CN114513245A - 基于fpga的卫星可调节通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的卫星可调节通信系统，用于卫星编队中高效建立星间及星地的通信链路，涉及的BPSK通信信号发射功率速率可调节方法和通信速率包络平方谱估计算法实际对传统的固定功率速率通信和码元速率识别方法进行改进。提出的通信帧设计方式和频率扫描方法能有效估计信道质量和提高载波频率捕获范围。本发明的SNR理论可上调极限为28dB，其中发射功率可调节范围18～28dBm，发射速率可调节范围1～512kbps，对应信噪比提高9～18dBm，功能可行且具有较好的实用性。

Description

基于FPGA的卫星可调节通信系统

技术领域

本发明涉及大规模卫星编队中的星地及星间通信技术领域，特别涉及一种基于FPGA的卫星可调节通信系统。

背景技术

在微型航天器的迅猛发展下，卫星编队飞行成为近年航天事业的热门话题，星间及星地通信是该类分布式编队的核心模块，信息的高频谱利用率传输为完成目标物距离标定、地球物理观测和立体成像等系列重大工程助力。在微小卫星系统中，星载之间的构型决定了星间及星地的通信状态，有的卫星编队因轨道较低而受到地面辐射的微波干扰，星间链路受到空间环境及地面的干扰导致信噪比一直在变动。有效兼顾物理信道的通信质量和效率，对于低功耗星间及星地通信至关重要。

信号通信时对传输效率和吞吐量会有信道噪声、衰减、干扰各类影响，传输速率需要小于信道容量以保证质量和满足误码率，且传统的固定速率传输需要包含大部分情况。针对星间通信系统的低功耗、信号衰落大、信号突发性高等特点，信号数据的高效传输在于卫星编队各节点间通信的灵活切换，本发明利用接收端的速率识别算法及信道质量闭环反馈结构后发射端的功率速率调节可以实现通信系统的灵活性设计。

传统的符号速率识别有循环谱估计法、功率谱估计法、瞬时幅度谱估计法等，其中循环谱估计法利用信号的循环平稳性，检测其循环频率，虽估计结果准确，但其计算过程较复杂，估计速度过慢，消耗资源过大，需在其原理的基础上进行简化；功率谱估计法对功率谱值取平均作阈值，估计准确率较低；瞬时幅度谱估计利用信号码元间间隙的周期性，检测频域的峰值谱线，在对基带信号进行升余弦滤波时效果较好，但由于卫星发射端多采用根升余弦滤波，故需在该方法的基础上进行优化。本发明采用包络平方谱估计法对传统的循环谱和瞬时幅度谱方法进行改进，发射端对基带信号根升余弦滤波，接收端对基带信号求平方值，作FFT运算，取模后检测包络谱除直流后的谱峰频率值。算法较循环谱方法简洁，比瞬时幅度谱方法适合卫星通信系统，可有效减少处理时延和资源消耗。

发明内容

本发明提供了一种基于FPGA的卫星可调节通信系统，该通信系统主要利用接收端通信速率包络平方谱估计算法，实现星间及星地基于FPGA的BPSK通信信号功率速率可调节系统，从而高效建立起星间及星地的通信链路，其速率可调范围达1k～512kps，发射功率可调范围达18～28dBm。

基于FPGA的卫星可调节星地系统分为星间通信和星地通信架构，采用异频的通信体制。各通信端的硬件设计除发射和接收频率不同外，其余硬件设计相同，在一种通信端电路板中，通过实现星间与星地模式切换、发射和接收状态开关的功能以应对不同应用场景。

卫星A和卫星B各包含星间板与星地板两块通信板，分别用于星间和星地通信，两通信板硬件设计完全相同，只有频点的差异：

1)星间方面，在发射端：两星的星间板相互异频发送通信帧，包括固定数据帧和业务数据帧。空闲状态时，采用固定数据帧，为二进制“0”和“1”交替的双极性序列，便于两星接收端对通信帧捕获和符号速率判断，DTTL环将同步后的固定数据帧传给误码率比对模块，对其进行计数，得出错误比特数作为信道特征数据；任务状态时，采用业务数据帧，包含业务数据往来。在接收端：两星的星间板默认处于空闲状态，在检测到协议帧头时进入任务状态并进行计数，计数达到协议的业务数据帧长度后，进入空闲状态。全过程中，在两星的内部：星间板将本板状态与信道质量状况数据组帧，发送给星地板，同时接收经由星地板发来的地面站控制指令，根据该指令调节星间板的发射功率与发射速率。

