CN116996114B - 一种适用于宽带卫星通信的高集成度地面终端SoC芯片 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种适用于宽带卫星通信的高集成度地面终端SoC芯片。所述高集成度地面终端SoC芯片包括：射频前端模块和数字基带模块；射频前端模块包括射频接收链路、射频发射链路、频率合成模块和辅助射频接收链路；数字基带模块包括接收解调模块、发射调制模块和协议解析/生成模块。采用本方法能够集成镜像抑制滤波器和高频头功能和功耗并降低成本。
Description
技术领域
本申请涉及集成电路技术领域，特别是涉及一种适用于宽带卫星通信的高集成度地面终端SoC芯片。
背景技术
目前的宽带卫星通信地面终端多数采用分立元器件方案进行实现，包括天线、镜像抑制滤波器、高频头、射频收/发机、数字信号处理部分等。高频头部分主要完成从Ku/Ka频段至较低射频段或者从较低射频段至Ku/Ka频段的下/上变频，射频收/发部分通常采用零中频收/发架构实现射频信号的放大、下变频、滤波以及模数转换或者数模转换、滤波、上变频、功率放大等操作，数字信号处理部分主要完成信号的调制解调以及协议解析等过程。因此导致地面终端体积大、功耗高、成本昂贵。
然而，目前为了减小终端体积，射频收发部分和数字信号处理部分通常采用SIP封装的微系统形式。但是仍然面临如下严峻问题：1)微系统方案较难集成镜像抑制滤波器和高频头，导致终端的体积仍然较大；2)分立元器件方案或者微系统方案均采用第三方芯片作为实现介质，硬件资源冗余度较高，无法实现功耗最优化；3)采用第三方芯片无法有效控制终端成本，导致终端成本长期居高不下。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够解决目前地面终端设备体积大、功耗高和成本高等问题的适用于宽带卫星通信的高集成度地面终端SoC芯片。
一种适用于宽带卫星通信的高集成度地面终端SoC芯片，所述集成度地面终端SoC芯片包括：
射频前端模块和数字基带模块；射频前端模块包括射频接收链路、射频发射链路、频率合成模块和辅助射频接收链路；数字基带模块包括接收解调模块、发射调制模块和协议解析/生成模块；
射频接收链路用于模拟目前终端设备中的镜像抑制滤波器和高频头功能，将接收的Ku/Ka频段信号下变频至低射频段并对输入的低射频段信号进行下变频至零频、滤波以及模数转换；
射频发射链路用于对输入的数字基带信号进行数模转换、滤波以及上变频至低射频频段，再将接收的低射频段信号上变频至Ku/Ka频段并对Ku/Ka频段进行功率放大和滤波；
频率合成模块用于向射频接收链路和射频发射链路提供本振信号和采样时钟并对本振信号进行二倍频和二分频；
辅助射频接收链路用于接收来自射频发射链路的耦合射频信号并将输出信号送至数字基带模块中进行功率放大器的数字预失真；
接收解调模块用于对模数转换后的基带信号进行数字下变频，数字下变频包括跳频跟踪和多普勒频偏补偿，对跳频跟踪和多普勒频偏补偿后的数字基带信号进行解调相关操作并根据设计需求集成多路并行波形处理通道；
发射调制模块用于对数字基带信号进行调制相关操作后进行跳频调制并补偿射频发射链路中功率放大器的非线性失真；
协议解析/生成模块用于对发射调制模块中多波形多速率基带调制模块的输出报文进行报文协议解析并将协议解析后的原始数据输出至数据处理平台对外进行交互；以及对数据处理平台产生的原始数据按照协议要求进行报文生成并输出至多波形多速率基带调制模块。
在其中一个实施例中，射频接收链路包括低噪声放大器、下变频混频器和零中频接收机；低噪声放大器用于模拟目前终端设备中的镜像抑制滤波器和高频头功能，实现镜像抑制和电路低噪；下变频混频器用于将接收的Ku/Ka频段信号下变频至低射频段；零中频接收机用于对输入的低射频段信号进行放大、下变频至零频、滤波以及相关操作；相关操作包括模数转换。
