CN112953622A - 卫星通信装置 - Google Patents

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郭俊伟
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Abstract

本公开提供一种卫星通信装置，包括：信号收发模块、射频前端模块和信号处理模块，射频前端模块的两端分别与信号收发模块与信号处理模块连接；信号处理模块包括模拟数字转换单元、数字模拟转换单元和现场可编程门阵列，模拟数字转换单元和数字模拟转换单元均与现场可编程门阵列连接；其中，模拟数字转换单元用于将第一模拟基带信号转换为第一数字基带信号并发送给现场可编程门阵列，以使现场可编程门阵列对第一数字基带信号进行信号处理；数字模拟转换单元用于将可编程门阵列发送的第二数字基带信号转换为第二模拟基带信号，并将第二模拟基带信号发送给射频前端模块。

Description

卫星通信装置
技术领域
本公开属于无线通信技术领域，具体涉及一种卫星通信装置。
背景技术
低轨道卫星主要用于军事目标探测，利用低轨道卫星容易获得目标物高分辨率图像。低轨道卫星也用于手机通讯，卫星的轨道高度低使得传输延时短，路径损耗小，多个卫星组成的通讯装置可以实现真正的全球覆盖，频率复用更有效，故而低轨道卫星成为最新最有前途的卫星移动通信装置。
然而，如何实现低轨道卫星通信装置的高速率与体积小型化成为亟待要解决的技术问题。
发明内容
本公开旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种卫星通信装置。
第一方面，本公开实施例提供一种卫星通信装置，包括信号收发模块、射频前端模块和信号处理模块，所述射频前端模块的两端分别与所述信号收发模块与所述信号处理模块连接；
所述射频前端模块用于将所述信号收发模块接收到的模拟射频信号转化为模拟基带信号并发送给所述信号处理模块，或者用于将所述信号处理模块发出的模拟基带信号转化为模拟射频信号并发送给所述信号收发装置；
所述信号处理模块包括模拟数字转换单元、数字模拟转换单元和现场可编程门阵列，所述模拟数字转换单元和所述数字模拟转换单元均与所述现场可编程门阵列连接；
其中，所述模拟数字转换单元用于将第一模拟基带信号转换为第一数字基带信号并发送给现场可编程门阵列，以使现场可编程门阵列对所述第一数字基带信号进行信号处理；所述数字模拟转换单元用于将现场可编程门阵列发送的第二数字基带信号转换为第二模拟基带信号，并将所述第二模拟基带信号发送给所述射频前端模块，以使所述射频前端模块将所述第二模拟基带信号转换成第二模拟射频信号后，再由所述信号收发模块进行发送。
可选地，所述射频前端模块包括射频接收子电路和射频发送子电路；所述射频接收子电路的输入端与所述信号收发模块连接，所述射频接收子电路的输出端与所述信号处理模块的模拟数字转换电路连接；所述射频发送子电路的输入端与所述信号处理模块的数字模拟转换电路连接，所述射频发送子电路的输出端与所述信号收发模块连接。
可选地，所述射频接收子电路具体包括功率放大器、第一混频器和第一滤波器，所述功率放大器、所述第一混频器和所述第一滤波器依次连接，其中，所述功率放大器的输入端与所述信号收发模块连接，所述第一滤波器的输出端与所述信号处理模块的模拟数字转换电路连接。
可选地，所述射频发送子电路包括第二混频器、第二滤波器和低噪声放大器，所述第二混频器、所述第二滤波器和所述低噪声放大器依次连接，其中，所述第二混频器输入端与所述信号处理模块的数字模拟转换电路连接，所述低噪声放大器的输出端与所述信号收发模块连接。
可选地，所述信号处理模块还包括所述数字上变频单元和数字下变频单元，所述数字上变频单元与所述数字模拟转换单元连接，所述数字下变频单元与所述模拟数字转换单元连接，所述模拟数字转换单元和所述数字模拟转换单元均与所述现场可编程门阵列连接。
可选地，所述卫星通信装置还包括时钟单元，所述时钟单元与所述模拟数字转换单元、所述现场可编程门阵列以及所述数字模拟转换单元连接，并用于将时钟信号分配至所述模拟数字转换单元、所述现场可编程门阵列以及所述数字模拟转换单元。
可选地，所述信号处理模块还包括微处理单元，所述微处理单元与现场可编程门阵列连接，用于将外部程序加载至所述现场可编程门阵列。