2)星地方面，两星的星地板向地面发送遥测数据，遥测内容包括星间板状态、星地板状态、信道质量状况。地面站根据信道质量状况向卫星发送星间和星地板的遥控指令，星地板根据指令调节发射功率与发射速率，同时将星间板相关的指令进行转发。对于星间通信，若地面站系统中的遥测数据若显示卫星A的星间板接收信道状况较差，则向卫星B的星间板发送功率速率调节指令，若显示卫星B的星间板接收信道状况较差则同理对卫星A的星间板进行调整。对于星地通信，若地面站显示与卫星通信信道状况较差，则向卫星的星地板发送功率速率调节指令。

具体而言，星间板与星地板的软件部分均包括发射端算法、接收端算法、板间通信算法。

在卫星的发射端：功率速率调节模块根据指令调节发射功率与通信码元速率；调制模块将通信帧进行对应速率的BPSK调制，数据流通过成型滤波器，去除码元信号中的高频分量；对基带信号对应倍率的内插，使其满足DAC采样率要求；最后基带信号与20M中频载波相乘完成数字中频调制，数字调制信号经过DAC传输给模拟链路。

在卫星的接收端：下变频模块先将高频通信信号下变频到基带；捕获模块对基带信号分析，判断是否有可用的BPSK通信信号；解调模块，对解扩信号去BPSK调制处理；码元速率估计模块，对基带码元速率进行估计，得到速率标志；码元同步模块采用DTTL环，根据解调后的信号和速率进行码元判断；误码率比对模块，对固定数据帧计数，得到错误比特数。

卫星内部的板间通信算法，两板之间采用SPI通信，星间板将本板状态与信道质量状况数据组帧，发送给星地板，同时接收经由星地板发来的地面站控制指令，根据该指令调节星间板的发射功率与发射速率。

在本发明中，接收端算法的核心为采用包络平方谱方法快速估计通信速率，以及信道质量反馈闭环调节发射功率速率的算法，从而实现系统的可调节通信，包括星间模式与星地模式两种。

星间模式时，步骤如下：

1)两星中卫星A在空闲状态时发送固定数据帧，便于另一星卫星B根据固定数据帧进行捕获和符号速率判断，任务状态时为业务数据帧，包含业务数据往来；卫星B向地面发射信道质量特征数据与卫星B整机的状态，便于地面根据信道质量向卫星发送功率速率调节指令；

2)卫星A根据收到的指令，调节功率速率并依此对通信帧进行BPSK调制，根升余弦滤波后上变频到通信波段发射；

3)信号到达卫星B，接收链路的中频信号经过ADC采样后，进入Costas环，由NCO产生I路信号和相移

的Q路信号，两路本地信号与接收信号相乘，结果经低通滤波后作用至NCO，跟踪载波，下变频到基带；

4)对基带数据进行作平方计算，经过FFT，对得到的FFT结果取模值，得到包络平方谱；

5)包络平方谱中的最高峰为直流分量，次高峰对应频率则为码元速率，去除直流分量，比较法找到次高峰下标，下标乘以分辨率得到速率大小，从而根据此判断符号速率；

6)根据判断出的符号速率与跟踪后的信号进行DTTL环的码元同步，解出通信帧；

7)卫星B解出的业务数据帧传给卫星的其他协议层；固定数据帧进入误码率比对模块，检测10⁶比特的固定数据帧中错误比特的数量，求得误码率，根据误码率与信道信噪比的关系估计信道状态，并将信道质量状况反馈给地面站，地面站根据信道质量状况作出卫星A的调节指令；

8)卫星A根据地面站发送的指令调节发射功率和速率，优先调节功率，超出功率的可调范围时，调节码元速率。

星地模式时，步骤如下：

1)卫星在空闲状态时发送固定数据帧，便于地面根据固定数据帧进行捕获和符号速率判断，任务状态时为遥测数据帧，包括信道质量特征数据与卫星整机的状态，便于地面根据信道质量向卫星发送功率速率调节指令；

