一种基于FPGA实现的数字信道化转发器系统及转发方法

摘要

一种基于FPGA实现的数字信道化转发器，本发明的卫星转发器的主要功能是将卫星信号和频率进行变化和放大，其连同卫星收发天线，构成了一个无线电收发系统，具有灵敏度高、动态范围大、测试精度高、数字化后的数据可长期存储等优良性能，同时本发明将数字化与信道化有机的结合起来，采用数字信道化，以FPGA为设计的硬件平台，去实现稳定的、可靠地、功能完全满足要求的星载宽带数字信道化转发器。本发明在设计转发器时，考虑了转发器对宽带信号的处理能力，提高了信号的传输质量并实现了灵活的信道切换和波束切换，实现了宽带信号的近似精确分析与合成。

说明书

技术领域

本发明具体涉及一种基于FPGA实现的数字信道化转发器及转发方法，属于卫星通信领域。

背景技术

卫星通信转发器是卫星通信网的空间部分，是卫星通信的关键载荷，它的性能优劣直接影响了整个卫星通信系统的性能。卫星转发器是卫星通信系统的频率和信号的变换及放大装置，其连同卫星收发天线，构成了一个无线电收发系统。

国际通信卫星组织的第一代通信卫星于1965年投入商用，这标志着通信卫星真正进入了实用、提高与发展的新阶段。多年来，在国际通信、国内通信、国防通信、移动通信、广播电视以及星际通信等领域内，卫星通信系统都得以充分和迅速的发展。随着通信卫星应用领域的不断拓展，人们对卫星通信的新体制、新技术进行了持续不断的探索，并取得了很大的提高和发展。同时，新体制和新技术的发展又进一步扩展了通信卫星的应用领域。通信卫星系统的发展始终围绕着提高平台承载转发器的重量和为转发器提供电功率能力两个方面进行，因而可以说通信卫星系统的发展史实际上也是转发器的发展史。迄今为止，转发器已经完成了从简单的信号放大转发到星上信号处理、单一功能到多功能、单一频段向多频段的转变。

目前，转发器根据是否具有处理功能而划分为“透明”和“处理”两大类，“透明”转发器对接收到的信号只进行变频和放大转发任务，对工作频带内的所有信号都是“透明”的；“处理”转发器除了具有上述功能外，还具有射频波束交换、调制解调、基带交换、多址方式变换等功能。

针对现有转发器不能够将任意频带的数据转发到任意频带上，所有信号均不能够在不同频带间交互，因此不能有效的、灵活的实现信号转发，也不能够实现上行覆盖与下行覆盖相连。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有转发器方案设计的不足，提出了一种可实现的基于FPGA实现的数字信道化转发器的方案设计。该方案设计考虑了转发器对宽带信号的处理能力，提高了信号的传输质量并实现了灵活的信道切换和波束切换，实现了宽带信号的近似精确分析与合成。本发明以FPGA为设计的硬件平台，去实现稳定的、可靠地、功能完全满足要求的星载宽带数字信道化转发器。

本发明的具体技术方案如下：一种基于FPGA实现的数字信道化转发器系统，包括：多路接收单元、信道转发模块、多路发射单元；

多路接收单元，从外部卫星接收天线接收多路卫星上行信号，通过选通滤波选出所需要的信号，再通过低噪放大后，经下变频后得到多路模拟中频信号；将多路模拟中频信号送至信道解复用模块；

信道转发模块，将模拟中频信号进行AD采样，得到多路数字中频信号，对多路数字中频信号分别进行信号分路，对分路的信号按照信号时隙进行交换，将交换后的信号进行合路，得到合路数据信号，将合路数据信号进行DA转换，得到多路模拟中频信号，送至多路发射单元；

