基于ASIC的海五衛(wèi)星信號接收技術(shù)及實現(xiàn)

韓 星，張華沖，楊 松

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

Inmarsat-5是第五代海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)，是目前第一個使用Ka頻段的全球性商業(yè)寬帶高通量衛(wèi)星(High Throughput Satellite，HTS)通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用Ka波段，采用多點波束配置，具有通信容量大等優(yōu)點[1]。隨著人們對無縫移動寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入需求的不斷增長，針對Inmarsat-5衛(wèi)星信號的接收技術(shù)的研究具有重要意義[2]。

傳統(tǒng)的接收設(shè)備通常采用國外公司的專用處理設(shè)備，價格昂貴且使用不夠靈活，無法自定義修改[3]。本文針對Inmarsat-5衛(wèi)星固定點波束和高容量點波束信號實時接收處理的需求，提出了一種基于ASIC+FPGA+DSP接收處理方案，并詳細(xì)介紹了軟硬件實現(xiàn)結(jié)構(gòu)以及性能測試結(jié)果，該接收設(shè)備具有低功耗、低成本、工作穩(wěn)定、性能優(yōu)異和可自定義升級等特點。

1 研究背景

1.1 高通量衛(wèi)星

高通量衛(wèi)星是新一代寬帶通信衛(wèi)星的統(tǒng)稱，通常情況下，一個HTS衛(wèi)星具有多波束覆蓋、頻率重復(fù)使用、通常使用Ka頻段[4]等特征。

一顆典型的HTS衛(wèi)星采用60個點波束，如果每一個點波束為出向500 MHz和回傳500 MHz的容量(典型的Ka頻段分配)，則此顆衛(wèi)星將擁有60 GHz的容量，HTS衛(wèi)星的bit/Hz比通?？梢赃_(dá)到2～3，這樣一顆HTS衛(wèi)星的傳輸總?cè)萘靠梢暂p易地突破100 Gb/s。正是由于HTS衛(wèi)星具有以上特點，近年來其發(fā)展迅猛，2013年高通量衛(wèi)星占全球總衛(wèi)星帶寬容量需求的17%，預(yù)計到2023年占比將增長到將近50%[5]。

我國已于2013年開始實施“寬帶中國”計劃，已經(jīng)成功發(fā)射“中星16”高通量衛(wèi)星，總通信容量超過20 Gbps，超過之前我國所有研制的通信衛(wèi)星容量總和。為滿足“寬帶中國”和“一帶一路”戰(zhàn)略的寬帶需求，“十三五”期間還將發(fā)射多顆HTS衛(wèi)星。

1.2 Inmarsat-5系統(tǒng)

Inmarsat-5系統(tǒng)是第一個使用Ka頻段的全球性商業(yè)寬帶高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其改變了傳統(tǒng)海事 VSAT市場以 C、Ku波段為主的通信，推出了定位于高端用戶的全球高速移動寬帶業(yè)務(wù)Global Xpress，該業(yè)務(wù)的目標(biāo)是海事和航空服務(wù)等領(lǐng)域。Inmarsat-5的3顆衛(wèi)星，采用HTS技術(shù)、Ka頻段，可以為寬帶衛(wèi)星終端用戶提供下行50 Mbps、上行5 Mbps的速率。衛(wèi)星采用點波束方式，一共有72個固定點波束(每個波束下行支持50 Mbps)、6個移動高容量點波束(可靈活機動調(diào)整到需要的區(qū)域，每個波束下行支持150 Mbps)，單顆衛(wèi)星容量4.5 Gbps[6]。

一般HTS衛(wèi)星的前向信道采用DVB-S2/ACM的技術(shù)體制，回傳信道采用FDM-TDMA技術(shù)體制、自適應(yīng)編碼和功率控制等技術(shù)，以充分克服雨衰對衛(wèi)星鏈路的影響，將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的可用度和用戶體驗提升到令人基本滿意的水平。

1.3 DVB-S2和Annex-M標(biāo)準(zhǔn)

DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)作為第二代數(shù)字衛(wèi)星廣播標(biāo)準(zhǔn)廣泛應(yīng)用在廣電、電信和計算機等領(lǐng)域，調(diào)制樣式采用QPSK，8PSK，16APSK，32APSK等多種形式，支持1/4，1/3，2/5，1/2，3/5，2/3和9/10等多種內(nèi)碼碼型，頻譜成形中升余弦滾降系數(shù)分為0.35，0.25，0.2三種，頻譜利用率相比以前更高。前向糾錯采用LDPC(內(nèi)碼)與BCH(外碼)級聯(lián)的形式，新的編碼調(diào)制方案距離理論上的香農(nóng)極限只有0.6～0.8 dB[7]。