2)卫星根据收到的指令，调节功率速率并依此对通信帧进行BPSK调制，根升余弦滤波后上变频到通信波段发射；

3)卫星接收地面站发来的信号，经过射频接收链路下混频为中频信号，中频信号经ADC采样后，进入Costas环，由NCO产生I路信号和相移

的Q路信号，两路本地信号与接收信号相乘，结果经低通滤波后作用至NCO，由于星地通信的多普勒频偏较星间通信大，增加频率扫描模块作用至NCO，增大跟踪载波范围，下变频到基带；

4)对基带数据作平方计算，经FFT后对结果取模值，得到包络平方谱；

5)包络平方谱中的最高峰为直流分量，次高峰对应频率则为码元速率，去除直流分量，比较法找到次高峰下标，下标乘以分辨率得到速率大小，从而根据此判断符号速率；

6)根据判断出的符号速率与跟踪后的信号进行DTTL环的码元同步，解出地面站发来的指令；卫星根据地面站发送的指令调节发射功率和速率。

在上述方法中，相对于传统卫星固定速率通信方法，主要改进为：

1)特有的通信帧内容：星间模式下，两星的通信帧包括固定数据帧和业务数据帧。空闲状态时，采用固定数据帧，便于两星对通信帧捕获和符号速率判断，DTTL环将同步后的固定数据帧传给误码率比对模块，对其进行计数，得出错误比特数作为信道特征数据；任务状态时，采用业务数据帧，包含业务数据往来。星地模式下，卫星向地面发送固定数据帧与遥测数据帧。空闲状态时，同样采用固定数据帧；任务状态时，采用遥测数据帧，内容为当前信道特征数据与卫星整机的状态，便于地面根据信道质量向卫星发送功率速率调节指令。

2)对信号速率识别采用平方谱包络估计算法操作，相对于传统的循环谱估计等算法，可有效提高算法灵活性，减少处理时延和资源消耗。

3)通信信号发射功率速率调节算法对信道质量的估计采用闭环反馈，误码率比对模块将对应信道状态传输给地面后，地面依据此发送调节发射功率和速率指令，优先调节功率，超出上限额定功率时，调节码元速率。

4)载波恢复环中的频率扫描模块，由于星地状态的多普勒频偏远大于星间状态，故在星地状态时使能频率扫描算法，提高载波频差跟踪范围。

综上，星间板与星地板的软件架构基本相同，不同的是，星间板的接收算法调整为星间模式，而星地板的接收算法采用星地模式。由于星地状态的多普勒频偏远大于星间状态，故在星地模式时使能频率扫描算法。具体的，数字中频调制信号与NCO产生的本地载波相乘，得到同相I路与正交Q路信号；滤除混频时产生的高频部分信号；经匹配滤波后，两路信号进入数字鉴相器，得到误差信号f_dΔ；环路滤波器对环路噪声以及高频分量进行滤除，将误差信号输入中心频率为f_c的NCO中，对误差进行补偿，星地模式下，频率扫描模块向NCO输入扫描频率f_sweep，f_sweep扫描频率从设定的频率下限-f_scan起扫，此时与信号相关的频率为f_sweep+f_c+f_dΔ；若下混频的信号超过捕获门限，则认为成功捕获，关闭频率扫描模块；若未超过捕获门限，则需将扫描频率调整一个步进f_Δsweep，直至信号捕获成功或到达扫描的设定上限+f_scan为止。最终环路收敛，实现对调制载波的捕获。在多普勒频偏±f_d时，多普勒最大搜索范围为±f_scan+f_c+f_dΔ，所以该结构的设计可有效提高载波频率捕获范围。