多路发射单元，将多路模拟中频信号进行上变频，带通滤波、功率放大、二次带通滤波、通过外部天线调谐器馈入卫星发射天线。

信道转发模块，包括：AD采样模块、分路模块、交换模块、合路模块、DA转换模块；

交换模块，包括：FPGA模块；

AD采样模块，将多路接收单元送来的模拟中频信号进行AD采样，得到多路数字中频信号，由分路模块对多路数字中频信号分别进行信号分路，FPGA模块控制分路后的信号按照预先设定的路由进行交换，由合路模块将交换后的信号进行合路，得到合路数据信号，再由DA转换模块将合路数据信号进行DA转换，得到多路模拟中频信号，送至多路发射单元。

多路接收单元，包括：第一带通滤波器BPF0、低噪放模块LNA、下变频模块D/C、第二带通滤波器BPF；

第一带通滤波器BPF0，从外部卫星接收天线接收多路卫星上行信号，经第一带通滤波器BPF0选通滤波选出所需要的信号，再由低噪放模块LNA进行低噪放大后，由下变频模块D/C进行下变频后，再由第二带通滤波器BPF进行再次滤波后，得到多路模拟中频信号；将多路模拟中频信号送至信道解复用模块。

多路发射单元。包括：上变频模块U/C1、第三带通滤波器BPF2、驱动放大器、第三带通滤波器BPF3、高功率放大器HPA；

上变频模块U/C1，将信道转发模块送来的多路模拟中频信号进行上变频，经第三带通滤波器BPF2进行带通滤波、由驱动放大器进行功率放大、再经第三带通滤波器BPF3进行二次带通滤波、最后经过高功率放大器HPA进行高功率放大，通过外部天线调谐器馈入卫星发射天线。

分路模块通过四个FPGA实现、交换模块通过两个FPGA实现、合路模块通过四个FPGA实现；

当多路接收单元接收四路卫星上行信号，产生四路模拟中频信号时，进行AD转换后，当分路时钟到来时，分路模块的四个FPGA将每路数字中频信号后分成四十八路数字信号，经过帧同步信号同步后四个FPGA分别将四十八路数字信号送至交换模块中的一个FPGA，交换模块中的一个FPGA中输入192路信号，在该FPGA种按照预先设定的路由进行交换后，送至交换模块中的另一个FPGA，由该FPGA对交换后的多路数字信号进行增益调制，等分成四路路分别送至合路模块的四个FPGA中，由该四个FPGA的每个FPGA将四十八路合成一路，形成四路数字中频信号。

分路模块的FPGA，采用分析滤波器组将每路数字中频信号后分成四十八路数字信号。

分析滤波器组的滤波函数如下：

其中，且滤波器阶数N＝M*D，n＝mD+k(m＝0,1,2,…,M-1；k＝0,1,2,…D-1)；D为分析滤波器组的子带滤波器个数，M为分析滤波器组的子带滤波器阶数，h为分析滤波器组的子带滤波器系数，z表示在复数域。

交换模块中的一个FPGA按照预先设定的路由进行交换的交换矩阵，对于一个n个波束输入，每个波束中分为n个信道输入数据流，给出一个这样的数学抽象：该输入数据流可以利用一个n*n阶的数学矩阵来等效表示交换矩阵如下：

其中，数据流中的每一个波束数据都对应着矩阵in_data的行数据，而每个波束中的各个子带对应着矩阵in_data相应行中与子带序列号相应的位置。也就是说，矩阵in_data中的a₁₁…a_1n等同于第一个波束，a₁₁则对应一个波束中的第一个子带，其余依次类推。

