基于基帶池的高速數據傳輸實現方法

摘要：隨著衛星通信的快速發展，基帶池為其提供了靈活、可擴展的高性能平臺。本文提出基于此平臺的高速數據傳輸模擬源實現方法，通過池式架構靈活部署，實現中高速數據傳輸，易于資源擴展。相較于傳統基帶，基帶池架構降低了模擬處理誤差，顯著提升了模擬源性能。

關鍵詞：衛星通信；基帶池；數據傳輸；模擬調制；實現方法

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.01.016

中圖分類號：TN 927+.2" " " " " " " " "文獻標志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2025）01-00-03

Implementation Method for High-Speed Data Transmission Based on Baseband Pool

ZHANG Tinglan

（The Tenth Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Chengdu 610064， China）

Abstract： With the rapid development of satellite communications， the baseband pool provides a flexible， scalable， and high-performance platform. This paper proposes an implementation method for a high-speed data transmission simulation source based on this platform. Through flexible deployment in a pool architecture， it achieves medium to high-speed data transmission and facilitates resource expansion. Compared with traditional basebands， the baseband pool architecture reduces analog processing errors and significantly enhances the performance of the simulation source.

Keywords： satellite communications; baseband pool; data transmission; analog modulation; implementation method

0" "引言

近年來，我國衛星通信發展迅猛。衛星行業協會（SIA）發布在第27個年度《衛星行業狀況報告》（SSIR）中指出：2023年，衛星發射次數和部署的衛星數量創歷史紀錄，2023年共發射2 781顆商業采購衛星，比2022年多456顆。到2023年年底在軌活躍衛星數量達到9 691顆，預測到2040年航天經濟規模將達到萬億美元。衛星寬帶的收入實現了40%的增長，同時用戶數量也有27%的增加。這一趨勢明顯表明，為了順應衛星技術的持續進步，亟需開發一個更加靈活、功能豐富且性能卓越的平臺。相比于傳統的衛星地面站基帶系統，基于嵌入式云平臺的基帶池在具有以上特點，基帶資源高效共享共用新技術研究在未來衛星業務發展中將會扮演重要角色。

1" "基帶池技術概述

基帶池技術將基帶處理資源集中到一個共享池中，以支持多個通信有效載荷，增強了衛星系統的靈活性和可擴展性，從而可以更加有效地來管理和處理多個信號和數據流。基帶池技術的另一個優勢是可根據需求動態分配資源，優化了對冗余硬件的需求，節約了成本。此外，基帶池允許衛星動態適應各種通信標準和協議，從而可以服務不同地區和用戶[1]。這種適應能力延長了衛星服務壽命，增強了其支持新服務的能力。該基帶池是具有高性能、高帶寬、高可靠性的以基于嵌入式云平臺的中繼衛星系統地面終端站。

基帶池系統采用了硬件模塊化的設計理念，各模塊間通過精心設計的內部總線結構實現高效互聯，共同構建起一個功能強大、靈活可擴展的基帶處理池。這種架構不僅便于維護與升級，還極大地提升了系統的整體性能。在衛星通信這一對技術要求極高的領域中，高速調制器作為基帶池的核心組件之一，其重要性不言而喻。特別是在面對帶寬資源有限以及高誤碼率的復雜通信環境時，一款性能卓越的高速調制器能夠顯著提升數據傳輸的可靠性和穩定性。通過采用先進的調制技術和算法優化，它能在有限的頻譜資源內實現更高效的數據編碼與解碼，從而確保衛星通信系統的順暢運行和數據的準確無誤傳輸，為現代衛星通信技術的發展提供了堅實的技術支撐。

2" "基帶池技術架構

2.1 整體架構

基帶池硬件由數字化設備和綜合處理設備兩大部分組成：數字化設備包括多個數字化組合系統，這些系統負責信號的數字化處理；綜合處理設備包括多個通用信號數據處理模塊、交換管理單元和系統控制模塊，用于信號的進一步處理與管理[2]。基帶池構成如圖1所示。