本发明除了上述提到在星间采用的软件算法以外，在地面站也会对星间数据进行处理，即利用卫星的误码率比对数据进行信道质量估计并对卫星做出相应指令。

信道估计部分：由于BPSK的误码率(Bit Error Rate，BER)与信噪比(SignalNoise Ratio,SNR)的关系为：

工程中，用于估计信道状态的信噪比SNR对于接收端解调需为：

SNR＝P_re-10lgkT_anR_s

其中，R_s就是重要参数码元速率，P_re是接收的功率，T_an是天线噪声温度，k是玻尔兹曼常数。实践证明，信噪比在高于11.29dBm时，信号能较好的传输，此时的误码率低于1ppm，故如表1将当前信道状态根据信噪比由低至高分为六种，误码率比对模块中接收10⁶比特的固定数据帧，检测错误比特数来估计当前信道状态。地面站根据信道状态信息的发送反馈调节功率速率的指令，从而高效利用当前的信道频谱。为保证低功耗，优先调节功率在将发射端最小功率18dBm设为默认初始功率P_default，将额定功率28dBm设为上限功率P_max，步进功率P_step取2dBm，根据信道状态最多可一次向上调节5级功率；速率可调节1k、8k、64k、512kbps这4种速率，当功率调节至上限，一旦出现错误比特，就将通信速率进行一次下调，根据理论计算每次速率的下调会使接收的信噪比增加9dB。

各通信端的硬件设计除发射和接收频率不同外，其余硬件设计相同，在一种通信端电路板中，通过实现星间与星地模式切换、发射和接收状态开关的功能以应对不同应用场景。硬件结构如下：数字处理模块采用FPGA芯片对基带数据进行调制和解调。发射链路采用两次上变频结构，芯片将基带信号调制到中频载波f_MF，先上变频至f_IF，再上变频至f_TX，经射频放大后从天线发射；接收链路采用一次下变频的超外差式结构，对天线接收到的射频信号镜像滤波，将其下变频至f_IF，后经ADC欠采样，向芯片送入中频载波的基带信号。这样的硬件结构设计，可以有效避免本振泄露、I/Q两路相位幅度不平衡的问题。

附图说明

图1为本发明基于FPGA的卫星可调节系统总体框图；

图2为本发明卫星可调节系统星间模式和星地模式框图；

图3为本发明卫星通信机软件结构图；

图4为速率自适应识别算法速率示意图；

图5为BPSK误码率与信噪比关系曲线图；

图6为频率扫描算法示意图；

图7为本发明卫星通信机硬件结构图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。如图1所示，本发明基于FPGA的卫星可调节星地系统架构，系统分为星间模式与星地模式，且采用异频的通信体制。各通信端的硬件设计除发射和接收频率不同外，其余硬件设计相同，在一种通信端电路板中，通过实现星间与星地模式切换、发射和接收状态开关的功能以应对不同应用场景。

如图2所示，分别为星间通信和星地通信架构。星间进行通信时，在发射端：两星的星间板相互异频发送通信帧，包括固定数据帧和业务数据帧。空闲状态时，采用固定数据帧，为二进制“0”和“1”交替的双极性序列，便于两星接收端对通信帧捕获和符号速率判断，DTTL环将同步后的固定数据帧传给误码率比对模块，对其进行计数，得出错误比特数作为信道特征数据；任务状态时，采用业务数据帧，包含业务数据往来。在接收端：两星的星间板默认处于空闲状态，在检测到协议帧头时进入任务状态并进行计数，计数达到协议的业务数据帧长度后，进入空闲状态。全过程中，在两星的内部：星间板将本板状态与信道质量状况数据组帧，发送给星地板，同时接收经由星地板发来的地面站控制指令，根据该指令调节星间板的发射功率与发射速率。

星地进行通信时，两星的星地板向地面发送遥测数据，遥测内容包括星间板状态、星地板状态、信道质量状况。地面站根据信道质量状况向卫星发送星间和星地板的遥控指令，星地板根据指令调节发射功率与发射速率，同时将星间板相关的指令进行转发。对于星间通信，若地面站系统中的遥测数据若显示卫星A的星间板接收信道状况较差，则向卫星B的星间板发送功率速率调节指令，若显示卫星B的星间板接收信道状况较差则同理对卫星A的星间板进行调整。对于星地通信，若地面站显示与卫星通信信道状况较差，则向卫星的星地板发送功率速率调节指令。