合路模块的FPGA采用合成滤波器组将四十八路合成一路，形成四路数字中频信号。

合成滤波器组的合成滤波函数如下：

其中，k＝0,1,2,…K-1，K为合成滤波器组的子带滤波器个数，h为合成滤波器组的子带滤波器系数，j为虚数单位，e,π为常数，n表示在实数域。

一种基于FPGA实现的数字信道化转发方法，步骤如下：

(1)多路接收单元，从外部卫星接收天线接收多路卫星上行信号，

(2)将步骤(1)的多路卫星上行信号通过选通滤波选出所需要的信号；

(3)将步骤(2)所需要的信号再通过低噪放大后，经下变频后得到多路模拟中频信号；

(4)将步骤(3)的多路模拟中频信号送至信道解复用模块；

(5)信道转发模块将步骤(4)模拟中频信号进行AD采样，得到多路数字中频信号；

(6)对步骤(5)多路数字中频信号分别进行信号分路，对分路的信号按照信号时隙进行交换；

(7)将步骤(6)时隙交换后的信号进行合路，得到合路数据信号；

(8)将合路数据信号进行DA转换，得到多路模拟中频信号，送至多路发射单元；

(9)多路发射单元，将多路模拟中频信号进行上变频，带通滤波、功率放大、二次带通滤波、通过外部天线调谐器馈入卫星发射天线。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明在方案设计中可实现可变路数的信号传输，在转发器宽带信号传输及波束切换方面更加灵活，提升了转发器的效率及有效性。

(2)本发明中信号的复用器及解复用器使用FPGA来实现，可以实现宽带信号的精确分析与合成，基于FPGA的高速交换网络能够对细化后的宽带信号中各个子带进行交换。

(3)本发明针对提出了一种基于FPGA实现的数字信道化转发器的方案设计，数字化信道转发器属于处理转发器的一类，本发明以FPGA为硬件平台来实现数字信道化转发器的设计，可以很大提高信号的传输质量，且将信号信道化处理，可以实现多波束宽带信号的灵活转发，也一定程度的提高了转发器对信号的处理速度。

(4)本发明宽带卫星转发器冲破了传统卫星通信体制发展所面临的屏障，给予卫星转发系统能够同时进行信道划分、多终端、多业务处理等方面的能力。

(5)本发明在方案设计采用分析滤波器组和合成滤波器组技术，可以实现波束之间的全子带交换以及波束内的子带交换。

附图说明

图1为数字信道化转发器总体方案设计总体结构图；

图2为转发器交换部分示意图；

图3为单波束的转发器交换部分基本结构图；

图4仿真输入信号频谱分布图；

图5仿真分析滤波器组频谱图；

图6仿真信号频谱位移图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明的一种基于FPGA实现的数字信道化转发器，本发明的卫星转发器的主要功能是将卫星信号和频率进行变化和放大，其连同卫星收发天线，构成了一个无线电收发系统，具有灵敏度高、动态范围大、测试精度高、数字化后的数据可长期存储等优良性能，同时本发明将数字化与信道化有机的结合起来，采用数字信道化，以FPGA为设计的硬件平台，去实现稳定的、可靠地、功能完全满足要求的星载宽带数字信道化转发器。本发明在设计转发器时，考虑了转发器对宽带信号的处理能力，提高了信号的传输质量并实现了灵活的信道切换和波束切换，实现了宽带信号的近似精确分析与合成。

本发明的宽带转发器支持2.6MHz信道化交换转发、200KHz信道化交换转发，转发方式可以软件控制切换；输出杂散L、S、C：≤-55dBc；X、Ku、Ka：≤-50dBc；谐波抑制：≤40dBc；外带杂散抑制：≥50dBc。

本发明的一种基于FPGA实现的数字信道化转发器系统，包括：多路接收单元、信道转发模块、多路发射单元；这样可实现可变路数的信号传输，在转发器宽带信号传输及波束切换方面更加灵活，提升了转发器的效率及有效性；

