芯片输出SDO接口连接Chip2芯片输入SDI接口，Chip2芯片输出SDO接口连接Chip3芯片输入SDI接口，Chip3芯片输出SDO接口连接Chip4芯片输入SDI接口，所有菊花链模块连接方法相同且均由4个芯片连接组成；
第二步 天线角度接收模块接收相控阵天线波束角度信息
所述天线角度接收模块A接收外部对相控阵天线的角度信息输入，然后将角度信息并行发送至各所述通道解算与装订模块Bn；
第三步 通道解算与装订模块完成幅度相位信息的解算与数据装订
通道解算与装订模块Bn按照顺序串行解算通过所述3/8译码器Cn与所述菊花链模块D（8n-7）至菊花链模块D（8n）所有芯片的通道幅度相位数据；
各所述通道解算与装订模块Bn并行进行数据的解算和装订；
第四步 菊花链模块完成波束切换
通道解算与装订模块B1至通道解算与装订模块Bn完成数据装订后，将芯片装订的幅度和相位信息执行操作，改变相控阵天线波束。
2.根据权利要求1所述的卫星通信相控阵天线波束快速切换方法，其特征在于，在所述第二步中，当菊花链模块D1所有芯片通道解算完成后，CL1、CL2、CL3控制信号为000，3/8译码器C1输出端1路为低电平，输出端2至8为高电平；菊花链模块D2至菊花链模块D8片选信号CS为高电平无效，无法接收幅度相位信息的传输；菊花链模块D1片选信号CS在低电平有效情况下，可以接收幅度相位信息的传输；通道解算与装订模块B1通过数据输出MISO接口将通道幅度相位信息传输至菊花链模块D1的Chip1芯片输入SDI接口；Chip1芯片读取幅度相位数据后，通过SDO接口传输至Chip2芯片输入SDI接口，Chip2芯片读取幅度相位数据后，依据此方法完成Chip4芯片的读取，所有芯片读取完成后将芯片装订结果通过Chip4芯片输出SDO接口传输至通道解算与装订模块B1的数据输入MOSI接口；依据同样的流程，完成菊花链模块D（8n-7）至菊花链模块D（8n）所有芯片的幅度相位信息的装订。
3.根据权利要求2所述的卫星通信相控阵天线波束快速切换方法，其特征在于，在所述第二步中，通道解算与装订模块Bn与菊花链模块D（8n-7）至菊花链模块D（8n）的幅度相位装订过程同通道解算与装订模块B1与菊花链模块D1至菊花链模块D8方法相同。
4.根据权利要求1所述的卫星通信相控阵天线波束快速切换方法，其特征在于，在所述第四步中还包括将波束控制PUT接口电平拉低10μs，菊花链模块D1至菊花链模块D（8n）的芯片波束控制LD接口低电平有效；同时监测波束控制信号低电平宽度满足5个时钟周期。
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