如图3所示，本发明卫星通信机软件结构，星间板与星地板的算法均包括发射端算法、接收端算法、板间通信算法。在卫星的发射端：功率速率调节模块根据指令调节发射功率与通信码元速率；调制模块将通信帧进行对应速率的BPSK调制，数据流通过成型滤波器，去除码元信号中的高频分量；对基带信号对应倍率的内插，使其满足DAC采样率要求；最后基带信号与20M中频载波相乘完成数字中频调制，数字调制信号经过DAC传输给模拟链路。在卫星的接收端：下变频模块先将高频通信信号下变频到基带；捕获模块对基带信号分析，判断是否有可用的BPSK通信信号；解调模块，对解扩信号去BPSK调制处理；码元速率估计模块，对基带码元速率进行估计，得到速率标志；码元同步模块采用DTTL环，根据解调后的信号和速率进行码元判断；误码率比对模块，对固定数据帧计数，得到错误比特数。

卫星内部的板间通信算法，两板之间采用SPI通信，星间板将本板状态与信道质量状况数据组帧，发送给星地板，同时接收经由星地板发来的地面站控制指令，根据该指令调节星间板的发射功率与发射速率；星地板则会接收星间板的遥测数据并与自身的遥测数据组帧下传给地面，同时也会接收地面的遥控指令并对指令进行识别，执行地面站关于星地板的指令并转发地面站关于星间板的指令。

如图4所示，为本发明中的基于FPGA的卫星可调节算法，其特征在于，接收端算法的核心为采用包络平方谱方法快速估计通信速率，以及信道质量反馈闭环调节发射功率速率的算法，算法包括星间模式与星地模式两种，如图5所示。

星间模式时，步骤如下：

1)两星中卫星A在空闲状态时发送固定数据帧，便于另一星卫星B根据固定数据帧进行捕获和符号速率判断，任务状态时为业务数据帧，包含业务数据往来；卫星B向地面发射信道质量特征数据与卫星B整机的状态，便于地面根据信道质量向卫星发送功率速率调节指令；

2)卫星A根据收到的指令，调节功率速率并依此对通信帧进行BPSK调制，根升余弦滤波后上变频到通信波段发射；

3)信号到达卫星B，接收链路的中频信号经过ADC采样后，进入Costas环，由NCO产生I路信号和相移

的Q路信号，两路本地信号与接收信号相乘，结果经低通滤波后作用至NCO，跟踪载波，下变频到基带；

4)对基带数据进行作平方计算，经过FFT，对得到的FFT结果取模值，得到包络平方谱；

5)包络平方谱中的最高峰为直流分量，次高峰对应频率则为码元速率，去除直流分量，比较法找到次高峰下标，下标乘以分辨率得到速率大小，从而根据此判断符号速率；

6)根据判断出的符号速率与跟踪后的信号进行DTTL环的码元同步，解出通信帧；

7)卫星B解出的业务数据帧传给卫星的其他协议层；固定数据帧进入误码率比对模块，进行信道质量特征数据统计，并将信道质量状况反馈给地面站，地面站根据信道质量状况作出卫星A的调节指令；

8)卫星A根据地面站发送的指令调节发射功率和速率，优先调节功率，超出功率的可调范围时，调节码元速率。

星地模式时，步骤如下：

1)卫星在空闲状态时发送固定数据帧，便于地面根据固定数据帧进行捕获和符号速率判断，任务状态时为遥测数据帧，包括信道质量特征数据与卫星整机的状态，便于地面根据信道质量向卫星发送功率速率调节指令；

2)卫星根据收到的指令，调节功率速率并依此对通信帧进行BPSK调制，根升余弦滤波后上变频到通信波段发射；

3)卫星接收地面站发来的信号，经过射频接收链路下混频为中频信号，中频信号经ADC采样后，进入Costas环，由NCO产生I路信号和相移π2的Q路信号，两路本地信号与接收信号相乘，结果经低通滤波后作用至NCO，由于星地通信的多普勒频偏较星间通信大，增加频率扫描模块作用至NCO，增大跟踪载波范围，下变频到基带；

4)对基带数据作平方计算，经FFT后对结果取模值，得到包络平方谱；

5)包络平方谱中的最高峰为直流分量，次高峰对应频率则为码元速率，去除直流分量，比较法找到次高峰下标，下标乘以分辨率得到速率大小，从而根据此判断符号速率；

6)根据判断出的符号速率与跟踪后的信号进行DTTL环的码元同步，解出地面站发来的指令；卫星根据地面站发送的指令调节发射功率和速率。

如图5所示，为BPSK误码率与信噪比关系曲线图，BPSK的误码率(Bit Error Rate，BER)与信噪比(Signal Noise Ratio,SNR)的关系为：