多路接收单元，包括：第一带通滤波器BPF0、低噪放模块LNA、下变频模块D/C、第二带通滤波器BPF；

所述第一带通滤波器BPF0，从外部卫星接收天线接收多路卫星上行信号，经第一带通滤波器BPF0选通滤波选出所需要的信号；

所述低噪放模块LNA，主要是对接收的微弱信号进行放大，便于后续处理；

所述下变频模块D/C，主要是把射频信号变成中频信号，便于后续AD进行采样；

所述第二带通滤波器BPF，主要是滤除由于下变频，功放等非线性器件产生的频谱杂散，从而提高信号质量；

信道转发模块，包括：AD采样，分路模块通过四个FPGA实现，交换模块通过两个FPGA实现，合路模块通过四个FPGA实现，数模转化DAC；使用FPGA来实现，可以实现宽带信号的精确分析与合成，基于FPGA的高速交换网络能够对细化后的宽带信号中各个子带进行交换；同时，也可以很大提高信号的传输质量，且将信号信道化处理，可以实现多波束宽带信号的灵活转发，也一定程度的提高了转发器对信号的处理速度；

所述AD采样模块，将多路接收单元送来的模拟中频信号进行AD采样，得到多路数字中频信号；

所述分路模块通过四个FPGA实现，是当分路时钟到来时，分路模块的四个FPGA将每路数字中频信号后分成四十八路数字信号，经过帧同步信号同步后四个FPGA分别将四十八路数字信号，能够同时进行信道划分、多终端、多业务处理等方面的能力分路，其所用算法为分析滤波器组，其滤波函数如下：

其中，且滤波器阶数N＝M*D，n＝mD+k(m＝0,1,2,…,M-1；k＝0,1,2,…D-1)；D为分析滤波器组的子带滤波器个数，M为分析滤波器组的子带滤波器阶数，h为分析滤波器组的子带滤波器系数，z表示在复数域；

所述交换模块通过两个FPGA实现，交换模块中的一个FPGA中输入192路信号，在该FPGA种按照预先设定的路由进行交换后，送至交换模块中的另一个FPGA，由该FPGA对交换后的多路数字信号进行增益调制，对于一个n个波束输入，每个波束中分为n个信道输入数据流，给出一个这样的数学抽象：该输入数据流可以利用一个n*n阶的数学矩阵来等效表示交换矩阵如下：

其中，数据流中的每一个波束数据都对应着矩阵in_data的行数据，而每个波束中的各个子带对应着矩阵in_data相应行中与子带序列号相应的位置。也就是说，矩阵in_data中的a₁₁…a_1n等同于第一个波束，a₁₁则对应一个波束中的第一个子带，其余依次类推；

所述合路模块通过四个FPGA实现，将交换模块等分成四路路分别送至合路模块的四个FPGA中，由该四个FPGA的每个FPGA将四十八路合成一路，形成四路数字中频信号，使用分析滤波器组和合成滤波器组技术，可以实现波束之间的全子带交换以及波束内的子带交换，其合路所用算法为合成滤波器组，其滤波函数如下：

其中，k＝0,1,2,…K-1，K为合成滤波器组的子带滤波器个数，h为合成滤波器组的子带滤波器系数，j为虚数单位，e,π为常数，n表示在实数域；

所述数模转化DAC，是将合路数据信号进行DA转换，得到多路模拟中频信号，送至多路发射单元；

多路发射单元。包括：上变频模块U/C1、第二带通滤波器BPF2、驱动放大器、第三带通滤波器BPF3、高功率放大器HPA；

所述上变频模块U/C1，将模拟信号中频信号上变频到射频信号；

所述第二带通滤波器BPF2，主要是滤除由于上变频非线性器件产生的频谱杂散，输出杂散优选要求≤-50dbc，从而提高信号质量；

所述驱动放大器，是对信号进行放大，保证能让后续功放进行更好的放大信号；

所述第三带通滤波器BPF3，主要是滤除由于放大器非线性器件产生的频谱杂散，输出杂散要求≤-50dbc，从而提高信号质量；

所述高功率放大器HPA，对信号进行高功率放大，通过外部天线调谐器馈入卫星发射天线。

基于FPGA实现的数字信道化转发器系统，所需FPGA，模数转化ADC，数模转化器DAC，上变频、功率放大器功放参考指标如下：

所述FPGA，可选择赛灵思公司(Xilinx)的Virtex-6系列产品，K7,Virtex-7等。

所述模数转化ADC优选方案为：采样率在窄带时为400MHz，带宽时为1.6GHz；量化位数为12bit以上；无杂散动态范围：≥55dBc；输出信噪比：≥50dBc。