在整體系統架構中，綜合處理池扮演著至關重要的角色，它專注于基帶信號處理的精細操作與數據業務處理的高效執行。數字化池則承擔起模擬中頻信號的精細調理重任，以及實現模擬信號與數字信號之間精準、高效的轉換。為了確保信號傳輸的穩定性和高效性，數字化設備與綜合信號處理設備之間采用了先進的光纖連接技術，以實現前返向信號的高速、無損傳輸。此外，數字化設備、綜合信號處理設備與池監控系統、數據分發節點以及運營管理中心之間，通過千兆網連接構建起暢通的通信網絡，確保控制命令的準確下達、狀態信息的實時反饋以及數據信息的高效傳輸，從而全面提升了系統的整體運行效率和響應速度。

2.2 基帶池工作原理

2.2.1 綜合處理池

綜合處理池硬件設計采用了先進的VPX架構機箱設備，其結構精巧且功能全面。該系統的核心由一系列高度集成的模塊構成，包括通用信號處理模塊、通用數據處理模塊、高效的交換管理模塊以及精準的頻綜模塊。這些模塊之間通過高速、低延遲的RapidIO總線實現無縫互連，確保了數據傳輸的高效與準確。該系統能夠勝任多種復雜任務，如中低速與高速數據傳輸、多目標數傳處理、SMA數傳服務，以及遙測遙控（TTamp;C）和多站點精確測距等。各模塊間的高效協同工作，不僅提升了系統的整體性能，還極大地增強了其靈活性和可擴展性，使得綜合處理池在處理復雜多變的信號與數據任務時顯得游刃有余，為各類應用場景提供了堅實的技術支撐。

2.2.2 數字化池

數字化池在硬件設計上同樣采用了先進且靈活的VPX架構，其構成精細且功能完備，主要包括通用數字化模塊、通用信道模塊、高效交換管理模塊以及精確頻綜模塊等核心組件。該系統專注于實現上行與下行模擬中頻信號與數字信號之間的高精度、高效率轉換，為信號處理的后續流程奠定堅實基礎[3]。為了確保數據傳輸的極速與穩定，數字化平臺與信號處理平臺之間采用高性能的光纖連接技術，構建起一條高速、低延遲的數據交互通道。這種設計不僅提升了系統的整體處理效率，還極大地增強了信號處理的實時性與準確性，為各類復雜應用場景提供了強有力的技術支持和保障。

2.2.3 基帶池內外總線設計

基帶池內部及外部的總線系統包括四大組成成分。一是光纖連接：負責將數字化平臺與信號處理平臺緊密相連，確保數字信號能夠以高效、穩定的方式傳輸，提升數據傳輸速率與質量。二是RapidIO交換網絡：作為通用信號處理平臺與通用數據處理平臺之間的橋梁，RapidIO交換網絡采用星形拓撲結構，支持信號層與信息層數據的高速、低延遲交換，點對點交換能力高達40 Gbps，極大促進了數據交互的效率與靈活性。三是萬兆以太網：基帶池的數據處理平臺通過萬兆以太網交換機，與外部運營管理中心、大規模數據存儲與轉發設備以及用戶服務中心等關鍵節點建立高速通信鏈路，保障業務數據的高效流通與處理。四是內部千兆以太網網絡：在基帶池內部，各功能模塊依托千兆以太網技術構建的內部網絡實現信息的無縫交換，這一設計不僅增強了系統內部的協同工作能力，還確保了數據傳輸的穩定性和即時性。

3" "基于基帶池的高速數據傳輸調制模塊

3.1 基帶池調制模塊硬件結構

不同于傳統基帶模擬源設計，基于基帶池的模擬源調制模塊設計充分采用軟件無線電設計思想，采用參數化、模塊化以及可重構設計[4]。模擬源功能在綜合信號處理機箱中的信號處理板上實現，使用的FPGA是690T-FPGA1，模擬源經編譯、調制、信道模擬以后產生的數字中頻信號，通過GTH接口傳輸到光模塊，最終送到數字化機箱的DAC進行數模轉換，通過信道盒以后，輸出模擬中頻信號。模擬源模塊由多個部分構成，其中DSP實現監控、狀態上報，參數控制等功能。FPGA完成數據組幀、信道編碼、中頻載波調制等功能。D/A實現數字中頻信號模擬化。信道模塊濾波和信號幅度衰減等功能。