Annex-M擴展載波是DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)為應(yīng)對寬帶信號應(yīng)用而專門設(shè)計。由于DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)初為36 MHz和54 MHz轉(zhuǎn)發(fā)器而設(shè)計，最高才支持45 Msps。HTS衛(wèi)星的每個波束都為大容量波束，最大帶寬達(dá)到500 MHz，因此DVB-S2擴展載波標(biāo)準(zhǔn)Annex-M應(yīng)運而生，Annex-M擴展載波信號最高支持500 M波特，調(diào)制樣式支持32APSK或者更高階數(shù)。因此寬帶信號只有采用DVB-S2擴展載波(Annex-M)才能實現(xiàn)更高的容量和更好的鏈路性能[8]。

基于Inmarsat-5系統(tǒng)前向信號點波束特點，為了應(yīng)對固定點波束和移動高容量點波束的接收需求，接收設(shè)備需要具備窄帶DVB-S2信號和寬帶Annex-M信號的接收能力。

2 硬件平臺

2.1 STV0910和STiD135芯片

意法半導(dǎo)體(ST)公司是世界最大的半導(dǎo)體公司之一，STV0910芯片是ST公司為應(yīng)對窄帶DVB標(biāo)準(zhǔn)信號接收應(yīng)用而專門設(shè)計的接收處理芯片，該芯片具備DVB-S/S2標(biāo)準(zhǔn)全協(xié)議信號接收處理能力，最大處理能力135 Mbps，可以應(yīng)對Inmarsat-5固定點波束DVB-S2信號接收處理應(yīng)用[9]。STiD135芯片是ST公司為應(yīng)對寬帶DVB標(biāo)準(zhǔn)信號接收處理應(yīng)用而最新研制的接收處理芯片。該芯片全面支持DVB-S/S2/S2X和Annex-M標(biāo)準(zhǔn)，配合地面網(wǎng)絡(luò)能夠提供相當(dāng)于光纖網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度。芯片實現(xiàn)了4個全頻調(diào)諧器、HSR雙解調(diào)器和多達(dá)8個窄帶解調(diào)器，硬件支持網(wǎng)絡(luò)時鐘恢復(fù)(NCR)，讓高通量衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器能夠采用單載波通信，最大處理能力500 Msps，可以應(yīng)對Inmarsat-5移動高容量點波束信號(Annex-M擴展載波)接收處理應(yīng)用[10]。

2.2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了應(yīng)對寬帶和窄帶波束信號接收需求，在接收處理設(shè)備中，分別設(shè)計寬帶信號處理單元和窄帶信號處理單元，并協(xié)同工作，其中信號處理單元設(shè)計總體思路采用子板+載板結(jié)構(gòu)形式和ASIC+DSP+FPGA的架構(gòu)[11]，其中子板包括ASIC芯片及相關(guān)電路，主要完成Inmarsat-5指定波束信號的接收處理，承載不同ASIC芯片的子板完成不同種類波束信號處理；載板包括DSP和FPGA以及相關(guān)電路，其中FPGA芯片采用Xilinx公司的XC6VSX315T芯片，主要通過高速并行總線接收來自ASIC芯片的處理結(jié)果，并通過SRIO總線傳輸給DSP進(jìn)行上層協(xié)議解析。DSP采用TI公司的TMS320C6678多核處理芯片，主要通過I2C總線完成對ASIC芯片控制及相關(guān)狀態(tài)的回讀，同時通過SRIO總線接收來自FPGA轉(zhuǎn)發(fā)的信號處理結(jié)果，并進(jìn)行協(xié)議層解析等處理。接收處理設(shè)備實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2.1 DVB窄帶處理子板

主要通過STV6120+STV0910芯片組合完成的Inmarsat-5固定點波束DVB標(biāo)準(zhǔn)信號處理工作，最大處理能力不超過135 Mbps。其中模擬芯片STV6120是一個4輸入2輸出的下變頻矩陣，可以同時輸出2路信號，輸入頻率范圍250～2 150 MHz，最大增益65 dB[12]，主要完成下變頻濾波抽取，幅度調(diào)整等功能，輸出零中頻IQ信號。