所述数模转化器DAC优选方案为：量化位数为12bit以上；输出信号功率为0dBm±3dB。

所述低噪放LNA优选方案为：工作频率为6.424---6.765GHz，噪声温度＜80K，增益为55dB，带内波动为±0.5，1dB压缩点为10dBm，群时延特性为IESS-308，工作温度为－40～+50。

所述上变频优选方案为：，输入频率L优选波段为140MHz，输出频率为3.55---3.7GHz，输出电平+20.8dBm，带内波动为±0.75，增益为45dB，杂散及相位噪声为IESS-308，电平调整范围为±10dB，工作温度为－40～+50。

所述下变频优选方案为：，输入频率优选为6.424--6.765GHz，输出频率L波段为140MHz，噪声系数＜8，带内波动为±0.75，增益为45dB，杂散及相位噪声为IESS-308，电平调整范围为±10dB，工作温度为－40～+50。

所述功放优选方案为：频率为6.424--6.765GHz，输出电平+19.8dBm，带内波动为±0.75，增益为45dB，本振稳定度≤10^-7，杂散及相位噪声为IESS-308，电平调整范围为±10dB，工作温度为－40～+50。

图1描述的是系统总体结构图。由图可见，本发明由多路接收单元、信道转发模块和多路发射单元构成。多路接收单元主要由第一带通滤波器BPF0、低噪放模块LNA、下变频模块D/C、第二带通滤波器BPF组成。信道转发模块包括A/D转换模块，FPGA模块，D/A转换模块。多路发射单元包括：上变频模块U/C1、第二带通滤波器BPF2、驱动放大器、第三带通滤波器BPF3、高功率放大器HPA。系统整个工作流程为：

(1)接收器部分的低噪声放大器(LNA)主要实现信号的放大功能。信号经过天线接收后进入带通滤波器(BPF0)进行频率预选后，信号进入接收机。接收机的第一级是一个低噪声放大器(LNA)。这个放大器在经放大后的载波信号中加入了很小的噪声，同时使载波信号足够放大，以便载波信号能够在下个变频器级抵抗更高的噪声。

(2)所述变频器由混频器及一个本地振荡器构成，主要完成的是频率转换的功能。从本地振荡器到混频器输入端的动力驱动大约是10dBm。振荡器的频率必须高度稳定，并且有低相位噪声。

(3)所述驱动放大器主要功能为为整个接收机提供较大的增益，经过接收机信号变成合适的中频信号。

(4)信道转发模块将收到的中频信号进行A/D转换后进入数字域，然后通过FPGA进行处理，完成信号解复用的多路信号之后进入具有高速交换功能的FPGA进行多路信号的交换，交换后的信号经过FPGA处理，完成多路信号的复用即合路后，进入多路发射单元。

(5)多路发射单元将经过处理的中频信号经模拟上变频(U/C1)，BPF2(带通滤波器)后经过PA(驱动放大电路)和BPF3(带通滤波器)后送入HPA(高功放)的放大后通过天线调谐器馈入卫星发射天线，从而完成整个星载信号交换过程。

如图图2所示的是信道转发模块的示意图，信道转发模块的流程如下：

(1)由于系统需要处理多路子信道的数据(本发明以192路子信道信号为例)，本发明考虑实际卫星的能力，模拟了4路波束之间不同交换能力，故模拟卫星转发器拟采用4块FPGA(分路处理板中FPGA1～FPGA4)分别实现4路各48路子信道信号的数字分路，在分路处理板配置高速A/D采样芯片。