3.2 工作原理

調制模擬源模塊負責提供信號模擬以及噪聲模擬，以滿足基帶池解調譯碼端在初期實驗階段對各類復雜信號模擬的需求。該模塊產出的是經過編碼、調制及擾動處理之后的信號源，其構成包括三個主要部分。如圖2所示，整個過程可劃分為三個主要部分：數據生成/讀取、數據處理以及數據調制。首先，數據生成/讀取部分既可以是從外部讀入用戶數據，也可以是內部生成必要的數據，例如序列號和偽隨機碼。其次，數據處理環節涵蓋了分組編碼、加擾、碼型變換以及卷積差分編碼等操作，其核心目的在于增加數據源的信息冗余度，進而提升數據傳輸過程中的準確性。最后，數據調制部分包括基帶調制、成型濾波、數字噪聲疊加和中頻調制等步驟，以此模擬噪聲信號，并將數字中頻調制信號傳輸至數模轉換器（DAC），生成模擬中頻信號。通過以上數據的處理，可提供中頻1 200 MHz，具有BPSK、QPSK、8PSK多種信道編碼方式的模擬源信號。

3.3 存儲讀取模塊對比

在基帶池架構中的模擬源調制模塊與傳統模式在硬件設計方面存在顯著的差異。在傳統模式中，數據由FPGA 325 T生成，并通過接口在325 T和690 T之間，以及與底板的PCIE連接進行傳輸[5]。相比之下，在基帶池架構中，PN碼直接由FPGA生成，監控設置負責下發自定義數據和文件，而PC本地緩存的數據則通過PCIE總線直接傳輸至FPGA。

針對高速數據存儲需求，我們采用基于Block Master DMA的高速數字解調調制器。在此模式下，FPGA能主動進行數據上行傳輸和中斷消息傳遞。與此同時，上位機軟件會根據傳輸速率和IQ合分路情況來計算DMA大小和TLP傳輸包數，并向FPGA發送命令。模擬調制模塊基于基帶池架構，能實時讀取磁盤文件并調制輸出，如圖展示的操作流程。調制器會根據數據使用情況，尋址并選通兩片RAM，完成調制處理單元和PCIe接口單元的RAM乒乓操作。

3.4 與傳統基帶的對比

從數字化板與信號處理之間的傳輸方式，解調后星座圖的信噪比等方面對傳統基帶和基于基帶池結構的調制模塊進行比對分析（如表1所示）。

4" "結束語

在衛星通信領域，隨著科技的不斷進步和發展，基帶池平臺憑借其靈活性和可擴展性，已經成為滿足衛星通信日益增長和瞬息萬變需求的重要工具。本文將詳細闡述基帶池技術的整體架構以及工作原理，并對基于基帶池平臺的模擬源結構設計以及工作原理進行深入探討。相較于傳統基帶的模擬源，基于基帶池架構的模擬源能夠進行平臺適應性的修改，從而滿足擴展新功能的需求。該模擬源采用并行處理方法，實現了高速大吞吐量的數據處理任務。同時，模擬源還采用全數字中頻處理方式，有效降低了模擬處理過程中的正交性差和幅相不一致等問題，從而提高了模擬源的性能。因此，基帶池平臺為衛星通信的進一步發展提供了有力的技術支持。■

參考文獻

[1] 劉琪華，梅佳雪，王金棟，張福民，曲興華．基于鎖模光學頻率梳的高速數據傳輸[J]．物理學報，2024（04）：184-191．

[2] 王鈞慧，曾富華．實時云測控基帶池系統設計[J]．電訊技術，2021（11）：1344-1349．

[3] 李典，朱亮，汪遠玲，等．基于嵌入式云平臺的中繼衛星系統地面終端站基帶池設計技術[J]．電訊技術，2019（1）：13-18．

[4] 賈源泉，劉文平，楊磊．基于超窄帶通信技術的可行性分析及調制研究[J]．通信技術，2017（08）：1629-1632．

[5] 韓威，田瑞甫，陸衛強．基于數字調制的高速數傳發射機技術研究[J]．通信技術，2014（05）：544-548．

作者簡介：張庭蘭（1990—），女，漢族，四川成都人，碩士，工程師，研究方向為衛星通信、信號處理。