可选地，所述现场可编程门阵列包括依次连接的发送链路、信息处理单元和接收链路；
所述发送链路用于根据所述信息处理单元的数据发送指令，对待发送的数据信号进行编码、加扰和QPSK调制后，进行发送；
所述接收链路用于根据所述信息处理单元的数据接收指令，对接收到的变频信号进行数字分路和信道化处理，分为若干个子信道，并将每个子信道的数据信号进行解调、解扰和译码处理后进行发送。
可选地，所述发送链路包括依次连接的：
编码单元，对数据信号进行Turbo编码；
加扰单元，采用扰码生成函数对Turbo编码后的数据信号进行卷积加扰；
调制单元，对卷积加扰后的数字信号进行QPSK调制，生成调制信号。
可选地，所述接收链路包括依次连接的解调单元、解扰单元和译码单元。
可选地，所述信号处理模块还包括软判决纠错编码单元，由于对所述编码进行实时校验和纠错。
可选地，信号处理模块还包括接口电路，所述接口电路为EMMC接口电路、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通道接口电路、射频接口电路、复位接口电路、预留IO接口电路和LVDS接口电路中的一个或多个。
附图说明
图1为本公开实施例提供的一种卫星通信装置的结构示意图；
图2为本公开实施例提供的另一种卫星通信装置的结构示意图；
图3为本公开实施例提供的又一种卫星通信装置的结构示意图；
图4为本公开实施例提供的一种现场可编程门阵列的结构示意图；
图5为本公开实施例提供的一种现场可编程门阵列中运行的算法流程图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细描述。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
现有技术中，低轨道卫星主要用于军事目标探测，利用低轨道卫星容易获得目标物高分辨率图像。低轨道卫星也用于手机通讯，卫星的轨道高度低使得传输延时短，路径损耗小，多个卫星组成的通讯装置可以实现真正的全球覆盖，频率复用更有效，故而低轨道卫星成为最新最有前途的卫星移动通信装置。然而，现有的低轨道卫星通信装置存在体积大以及传输速率慢的问题。
为了至少上述技术问题之一，本公开实施例提供了一种卫星通信装置，下面结合附图和具体实施方式对本公开实施例提供的卫星通信装置作进一步详细描述。
第一方面，图1为本公开实施例提供的一种卫星通信装置的结构示意图，如图1所示，本公开实施例提供了一种卫星通信装置，包括信号收发模块3、射频前端模块2和信号处理模块1，射频前端模块2的两端分别与信号收发模块3与信号处理模块1连接。其中，射频前端模块2用于将信号收发模块3接收到的模拟射频信号转化为模拟基带信号并发送给信号处理模块1，或者用于将信号处理模块1发出的模拟基带信号转化为模拟射频信号并发送给信号收发装置3。
信号处理模块1包括模拟数字转换单元11、数字模拟转换单元12和现场可编程门阵列13，模拟数字转换单元11和数字模拟转换单元12均与现场可编程门阵列13电性连接。其中，模拟数字转换单元11用于将第一模拟基带信号转换为第一数字基带信号并发送给现场可编程门阵列13，以使现场可编程门阵列13对第一数字基带信号进行信号处理；数字模拟转换单元12用于将可编程门阵列13发送的第二数字基带信号转换为第二模拟基带信号，并将第二模拟基带信号发送给射频前端模块2，以使射频前端模块2将第二模拟基带信号转换成第二模拟射频信号后，再由信号收发模块3进行发送。信号收发模块3可以为天线等用于接收电磁波信号的装置。
在本实施例中，通过将模拟数字转换单元11和数字模拟转换单元12均与现场可编程门阵列13电性连接，并且将模拟数字转换单元11、数字模拟转换单元12和现场可编程门阵列13都集成在信号处理模块1中，相比于现有技术，减小了卫星通信装置的体积，实现了卫星的小型化，减少卫星系统的研发与使用费用，同时，单个信号处理模块的设计，有利于实现数据保密。
在一些实施例中，图2为本公开实施例提供的另一种卫星通信装置的结构示意图，如图2所示，射频前端模块2包括射频接收子电路21和射频发送子电路22。射频接收子电路21的输入端与信号收发模块3连接，射频接收子电路21的输出端与信号处理模块1的模拟数字转换电路11连接。射频发送子电路22的输入端与信号处理模块1的数字模拟转换电路12连接，射频发送子电路22的输出端与信号收发模块3连接。