在其中一个实施例中，射频发射链路包括零中频发射机、上变频混频器和带通滤波器和功率放大器；零中频发射机用于对输入的数字基带信号进行数模转换、滤波、上变频至低射频频段以及功率放大；上变频混频器用于将接收的低射频段信号上变频至Ku/Ka频段；带通滤波器和功率放大器用于对Ku/Ka频段进行功率放大和滤波。
在其中一个实施例中，频率合成模块包括频率综合器、二倍频器和二分频器；频率综合器用于向射频接收链路和射频发射链路提供本振信号和采样时钟；二倍频器用于分别向频率综合器的输出本振信号提供二倍频功能；二分频器用于分别向频率综合器的输出本振信号提供二分频功能。
在其中一个实施例中，频率综合器的数量为三个；二倍频器和二分频器的数量均为两个。
在其中一个实施例中，接收解调模块包括数字下变频器DDC、直接数字频率综合器和多波形多速率基带解调模块。
在其中一个实施例中，数字下变频器DDC用于对模数转换后的基带信号进行下变频操作；下变频操作包括跳频跟踪和多普勒频偏补偿。
在其中一个实施例中，多波形多速率基带解调模块用于对跳频跟踪和多普勒频偏补偿后的数字基带信号进行解调相关操作并根据设计需求集成多路并行波形处理通道；解调相关操作包括解调、译码和纠错。
在其中一个实施例中，发射调制模块包括多波形多速率基带调制模块、数字上变频器DUC、直接数字频率综合器和数字预失真模块。
在其中一个实施例中，多波形多速率基带调制模块用于对数字基带信号进行调制相关操作并根据设计需求集成多路并行波形处理通道；调制相关操作包括编码和调制；数字上变频器DUC用于对来自多波形多速率基带调制模块的数字基带信号进行跳频调制；直接数字频率综合器用于为数字上变频器DUC提供数字本振信号，受控于多波形多速率基带调制模块；数字预失真模块用于补偿射频发射链路中功率放大器的非线性失真。
上述一种适用于宽带卫星通信的高集成度地面终端SoC芯片，本申请通过对射频前端模块和数字基带模块进行设计，射频前端模块包括射频接收链路、射频发射链路、频率合成模块和辅助射频接收链路；数字基带模块包括接收解调模块、发射调制模块和协议解析/生成模块，首先在射频接收链路中设计了具有镜像抑制功能的低噪声放大器负载结构，在低噪声放大器中加入有源负阻电路来调整寄生电阻的大小以适用不同应用场景下镜像抑制的带宽和抑制比需求，避免片外镜像抑制滤波器的使用，进一步提升了芯片的集成度降低了地面终端设备的体积，并且在频率合成模块中采用倍频和分频方案实现输入信号的下变频，大大降低了频率综合器的输出频率范围、功耗以及复杂度等，相较于传统的分立元器件方案，本申请采用高集成度地面终端SoC芯片实现了地面终端的小型化、低功耗以及低成本。
附图说明
图1为一个实施例中一种适用于宽带卫星通信的高集成度地面终端SoC芯片的结构框图；
图2为一个实施例中带镜像抑制功能的低噪声放大器的一个具体负载示例图；
图3为一个实施例中带镜像抑制功能的低噪声放大器负载幅频响应曲的线示意图；
图4为另一个实施例中加入了有源负阻电路后的带镜像抑制功能的低噪声放大器的示例图；
图5为一个实施例中二倍频器的具体电路结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，提供了一种适用于宽带卫星通信的高集成度地面终端SoC芯片，射频前端模块和数字基带模块；射频前端模块包括射频接收链路、射频发射链路、频率合成模块和辅助射频接收链路；数字基带模块包括接收解调模块、发射调制模块和协议解析/生成模块；