(2)采用2块FPGA(FPGA5与FPGA6)分别实现这4路子信道之间的数字交换功能以及增益调整功能。

(3)在合路处理板中采用4块FPGA实现192路子信道信号的数字合路，并配置高速D/A芯片。FPGA可选择Virtex-6系列产品也可选择其他型号FPGA。

如图3所示的是单波束的转发器交换部分基本结构框图，以一个波束为例对转发器交换部分的分路处理板和合路处理板的工作原理进行了阐述，整个系统的工作流程为：

(1)数据进入分路处理板，经过多相滤波器转化为多个输入，本方案用FPGA实现滤波器功能。

(2)数据处理速度较高，不便于高速交换网络部分进行处理，故需要添加CIC滤波器(如图3中Q所示)进行抽取，对输入数据进行降速处理，以便于数据进入中间FPGA对数据进行交换处理。

(3)处理过的数据进入合路板后的数据使用CIC滤波器进行插值处理使速率提升，然后完成信号的合路。

基本子带信道带宽优选为2.6MHz，最小子带信道带宽为1.3MHz，Δ＝0.1MHz，假设输入信号有3路，分别占有1个、2个、4个基本带宽，起始的最小子带信道位置分别为:0、2、6，信号带宽为2.4MHz、4.8MHz、9.6MHz，采用QPSK调制方式，滚降系数为0.25。目标是第一路信号向右移动2个基本带宽，第二路信号向右移动4个基本带宽，第三路信号向右移动10个基本带宽。分析滤波器组和合成滤波器组的原型滤波器选用开根号升余弦滤波器。仿真结果如图4、图5、图6所示。图4仿真输入信号频谱分布图中横坐标代表频域单位Hz，纵坐标代表幅值单位dB；图5仿真分析滤波器组频谱图中横坐标代表时间单位s，纵坐标代表幅值单位dB；图6仿真信号频谱位移图中横坐标代表频域单位Hz，纵坐标代表幅值单位dB。经过分析滤波器组后，再经过抽取、插值、合成滤波器组，三路信号的频谱图如图6所示。因此采用本发明可以实现波束之间的全子带交换以及波束内的子带交换。

本发明的一种基于FPGA实现的数字信道化转发方法，步骤如下：

(1)多路接收单元，从外部卫星接收天线接收多路卫星上行信号，

(2)将步骤(1)的多路卫星上行信号通过选通滤波选出所需要的信号；

(3)将步骤(2)所需要的信号再通过低噪放大后，经下变频后得到多路模拟中频信号；

(4)将步骤(3)的多路模拟中频信号送至信道解复用模块；

(5)信道转发模块将步骤(4)模拟中频信号进行AD采样，得到多路数字中频信号；

(6)对步骤(5)多路数字中频信号分别进行信号分路，对分路的信号按照信号时隙进行交换；

(7)将步骤(6)时隙交换后的信号进行合路，得到合路数据信号；

(8)将合路数据信号进行DA转换，得到多路模拟中频信号，送至多路发射单元；

(9)多路发射单元，将多路模拟中频信号进行上变频，带通滤波、功率放大、二次带通滤波、通过外部天线调谐器馈入卫星发射天线。

本发明在方案设计中可实现可变路数的信号传输，在转发器宽带信号传输及波束切换方面更加灵活，提升了转发器的效率及有效性。本发明中信号的复用器及解复用器使用FPGA来实现，可以实现宽带信号的精确分析与合成，基于FPGA的高速交换网络能够对细化后的宽带信号中各个子带进行交换。

本发明针对提出了一种基于FPGA实现的数字信道化转发器的方案设计，数字化信道转发器属于处理转发器的一类，本发明以FPGA为硬件平台来实现数字信道化转发器的设计，可以很大提高信号的传输质量，且将信号信道化处理，可以实现多波束宽带信号的灵活转发，也一定程度的提高了转发器对信号的处理速度。

本发明宽带卫星转发器冲破了传统卫星通信体制发展所面临的屏障，给予卫星转发系统能够同时进行信道划分、多终端、多业务处理等方面的能力。本发明在方案设计采用分析滤波器组和合成滤波器组技术，可以实现波束之间的全子带交换以及波束内的子带交换。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变动。