继续参考图2，在一些实施例中，射频前端模块2可以包含多个射频接收子电路21，本实施例是以射频前端模块2中的一个射频接收子电路22为例进行说明。在本实施例中，射频接收子电路21均包括功率放大器LNA、第一混频器MIX1和第一滤波器。功率放大器LNA、第一混频器MIX1和第一滤波器依次电性连接，其中，功率放大器LNA的输入端与信号收发模块3连接，第一滤波器的输出端与信号处理模块1的模拟数字转换单元11连接。需要说明的，第一滤波器、功率放大器LNA和第一混频器MIX1的个数可根据具体情况进行设定，在此不做具体限制。
在本实施例中，射频接收子电路21的功率放大器LNA、第一混频器MIX1和第一滤波器依次电性连接，其中，功率放大器LNA的输入端与信号收发模块3连接，第一滤波器的输出端与信号处理模块1的模拟数字转换单元11连接，即形成了信号的射频接收通道，信号收发模块3接收到的射频信号可通过射频接收通道到达信号处理模块1。因此，通过将射频接收子电路21设置为多个(即具有多条射频接收通道)，增加了射频带宽，提高了信号的接收速率。
继续参考图2，在一些实施例中，射频前端模块2可以包含多个射频发送子电路22，本实施例是以射频前端模块2中的一个射频发送子电路22为例进行说明。在本实施例中，射频发送子电路22包括第二混频器MIX2、第二滤波器和低噪声放大器PA。其中，第二混频器MIX2、第二滤波器和低噪声放大器PA依次电性连接，其中，第二混频器MIX2输入端与信号处理模块1的数字模拟转换单元12连接，低噪声放大器PA的输出端与信号收发模块3连接。
在本实施例中，射频发送子电路22的第二混频器MIX2、第二滤波器和低噪声放大器PA依次电性连接，第二混频器MIX2输入端与信号处理模块1的数字模拟转换单元12连接，低噪声放大器PA的输出端与信号收发模块3连接，即形成了信号的射频发送通道，信号处理模块1发送的信号可通过射频发送通道到达信号收发模块3。因此，通过将射频发送子电路22设置为多个(即具有多条射频发送通道)，增加了射频带宽，提高了信号的接收速率。
图3为本公开实施例提供的又一种卫星通信装置的结构示意图，射频前端模块2可以具有多个射频接收子电路21和多个射频发送子电路22，本实施例是以射频前端模块2具有两个射频接收子电路21和两个射频发送子电路22为例进行说明的。如图3所示，信号处理模块1还包括数字上变频单元14和数字下变频单元15，数字上变频单元14与数字模拟转换单元12连接，数字下变频单元15与模拟数字转换单元11连接，模拟数字转换单元11和数字模拟转换单元12均与现场可编程门阵列13电性连接。其中，数字上变频单元14用于对数字模拟转换单元发送的信号滤波、信号调整和下变频处理，数字上变频单元15用于对现场可编程门阵列13发送的信号进行滤波、信号调整和下变频处理。
工作过程如下：首先，数据从网络或者光纤进入信号处理模块1，信号处理模块1负责数据的收发，发射信号走数模转换通道，接收走模数转换通道；其次，接收通道由数字下变频单元15、模拟数字转换单元11、第一滤波器、第一混频器MIX1、振荡器、低噪声放大器LNA以及天线构成，实现由模拟射频信号到数字基带信号的转换过程；发射通道由数字上变频单元14、数字模拟转换单元12、第二混频器MIX2、振荡器、第二滤波器、功放PA以及天线构成，实现由数字基带信号到模拟射频信号的转换过程。
在本实施例中，通过将数字上变频单元14和数字下变频单元15都集成在信号处理模块1中，相比于现有技术，减小了卫星通信装置的体积，实现了卫星的小型化，并且减少了生产成本。进一步地，由于信号处理模块1可以与多条射频发送或接收通道连接，实现信号的发送与接收，从而增加了射频带宽，提高了信号的接收速率。
图4为本公开实施例提供的现场可编程门阵列13的结构示意图，如图4所示，现场可编程门阵列13包括依次连接的发送链路、信息处理单元134和接收链路。发送链路用于根据信息处理单元134的数据发送指令，对待发送的数据信号进行编码、加扰和QPSK调制后，进行发送。接收链路用于根据信息处理单元134的数据接收指令，对接收到的变频信号进行数字分路和信道化处理，分为若干个子信道，并将每个子信道的数据信号进行解调、解扰和译码处理后进行发送。