射频接收链路用于模拟目前终端设备中的镜像抑制滤波器和高频头功能，将接收的Ku/Ka频段信号下变频至低射频段并对输入的低射频段信号进行下变频至零频、滤波以及模数转换；
射频发射链路用于对输入的数字基带信号进行数模转换、滤波以及上变频至低射频频段，再将接收的低射频段信号上变频至Ku/Ka频段并对Ku/Ka频段进行功率放大和滤波；
频率合成模块用于向射频接收链路和射频发射链路提供本振信号和采样时钟并对本振信号进行二倍频和二分频；
辅助射频接收链路用于接收来自射频发射链路的耦合射频信号并将输出信号送至数字基带模块中进行功率放大器的数字预失真；
接收解调模块用于对模数转换后的基带信号进行数字下变频，数字下变频包括跳频跟踪和多普勒频偏补偿，对跳频跟踪和多普勒频偏补偿后的数字基带信号进行解调相关操作并根据设计需求集成多路并行波形处理通道；
发射调制模块用于对数字基带信号进行调制相关操作后进行跳频调制并补偿射频发射链路中功率放大器的非线性失真；
协议解析/生成模块用于对发射调制模块中多波形多速率基带调制模块的输出报文进行报文协议解析并将协议解析后的原始数据输出至数据处理平台对外进行交互；以及对数据处理平台产生的原始数据按照协议要求进行报文生成并输出至多波形多速率基带调制模块。
上述一种适用于宽带卫星通信的高集成度地面终端SoC芯片中，如图1所示，本申请通过对射频前端模块和数字基带模块进行设计，射频前端模块包括射频接收链路、射频发射链路、频率合成模块和辅助射频接收链路；数字基带模块包括接收解调模块、发射调制模块和协议解析/生成模块，首先在射频接收链路中设计了具有镜像抑制功能的低噪声放大器负载结构，将镜像抑制滤波器作为LNA（低噪声放大器）的负载，确保LNA具有镜像抑制功能，用于模拟目前终端设备中的镜像抑制滤波器和高频头功能，实现镜像抑制和电路低噪功能，避免片外镜像抑制滤波器的使用，进一步提升了芯片的集成度，然后通过下变频混频器将接收的Ku/Ka频段信号下变频至较低射频段，再利用零中频接收机对输入的较低射频段信号进行放大、下变频至零频、滤波以及模数转换等，设计射频发射链路利用零中频发射机对输入的数字基带信号进行数模转换、滤波、上变频至较低射频频段、功率放大等；然后利用上变频混频器将接收的较低射频段信号上变频至Ku/Ka频段；再利用带通滤波器和功率放大器（PA）对Ku/Ka频段进行功率放大和滤波，在射频接收和发射的过程中，将频率合成模块设计为包括3个频率综合器FS1/FS2/FS3，分别用于向射频接收链路和射频发射链路提供本振信号和采样时钟，并设计了2个二倍频器，分别向FS1和FS2的输出本振信号提供二倍频功能；2个二分频器，分别向FS1和FS2的输出本振信号提供二分频功能，通过在频率合成模块中采用倍频和分频方案实现输入信号的下变频，大大降低了频率综合器的输出频率范围、功耗以及复杂度等。在接收解调模块中，利用数字下变频器DDC对模数转换后的基带信号进行跳频跟踪、多普勒频偏补偿等；再利用直接数字频率综合器DDS1为DDC提供数字本振信号，其中直接数字频率综合器DDS1受控于多波形多速率基带解调模块，然后利用多波形多速率基带解调模块对跳频跟踪和多普勒频偏补偿后的数字基带信号进行解调、译码和纠错等操作，并根据设计需求集成多路并行波形处理通道。在发射调制模块中设计多波形多速率基带调制模块对数字基带信号进行编码、调制等操作，并根据设计需求集成多路并行波形处理通道，然后设计数字上变频器DUC对来自多波形多速率基带调制模块的数字基带信号进行跳频调制；再利用直接数字频率综合器DDS2为DUC提供数字本振信号，受控于多波形多速率基带调制模块；最后设计数字预失真模块来补偿射频发射链路中功率放大器的非线性失真或对辅助射频接收链路的输出信号进行功率放大器的数字预失真。然后设计协议解析/生成模块对多波形多速率基带解调模块的输出报文进行报文协议解析，并将协议解析后的原始数据输出至数据处理平台对外进行交互；以及对数据处理平台产生的原始数据按照协议要求进行报文生成，并输出至多波形多速率基带调制模块。相较于传统的分立元器件方案，本申请采用高集成度地面终端SoC芯片实现了地面终端的小型化、低功耗以及低成本。