數(shù)字處理芯片STV0910包括2路高速AD、數(shù)字AGC、匹配濾波器、定時恢復(fù)環(huán)路、載波恢復(fù)環(huán)路和均衡器等支持多協(xié)議解調(diào)模塊，以及Viterbi+RS譯碼和LDPC+BCH譯碼模塊[13]。整個DVB窄帶處理單元硬件設(shè)計原理如圖2所示。

圖1 接收處理設(shè)備實現(xiàn)結(jié)構(gòu)

圖2 DVB窄帶處理單元原理

L頻段信號進(jìn)入DVB窄帶處理子板，STV6120芯片完成指定頻點下變頻、濾波、抽取處理輸出零中頻信號給STV0910芯片，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號解調(diào)、解碼輸出TS/GS流數(shù)據(jù)。FPGA在接收數(shù)據(jù)中加入時標(biāo)通過SRIO傳輸給DSP完成協(xié)議解析，并通過網(wǎng)口傳輸給席位。

2.2.2 DVB寬帶處理子板

主要通過STiD135芯片完成Inmarsat-5移動高容量點波束Annex-M標(biāo)準(zhǔn)信號處理工作，單芯片集成模擬和數(shù)字處理模塊，全面支持最新的DVB-S2/S2X和Annex-M標(biāo)準(zhǔn)[14]。

其中模擬部分主要包括4路寬帶模擬下變頻模塊，最大帶寬600 MHz。數(shù)字部分包括一個4×8交換矩陣，多功能解調(diào)模塊，支持最多8路窄帶或2路寬帶信號解調(diào)，以及多協(xié)議信道譯碼等模塊，最大處理能力達(dá)到500 Msps[15]。多功能解調(diào)模塊詳細(xì)設(shè)計框圖如圖3所示。

圖3 寬帶解調(diào)器設(shè)計

相比傳統(tǒng)窄帶解調(diào)器，針對寬帶信號解調(diào)需求，在原有均衡器基礎(chǔ)上專門增加寬帶均衡器WEQ。由于信道帶寬最大為600 MHz，信道失真而引入的碼間串?dāng)_問題對于解調(diào)器將是一個巨大的挑戰(zhàn)，因此，解調(diào)器在傳統(tǒng)判決反饋自適應(yīng)均衡器的基礎(chǔ)上，結(jié)合寬帶信道的特點，專門增加一個寬帶均衡器WEQ，其中前向均衡器為5階，反饋均衡器從傳統(tǒng)的8階增大到256階，大大降低了信道失真對解調(diào)的影響，使碼間串?dāng)_降到最低[16]。

3 軟件設(shè)計

信號處理單元軟件主要包括底層驅(qū)動軟件和上層應(yīng)用軟件，上層應(yīng)用軟件主要通過控制ASIC芯片完成指定頻段盲掃功能以及指定頻點信號解調(diào)功能，并封裝為功能相對獨立的軟件模塊。底層驅(qū)動軟件主要通過I2C總線完成對ASIC芯片指定寄存器的讀寫操作，完成上層應(yīng)用軟件相應(yīng)功能[17]。寄存器配置流程如圖4所示。

圖4 寄存器配置流程

由于ASIC芯片寄存器數(shù)目繁多，需要首先把寄存器地址變量宏定義在一個專門的文件庫中進(jìn)行調(diào)用，減小直接操作帶來的錯誤風(fēng)險[18]。

4 性能測試

目前，已經(jīng)研制完成PCIe和VPX兩種平臺的信號處理單元。通過模擬源測試以及實星信號測試，基本滿足性能指標(biāo)要求。可以實現(xiàn)對Inmarsat-5下行固定點波束和移動高容量點波束信號實時接收處理。信號處理單元實物如圖5所示。

圖5 信號處理單元實物

在實際性能指標(biāo)測試中，針對DVB-S2系統(tǒng)進(jìn)行PER誤包率測試[19]，測試結(jié)果如表1所示。

表1 PER實際性能測試結(jié)果

從測試記錄來看，在最差情況下(32APSK調(diào)制方式、4/5編碼率)接收性能只比理論值惡化1.1 dB[20]。

5 結(jié)束語

本文針對Inmarsat-5高通量衛(wèi)星不同波束信號的特點，提出了一種基于ASIC+FPGA+DSP的接收處理方案，并研制了接收處理設(shè)備。經(jīng)過實際信號測試，該設(shè)備能夠?qū)崟r接收處理前向固定點波束和高容量點波束信號，工作穩(wěn)定，相比于傳統(tǒng)專用處理設(shè)備，大大降低成本和功耗，使用靈活，具有很好的應(yīng)用價值。