工程中，用于估计信道状态的信噪比SNR对于接收端解调需为：

SNR＝P_re-10lgkT_anR_s

其中，R_s就是重要参数码元速率，P_re是接收的功率，T_an是天线噪声温度，k是玻尔兹曼常数。实践证明，信噪比在高于11.29dBm时，信号能较好的传输，此时的误码率低于1ppm，故如表1将当前信道状态根据信噪比由低至高分为六种，误码率比对模块中接收10⁶比特的固定数据帧，检测错误比特数来估计当前信道状态。地面站根据信道状态信息的发送反馈调节功率速率的指令，从而高效利用当前的信道频谱。为保证低功耗，优先调节功率在将发射端最小功率18dBm设为默认初始功率P_default，将额定功率28dBm设为上限功率P_max，步进功率P_step取2dBm，根据信道状态最多可一次向上调节5级功率；速率可调节1k、8k、64k、512kbps这4种速率，当功率调节至上限，一旦出现错误比特，就将通信速率进行一次下调，根据理论计算每次速率的下调会使接收的信噪比增加9dB。

信道状态	信噪比SNR/dBm	误码率BER/ppm	错误比特数	功率速率调节
					特优	SNR>11.29	BER<1	0	无
较优	9.29<SNR<11.29	1<BER<8.1	1～8	上调1级功率
					优	7.29<SNR<9.29	8.1<BER<67.2	9～67	上调2级功率
较差	5.29<SNR<7.29	67.2<BER<571.6	68～572	上调3级功率
					差	3.29<SNR<5.29	571.6<BER<5156.5	573～5157	上调4级功率
过差	1.29<SNR<5.29	5156.5<BER<54111	5158～54111	上调5级功率

表1

如图6所示，由于星地状态的多普勒频偏远大于星间状态，故在星地板的接收算法中使能频率扫描算法。具体的，数字中频调制信号与NCO产生的本地载波相乘，得到同相I路与正交Q路信号；滤除混频时产生的高频部分信号；经匹配滤波后，两路信号进入数字鉴相器，得到误差信号f_dΔ；环路滤波器对环路噪声以及高频分量进行滤除，将误差信号输入中心频率为f_c的NCO中，对误差进行补偿，星地模式下，频率扫描模块向NCO输入扫描频率f_sweep，f_sweep扫描频率从设定的频率下限-f_scan起扫，此时与信号相关的频率为f_sweep+f_c+f_dΔ。若下混频的信号超过捕获门限，则认为成功捕获，关闭频率扫描模块；若未超过捕获门限，则需将扫描频率调整一个步进f_Δsweep，直至信号捕获成功或到达扫描的设定上限+f_scan为止。最终环路收敛，实现对调制载波的捕获。在多普勒频偏±f_d时，多普勒最大搜索范围为±f_scan+f_c+f_dΔ，所以该结构的设计可有效提高载波频率捕获范围。

如图7所示，本发明基于FPGA的卫星可调节通信系统各通信端的硬件设计除发射和接收频率不同外，其余硬件设计相同，在一种通信端电路板中，通过实现星间与星地模式切换、发射和接收状态开关的功能以应对不同应用场景。

硬件结构如下：数字处理模块采用FPGA芯片对基带数据进行调制和解调。具体的，发射链路采用两次上变频结构，数据流经过芯片处理，对通信帧BPSK基带调制后经AD9361中的DAC采样成中频载波f_MF＝20MHz的基带模拟信号，先上变频至f_IF，再上变频至通信波段f_TX，滤除带外噪声、射频放大后由天线发射至星间及星地信道；接收链路采用一次下变频的超外差式结构，对天线接收到的射频信号低噪放和镜像滤波，将其下变频至f_IF，声表面滤波、AGC调节增益后经ADC欠采样，向芯片送入中频载波的基带数字信号。有效避免本振泄露、I/Q两路相位幅度不平衡的问题。