在其中一个实施例中，射频接收链路包括低噪声放大器、下变频混频器和零中频接收机；低噪声放大器用于模拟目前终端设备中的镜像抑制滤波器和高频头功能，实现镜像抑制和电路低噪；下变频混频器用于将接收的Ku/Ka频段信号下变频至低射频段；零中频接收机用于对输入的低射频段信号进行放大、下变频至零频、滤波以及相关操作；相关操作包括模数转换。
在具体实施例中，如图2所示，本申请设计了一个带镜像抑制功能的低噪声放大器，和/>用于接入低噪声放大器的差分输出端。/>、/>、/>、/>组成射频陷波滤波器，该滤波器采用LC组合负载（串联LC和并联LC组合）的形式进行滤波，其传输函数可表示为
；
其中，带镜像抑制功能的低噪声放大器负载幅频响应曲线如图3所示。本申请通过改变电容的值可以调整幅频响应曲线对不同的镜像频率处信号（噪声）进行抑制。由于寄生电阻/>的存在，幅频响应曲线在镜像频率处的抑制范围会被展宽，抑制能力得到恶化。尤其在深亚微米工艺下，较差的电感品质因子会导致/>的值较小，严重恶化镜像抑制能力。故本申请在低噪声放大器中加入有源负阻电路，如图4所示，有源负阻电路由/>和交叉耦合对、尾电流源/>组成，有源负阻可以调整寄生电阻/>的大小以适用不同应用场景下镜像抑制的带宽和抑制比需求，在进行芯片设计时避免片外镜像抑制滤波器的使用，进一步提升了芯片的集成度，芯片体积非常小。
在其中一个实施例中，射频发射链路包括零中频发射机、上变频混频器和带通滤波器和功率放大器；零中频发射机用于对输入的数字基带信号进行数模转换、滤波、上变频至低射频频段以及功率放大；上变频混频器用于将接收的低射频段信号上变频至Ku/Ka频段；带通滤波器和功率放大器用于对Ku/Ka频段进行功率放大和滤波。
在其中一个实施例中，频率合成模块包括频率综合器、二倍频器和二分频器；频率综合器用于向射频接收链路和射频发射链路提供本振信号和采样时钟；二倍频器用于分别向频率综合器的输出本振信号提供二倍频功能；二分频器用于分别向频率综合器的输出本振信号提供二分频功能。
在其中一个实施例中，频率综合器的数量为三个；二倍频器和二分频器的数量均为两个。
在具体实施例中，频率合成模块包括3个频率综合器FS1/FS2/FS3，分别用于向射频接收链路和射频发射链路提供本振信号和采样时钟；2个二倍频器分别向FS1和FS2的输出本振信号提供二倍频功能；2个二分频器分别向FS1和FS2的输出本振信号提供二分频功能。
二倍频器的具体电路结构图如图5所示，其中晶体管和/>工作在B类放大状态，对输入差分信号/>和/>进行半波整流（输入差分信号/>和/>连接至频率综合器FS1和FS2的本振信号输出端），并在晶体管/>和/>的漏极交点处形成全波整流信号，全波整流信号中包含本振信号的偶次谐波成分，经/>和/>组成的差分并联谐振器滤除高阶偶次谐波成分，并保留二次谐波成分，同时进行单端至差分的转换，输出二倍频差分信号。通过调整电容/>的大小可以改变谐振频率以失配FS1和FS2输出本振信号频率的变化。B1和B2是两个自偏置驱动器，以确保输出二倍频差分信号具备较强的负载驱动能力，通过在频率综合器中采用倍频和分频方案实现输入信号的下变频，大大降低了频率综合器的输出频率范围、功耗以及复杂度等。
在其中一个实施例中，接收解调模块包括数字下变频器DDC、直接数字频率综合器和多波形多速率基带解调模块。