其中，发送链路包括依次连接的编码单元131、加扰单元132和调制单元133。编码单元131用于对数据信号进行Turbo编码；加扰单元132用于采用扰码生成函数对Turbo编码后的数据信号进行卷积加扰；调制单元133用于对卷积加扰后的数字信号进行QPSK调制，生成调制信号。接收链路包括依次连接的解调单元135、解扰单元134和译码单元137，其中，解调单元135、解扰单元134和译码单元137实现与调制单元133、加扰单元132和编码单元131相反的操作过程。
需要说明的是，信号处理模块1还可以包括其他类型的单元，具体可以根据现场可编程门阵列的物理层中运行的算法进行设置，在此不做具体限定。
在本实施例中，通过现场可编程门阵列加载相应的算法，即可对信号进行调制和解调，与现有技术中以硬件为基础的调制解调，可以利用软件算法实现，具有实现高速率和低功耗的优点。同时，由于使用了QPSK高阶调制，从而提高了射频带宽。
图5为本公开实施例提供一种现场可编程门阵列中运行的算法流程图，如图5所示，发送部分的算法流程：网络或者光纤将数据包传入到现场可编程门阵列，在现场可编程门阵列内部给数据进行加载CRC(循环冗余校验)→对数据进行分块→每块数据再添加CRC→进行Turbo码的编码→加入RM(速率匹配)与HARQ(高速数据重传模块)，将两者进行级联→加上扰码→进行QPSK调制→进行层映射与预编码→生成DMRS(解调参考信号)进行资源映射→生成OFDM信号→加上CP(循环前缀)→通过天线将无线信号发送出去。
接收部分的算法流程：去处CP→通过IFFT解出OFDM信号→对资源进行映射→通过均衡信道估计进行预编码的解码→解出层映射→解调数据信息→去除扰码→进行及联模块的解调→速率匹配→当发现速率匹配错误时进行数据重传→当RM实现时，进行Turbo码的解码→CRC校验解出数据块→进行CRC校验→将数据包解调出来→供高层协议使用。
在一些实施例中，如图3所示，信号处理模块1还包括软判决纠错编码单元18，通过在信号处理模块1中设置软判决纠错编码单元18，实现了对编码的实时校验和纠错，保证了数据的准确性和有效性。
在一些实施例中，如图3所示，信号处理模块1还包括微处理单元17，微处理单元17与现场可编程门阵列13连接，用于将外部程序加载至现场可编程门阵列。
在一些实施例中，所述卫星通信装置还包括时钟单元16，时钟单元16与模拟数字转换单元11、现场可编程门阵列13以及数字模拟转换单元12连接，并用于将时钟信号分配至模拟数字转换单元11、现场可编程门阵列以及数字模拟转换单元12。
在一些实施例中，信号处理模块1还包括接口电路，接口电路为EMMC接口电路、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通道接口电路、射频接口电路、复位接口电路、预留IO接口电路和LVDS接口电路中的一个或多个。通过设置多个接口电路，便于实现天线的赋形。
在一些实施例中，所述信号处理模块1可采用SOC(系统级芯片)技术，优选的，可选用Xilinx Zynq UltraScale+RFSoC ZCU208，RF-SOC ZCU208内部自带处理器，能够实现射频的接收发射控制、接收增益与发射增益、开关切换控制、数据通道选择以及采样率选择等等。由于卫星上面的空间资源非常昂贵，选用Xilinx的方案，有利于降低成本，接收发送速率高，应用在民用航空航天项目不存在限制使用问题。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本公开的原理而采用的示例性实施方式，然而本公开并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本公开的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本公开的保护范围。

Claims (12)

1.一种卫星通信装置，其特征在于，包括信号收发模块、射频前端模块和信号处理模块，所述射频前端模块的两端分别与所述信号收发模块与所述信号处理模块连接；
所述射频前端模块用于将所述信号收发模块接收到的模拟射频信号转化为模拟基带信号并发送给所述信号处理模块，或者用于将所述信号处理模块发出的模拟基带信号转化为模拟射频信号并发送给所述信号收发装置；