本实施例的卫星可调节通信系统与速率估计算法已应用于浙江大学微小卫星中心某卫星编队任务中。针对于星间及星地通信系统通信要求，依托于该编队任务，整理设计要求并对各个模块的参数进行计算：

1)由于系统采用异频通信可以较好的防止本振泄露，根据卫星任务需求与频段资源现状，星间通信载波f_A、f_B，星地通信载波f_{A_up}、f_{A_down}、f_{B_up}、f_{B_down}均选择在S波段。

2)本系统码元速率在1～512kbps可调，包含1kbps、8kbps、64kbps和512kbps；根据公式SNR＝P_re-10lgkT_anR_s，速率每增大一级，信噪比可提高10log8＝9dB。为保证微小卫星的低功耗设计要求，优先调节功率在将发射端最小功率18dBm设为默认初始功率P_default，将额定功率28dBm设为上限功率P_max，步进功率P_step取2dBm，根据信道状态最多可一次向上调节5级功率。

3)多普勒频偏由系统晶振和通信双方的的相对运动引起，其中星地的频偏一般在10⁵Hz数量级，星间的频偏一般在10³Hz数量级，由于星地多普勒频偏较大，故在星地模式下使能频率扫描模块，扫描范围±f_d由多普勒频偏确定100kHz，扫描步进间隔Δf由载波恢复环的环路带宽B_L确定1kHz。

综上，本发明的SNR理论可上调极限为37dB，其中发射功率可调节范围18～28dBm，发射速率可调节范围1～512kbps，功能可行，具有较好的实用性。

Claims (9)

1.一种基于FPGA的卫星可调节通信系统，其特征为，包含星间通信与星地通信两种架构且采用异频的通信体制；各通信端均包括硬件部分和软件部分，通信两端硬件设计除发射和接收频率不同外，其余硬件设计相同，包括：FPGA芯片、发射链路及发射天线、接收链路及接收天线，在通信端FPGA中，通过软件部分实现星间与星地模式切换、发射和接收状态开关的功能以应对不同应用场景。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的卫星可调节通信系统，其特征在于，发射链路采用两次上变频结构，接收链路采用一次下变频的超外差式结构。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的卫星可调节通信系统，其特征在于，所述软件部分包括发射算法和接收算法，发射与接收算法均包括空闲状态和任务状态；对于发射算法，处于空闲状态时，发射内容为固定数据帧，以便于接收端根据固定数据帧进行符号速率、信道质量的判断；当处于任务状态时，发射业务数据帧，包含业务数据往来；对于接收算法，默认处于空闲状态，在检测到协议帧头时进入任务状态并进行计数，计数达到协议的业务数据帧长度后，进入空闲状态。

4.根据权利要求1所述的基于FPGA的卫星可调节通信系统，其特征在于，卫星包括星间通信的星间板及星地通信的星地板，所述软件部分还包括卫星内部的板间通信算法，两板之间采用SPI通信，星间板将本板状态与信道质量状况数据组帧，发送给星地板，同时接收经由星地板发来的地面站控制指令，根据该指令调节星间板的发射功率与发射速率；星地板则会接收星间板的遥测数据并与自身的遥测数据组帧下传给地面，同时也会接收地面的遥控指令并对指令进行识别，执行地面站关于星地板的指令并转发地面站关于星间板的指令。

5.根据权利要求1所述的基于FPGA的卫星可调节通信系统，其特征在于，系统采用可调节通信方法，包括：接收端采用基于FFT的包络谱速率估计算法，估计码元速率并接收通信帧，发射端根据反馈的信道质量来调节发射功率和速率，以提高通信效率、降低功耗、提高系统可靠性，所述方法基于FPGA实现，包括星间模式与星地模式两种。

6.如权利要求5所述的基于FPGA的卫星可调节通信系统，其特征在于，当其调整为星间模式时，所述方法步骤如下：

1)两星中卫星A在空闲状态时发送固定数据帧，便于另一星卫星B根据固定数据帧进行捕获和符号速率判断，任务状态时为业务数据帧，包含业务数据往来；卫星B向地面发射信道质量特征数据与卫星B整机的状态，便于地面根据信道质量向卫星发送功率速率调节指令；