在其中一个实施例中，数字下变频器DDC用于对模数转换后的基带信号进行下变频操作；下变频操作包括跳频跟踪和多普勒频偏补偿。
在其中一个实施例中，多波形多速率基带解调模块用于对跳频跟踪和多普勒频偏补偿后的数字基带信号进行解调相关操作并根据设计需求集成多路并行波形处理通道；解调相关操作包括解调、译码和纠错。
在其中一个实施例中，发射调制模块包括多波形多速率基带调制模块、数字上变频器DUC、直接数字频率综合器和数字预失真模块。
在其中一个实施例中，多波形多速率基带调制模块用于对数字基带信号进行调制相关操作并根据设计需求集成多路并行波形处理通道；调制相关操作包括编码和调制；数字上变频器DUC用于对来自多波形多速率基带调制模块的数字基带信号进行跳频调制；直接数字频率综合器用于为数字上变频器DUC提供数字本振信号，受控于多波形多速率基带调制模块；数字预失真模块用于补偿射频发射链路中功率放大器的非线性失真。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种适用于宽带卫星通信的高集成度地面终端SoC芯片，其特征在于，所述高集成度地面终端SoC芯片包括射频前端模块和数字基带模块；所述射频前端模块包括射频接收链路、射频发射链路、频率合成模块和辅助射频接收链路；数字基带模块包括接收解调模块、发射调制模块和协议解析/生成模块；
所述射频接收链路用于模拟目前终端设备中的镜像抑制滤波器和高频头功能，将接收的Ku/Ka频段信号下变频至低射频段并对输入的低射频段信号进行下变频至零频、滤波以及模数转换；所述射频接收链路包括低噪声放大器，所述低噪声放大器用于模拟目前终端设备中的镜像抑制滤波器和高频头功能，实现镜像抑制和电路低噪；所述低噪声放大器包括射频陷波滤波器，所述射频陷波滤波器由串联LC、并联LC、寄生电阻、有源负阻电路组合；所述有源负阻包括交叉耦合对和尾电流源；所述串联LC包括两对串联的L 1和C 1，所述并联LC包括一对并联的L 2和C 2，所述射频陷波滤波器中并联LC、寄生电阻和有源负阻电路并联后在两端分别串联一对串联的L 1和C 1，其中，所述交叉耦合对包括晶体管M 1和晶体管M 2，所述晶体管M 1的栅极连接所述寄生电阻的负端和所述晶体管M 2的漏极，所述晶体管M 2的栅极连接所述寄生电阻的正端和所述晶体管M 1的漏极，所述晶体管M 1的源极和所述晶体管M 2的源极相连并通过所述尾电流源接地；
所述射频陷波滤波器的传输函数可表示为
；
所述射频发射链路用于对输入的数字基带信号进行数模转换、滤波以及上变频至低射频频段，再将接收的低射频段信号上变频至Ku/Ka频段并对Ku/Ka频段进行功率放大和滤波；
所述频率合成模块用于向射频接收链路和射频发射链路提供本振信号和采样时钟并对所述本振信号进行二倍频和二分频；所述频率合成模块包括频率综合器、二倍频器和二分频器；所述频率综合器用于向射频接收链路和射频发射链路提供本振信号和采样时钟；所述二倍频器用于分别向频率综合器的输出本振信号提供二倍频功能；所述二分频器用于分别向频率综合器的输出本振信号提供二分频功能；所述二倍频器包括4个晶体管、差分并联谐振器和自偏置驱动器；所述差分并联谐振器由并联的电容C v和第一电感组成；所述4个晶体管包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管，所述自偏置驱动器包括自偏置驱动器B 1和自偏置驱动器B 2；所述二倍频器还包括第一电容和第二电容；所述第一晶体管的源极与所述第二晶体管的源极相邻并接地，所述第一晶体管的栅极用于接入差分信号V in +，所述第二晶体管的栅极用于接入差分信号V in -，所述第一晶体管的漏极连接所述第三晶体管的源极，所述第二晶体管的漏极连接所述第四晶体管的源极，所述第三晶体管的漏极与所述第四晶体管的漏极相邻并连接所述电容C v的一端，所述第三晶体管的栅极用于接入信号V b1，所述第四晶体管的栅极用于接入信号V b2；所述电容C v的另一端分别连接所述第一电感的一端和所述第一电容的一端，所述第一电感的另一端分别连接所述电容C v的一端和所述第二电容的一端，所述第一电容的另一端通过所述自偏置驱动器B 1作为差分输出端V out +，所述第二电容的另一端通过所述自偏置驱动器B 2作为差分输出端V out -；