所述信号处理模块包括模拟数字转换单元、数字模拟转换单元和现场可编程门阵列，所述模拟数字转换单元和所述数字模拟转换单元均与所述现场可编程门阵列连接；
其中，所述模拟数字转换单元用于将第一模拟基带信号转换为第一数字基带信号并发送给所述现场可编程门阵列，以使所述现场可编程门阵列对所述第一数字基带信号进行信号处理；所述数字模拟转换单元用于将所述现场可编程门阵列发送的第二数字基带信号转换为第二模拟基带信号，并将所述第二模拟基带信号发送给所述射频前端模块，以使所述射频前端模块将所述第二模拟基带信号转换成第二模拟射频信号后，再由所述信号收发模块进行发送。
2.根据权利要求1所述的卫星通信装置，其特征在于，所述射频前端模块包括射频接收子电路和射频发送子电路；所述射频接收子电路的输入端与所述信号收发模块连接，所述射频接收子电路的输出端与所述信号处理模块的模拟数字转换电路连接；所述射频发送子电路的输入端与所述信号处理模块的数字模拟转换电路连接，所述射频发送子电路的输出端与所述信号收发模块连接。
3.根据权利要求2所述的卫星通信装置，其特征在于，所述射频接收子电路具体包括功率放大器、第一混频器和第一滤波器，所述功率放大器、所述第一混频器和所述第一滤波器依次连接，其中，所述功率放大器的输入端与所述信号收发模块连接，所述第一滤波器的输出端与所述信号处理模块的模拟数字转换电路连接。
4.根据权利要求2所述的卫星通信装置，其特征在于，所述射频发送子电路包括第二混频器、第二滤波器和低噪声放大器，所述第二混频器、所述第二滤波器和所述低噪声放大器依次连接，其中，所述第二混频器输入端与所述信号处理模块的数字模拟转换电路连接，所述低噪声放大器的输出端与所述信号收发模块连接。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的卫星通信装置，其特征在于，所述信号处理模块还包括所述数字上变频单元和数字下变频单元，所述数字上变频单元与所述数字模拟转换单元连接，所述数字下变频单元与所述模拟数字转换单元连接，所述模拟数字转换单元和所述数字模拟转换单元均与所述现场可编程门阵列连接。
6.根据权利要求1-4中任意一项所述的卫星通信装置，其特征在于，所述卫星通信装置还包括时钟单元，所述时钟单元与所述模拟数字转换单元、所述现场可编程门阵列以及所述数字模拟转换单元连接，并用于将时钟信号分配至所述模拟数字转换单元、所述现场可编程门阵列以及所述数字模拟转换单元。
7.根据权利要求1-4中任意一项所述的卫星通信装置，其特征在于，所述信号处理模块还包括微处理单元，所述微处理单元与现场可编程门阵列连接，用于将外部程序加载至所述现场可编程门阵列。
8.根据权利要求1所述的卫星通信装置，其特征在于，所述现场可编程门阵列包括依次连接的发送链路、信息处理单元和接收链路；
所述发送链路用于根据所述信息处理单元的数据发送指令，对待发送的数据信号进行编码、加扰和QPSK调制后，进行发送；
所述接收链路用于根据所述信息处理单元的数据接收指令，对接收到的变频信号进行数字分路和信道化处理，分为若干个子信道，并将每个子信道的数据信号进行解调、解扰和译码处理后进行发送。
9.根据权利要求8所述的卫星通信装置，其特征在于，所述发送链路包括依次连接的：
编码单元，对数据信号进行Turbo编码；
加扰单元，采用扰码生成函数对Turbo编码后的数据信号进行卷积加扰；
调制单元，对卷积加扰后的数字信号进行QPSK调制，生成调制信号。
10.根据权利要求8所述的卫星通信装置，其特征在于，所述接收链路包括依次连接的解调单元、解扰单元和译码单元。
11.根据权利要求9或10所述的卫星通信装置，其特征在于，所述信号处理模块还包括软判决纠错编码单元，由于对所述编码进行实时校验和纠错。
12.根据权利要求1所述的卫星通信装置，其特征在于，信号处理模块还包括接口电路，所述接口电路为EMMC接口电路、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通道接口电路、射频接口电路、复位接口电路、预留IO接口电路和LVDS接口电路中的一个或多个。
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