2)卫星A根据收到的指令，调节功率速率并依此对通信帧进行BPSK调制，根升余弦滤波后上变频到通信波段发射；

3)信号到达卫星B，接收链路的中频信号经过ADC采样后，进入Costas环，由本地数字控制振荡器(Numerically Controlled Oscillator,NCO)产生I路信号和相移

的Q路信号，两路本地信号与接收信号相乘，结果经低通滤波后作用至NCO，跟踪载波，下变频到基带；

4)对基带数据作平方计算，经过快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)，对得到的FFT结果取模值，得到包络平方谱；

5)包络平方谱中的最高峰为直流分量，次高峰对应频率则为码元速率，去除直流分量，比较法找到次高峰下标，下标乘以分辨率得到速率大小，从而根据此判断符号速率；

6)根据判断出的符号速率与跟踪后的信号进行数据转换跟踪环(DTTL)的码元同步，解出通信帧；

7)卫星B解出的业务数据帧传给卫星的其他协议层；固定数据帧进入误码率比对模块，检测10⁶比特的固定数据帧中错误比特的数量，求得误码率，根据误码率与信道信噪比的关系估计信道状态，并将信道质量状况反馈给地面站，地面站根据信道质量状况作出卫星A的调节指令；

8)卫星A根据地面站发送的指令调节发射功率和速率，优先调节功率，超出功率的可调范围时，调节码元速率。

7.如权利要求5所述的基于FPGA的卫星可调节通信系统，其特征在于，当其调整为星地模式时，所述方法步骤如下：

1)卫星在空闲状态时发送固定数据帧，便于地面根据固定数据帧进行捕获和符号速率判断，任务状态时为遥测数据帧，包括信道质量特征数据与卫星整机的状态，便于地面根据信道质量向卫星发送功率速率调节指令；

2)卫星根据收到的指令，调节功率速率并依此对通信帧进行BPSK调制，根升余弦滤波后上变频到通信波段发射；

3)卫星接收地面站发来的信号，经过射频接收链路下混频为中频信号，中频信号经ADC采样后，进入Costas环，由NCO产生I路信号和相移

的Q路信号，两路本地信号与接收信号相乘，结果经低通滤波后作用至NCO，由于星地通信的多普勒频偏较星间通信大，增加频率扫描模块作用至NCO，增大跟踪载波范围，下变频到基带；

4)对基带数据作平方计算，经FFT后对结果取模值，得到包络平方谱；

5)包络平方谱中的最高峰为直流分量，次高峰对应频率则为码元速率，去除直流分量，比较法找到次高峰下标，下标乘以分辨率得到速率大小，从而根据此判断符号速率；

6)根据判断出的符号速率与跟踪后的信号进行DTTL环的码元同步，解出地面站发来的指令；卫星根据地面站发送的指令调节发射功率和速率。

8.如权利要求6或7所述的基于FPGA的卫星可调节通信系统，其特征在于，两模式下通信信号发射功率速率调节算法对信道质量的估计采用闭环反馈，依据此调节发射功率和速率，优先调节功率，超出上限额定功率时，调节码元速率。

9.如权利要求7所述的可调节通信系统，其特征在于，星地模式下步骤3)载波恢复环中的频率扫描模块，由于星地状态的多普勒频偏远大于星间状态，故在星地状态时使用频率扫描算法，提高载波频差跟踪范围，具体的，数字中频调制信号与NCO产生的本地载波相乘，得到同相I路与正交Q路信号；滤除混频时产生的高频部分信号；经匹配滤波后，两路信号进入数字鉴相器，得到误差信号f_dΔ；环路滤波器对环路噪声以及高频分量进行滤除，将误差信号输入中心频率为f_c的NCO中，对误差进行补偿，星地模式下，频率扫描模块向NCO输入扫描频率f_sweep，f_sweep扫描频率从设定的频率下限-f_scan起扫，此时与信号相关的频率为f_sweep+f_c+f_dΔ；若下混频的信号超过捕获门限，则认为成功捕获，关闭频率扫描模块；若未超过捕获门限，则需将扫描频率调整一个步进f_Δsweep，直至信号捕获成功或到达扫描的设定上限+f_scan为止。

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