所述辅助射频接收链路用于接收来自射频发射链路的耦合射频信号并将输出信号送至数字基带模块中进行功率放大器的数字预失真；
所述接收解调模块用于对模数转换后的基带信号进行数字下变频，所述数字下变频包括跳频跟踪和多普勒频偏补偿，对跳频跟踪和多普勒频偏补偿后的数字基带信号进行解调相关操作并根据设计需求集成多路并行波形处理通道；
所述发射调制模块用于对数字基带信号进行调制相关操作后进行跳频调制并补偿射频发射链路中功率放大器的非线性失真；
所述协议解析/生成模块用于对发射调制模块中多波形多速率基带调制模块的输出报文进行报文协议解析并将协议解析后的原始数据输出至数据处理平台对外进行交互；以及对数据处理平台产生的原始数据按照协议要求进行报文生成并输出至多波形多速率基带调制模块。
2.根据权利要求1所述的高集成度地面终端SoC芯片，其特征在于，所述射频接收链路包括下变频混频器和零中频接收机；所述下变频混频器用于将接收的Ku/Ka频段信号下变频至低射频段；所述零中频接收机用于对输入的低射频段信号进行放大、下变频至零频、滤波以及相关操作；所述相关操作包括模数转换。
3.根据权利要求1所述的高集成度地面终端SoC芯片，其特征在于，所述射频发射链路包括零中频发射机、上变频混频器和带通滤波器和功率放大器；所述零中频发射机用于对输入的数字基带信号进行数模转换、滤波、上变频至低射频频段以及功率放大；所述上变频混频器用于将接收的低射频段信号上变频至Ku/Ka频段；所述带通滤波器和功率放大器用于对Ku/Ka频段进行功率放大和滤波。
4.根据权利要求1所述的高集成度地面终端SoC芯片，其特征在于，所述频率综合器的数量为三个；所述二倍频器和所述二分频器的数量均为两个。
5.根据权利要求1所述的高集成度地面终端SoC芯片，其特征在于，所述接收解调模块包括数字下变频器DDC、直接数字频率综合器和多波形多速率基带解调模块。
6.根据权利要求5所述的高集成度地面终端SoC芯片，其特征在于，所述数字下变频器DDC用于对模数转换后的基带信号进行下变频操作；所述下变频操作包括跳频跟踪和多普勒频偏补偿。
7.根据权利要求6所述的高集成度地面终端SoC芯片，其特征在于，所述多波形多速率基带解调模块用于对跳频跟踪和多普勒频偏补偿后的数字基带信号进行解调相关操作并根据设计需求集成多路并行波形处理通道；所述解调相关操作包括解调、译码和纠错。
8.根据权利要求1所述的高集成度地面终端SoC芯片，其特征在于，所述发射调制模块包括多波形多速率基带调制模块、数字上变频器DUC、直接数字频率综合器和数字预失真模块。
9.根据权利要求8所述的高集成度地面终端SoC芯片，其特征在于，所述多波形多速率基带调制模块用于对数字基带信号进行调制相关操作并根据设计需求集成多路并行波形处理通道；所述调制相关操作包括编码和调制；所述数字上变频器DUC用于对来自多波形多速率基带调制模块的数字基带信号进行跳频调制；所述直接数字频率综合器用于为数字上变频器DUC提供数字本振信号，受控于多波形多速率基带调制模块；所述数字预失真模块用于补偿射频发射链路中功率放大器的非线性失真。
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