基于FPGA的高效衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器實時處理系統(tǒng)設(shè)計

摘要：針對傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中調(diào)制解調(diào)器性能不足的問題，設(shè)計了基于現(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）的高效衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器實時處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用3層架構(gòu)體系，涵蓋物理接口層、信號處理層和應(yīng)用控制層。同時，結(jié)合相關(guān)硬件模塊進行協(xié)同設(shè)計，旨在提升衛(wèi)星通信的傳輸速率、降低系統(tǒng)功耗、增強系統(tǒng)的抗干擾能力。通過硬件優(yōu)化與流水線設(shè)計，并充分利用FPGA并行計算能力，實現(xiàn)實時信號的高效處理。在Ku頻段與Ka頻段開展了實際衛(wèi)星鏈路測試工作，采用四相相移鍵控（quadrature phase shift keying，QPSK）調(diào)制方式，并結(jié)合1/2碼率等不同參數(shù)組合對系統(tǒng)性能進行了全面的評估。測試結(jié)果顯示，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量提高了85%，處理延遲降低了67%，功耗降低了25%，證明系統(tǒng)能夠在低信噪比環(huán)境中保持穩(wěn)定通信，充分滿足新一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：FPGA；衛(wèi)星通信；實時處理；并行計算；調(diào)制解調(diào)器

中圖分類號：TN927+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

隨著低軌衛(wèi)星星座與天地一體化網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，對衛(wèi)星通信系統(tǒng)中調(diào)制解調(diào)器的實時性與適應(yīng)性提出了更高的要求。基于數(shù)字信號處理器（digital signal processor，DSP）的傳統(tǒng)解決方案在處理高速數(shù)據(jù)流時具有局限性，難以滿足新一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)的需求。現(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）憑借其可重構(gòu)性、強大的并行處理能力以及低延遲等特性，為高效衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器的實現(xiàn)提供了理想平臺。因此，設(shè)計一種基于FPGA的高效衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器實時處理系統(tǒng)，能夠突破傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)在處理速度與功能適配上的局限，為遠(yuǎn)程探測、空間互聯(lián)等領(lǐng)域提供可靠的通信保障。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)架構(gòu)采用3層結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括物理接口層、信號處理層和應(yīng)用控制層。物理接口層負(fù)責(zé)高速數(shù)據(jù)采集與模擬信號轉(zhuǎn)換工作，其采用差分傳輸技術(shù)以減少噪聲干擾。該層集成了高精度的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analog to digital converter，ADC）、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（digital to analog converter，DAC）以及射頻前端電路，以完成射頻信號的高效接收與發(fā)送工作。

信號處理層作為系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)，基于FPGA實現(xiàn)了調(diào)制解調(diào)、同步捕獲以及信道編解碼功能。同時，它采用流水線架構(gòu)，有效提升了系統(tǒng)的吞吐量[1]。具體來說，該層由多個并行處理單元構(gòu)成，通過優(yōu)化資源配置實現(xiàn)了信號的實時處理。

應(yīng)用控制層具備系統(tǒng)配置與監(jiān)控功能，并且能夠提供完整的人機交互接口。該層采用嵌入式處理器與自定義接口協(xié)議，支持本地與遠(yuǎn)程操作模式。在硬件設(shè)計上，系統(tǒng)集成了高速轉(zhuǎn)換器與大容量存儲器，支持多種調(diào)制格式與編碼方式。外部接口涵蓋高速數(shù)據(jù)總線、以太網(wǎng)接口和調(diào)試端口，能夠滿足不同應(yīng)用場景的連接需求。各模塊通過標(biāo)準(zhǔn)化接口連接，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝耘c系統(tǒng)擴展的靈活性。衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)采用分區(qū)設(shè)計策略，通過時鐘域隔離和功能模塊獨立設(shè)計，實現(xiàn)了關(guān)鍵模塊之間的有效隔離，從而提高了系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

在衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器的高速信號處理及硬件優(yōu)化方面，引入并應(yīng)用了多種先進技術(shù)。并行快速傅里葉變換（fast Fourier transform，F(xiàn)FT）技術(shù)通過算法優(yōu)化與緩存結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了高效的頻域分析。載波恢復(fù)技術(shù)采用改進的科斯塔斯（Costas）環(huán)結(jié)構(gòu)，有效解決了頻偏與相位噪聲的問題。憑借維特比（Viterbi）算法以及低密度奇偶校驗（low density parity check，LDPC）編解碼器的合理設(shè)計，能夠有效保障解碼性能并降低資源占用，達(dá)成性能與資源的平衡[2]。自適應(yīng)均衡技術(shù)利用快速收斂算法，有效補償了信道失真。動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)允許系統(tǒng)根據(jù)需求動態(tài)調(diào)整FPGA的資源分配，從而實現(xiàn)硬件利用率的提升。這些技術(shù)的有機結(jié)合使系統(tǒng)能夠在復(fù)雜通信環(huán)境下保持高效穩(wěn)定運行，進而滿足衛(wèi)星通信的嚴(yán)格要求。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 FPGA平臺選型

FPGA平臺的選擇直接決定系統(tǒng)的處理能力與功能實現(xiàn)。選用賽靈思的 UltraScale+系列FPGA作為系統(tǒng)的核心處理平臺，該系列器件擁有高密度的可編程邏輯單元以及豐富的DSP，能夠滿足復(fù)雜調(diào)制解調(diào)算法的并行實現(xiàn)需求。具體來說，F(xiàn)PGA的型號為XCVU9P，該芯片配置120萬個以上的查找表（look-up table，LUT）資源、3 840個DSP芯片以及90 MB的片上存儲容量，這些優(yōu)勢使其能夠滿足大規(guī)模并行計算的需求。

在FPGA的性能優(yōu)化方面，可采取以下措施：①合理的資源規(guī)劃。資源規(guī)劃采用區(qū)域化分配策略，有效降低資源競爭和時序沖突的發(fā)生概率。

②關(guān)鍵路徑的恰當(dāng)選取。對于關(guān)鍵路徑，采用專用布線技術(shù)，確保系統(tǒng)能夠在最高550 MHz的時鐘頻率下穩(wěn)定運行。③合理的時鐘管理。時鐘管理采用多域設(shè)計，通過異步先入先出（first input first output，F(xiàn)IFO）實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和穩(wěn)定性。④高效的電源系統(tǒng)。電源系統(tǒng)集成多級電源管理單元，以便根據(jù)系統(tǒng)的實際運行情況對功耗進行動態(tài)控制。另外，F(xiàn)PGA配置支持系統(tǒng)在線升級與容錯恢復(fù)功能，能夠有效提高設(shè)備的可靠性。

2.2 高速數(shù)據(jù)采集模塊

高速數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)衛(wèi)星信號的數(shù)字化轉(zhuǎn)換與預(yù)處理。該模塊采用16位高精度的ADC與DAC，采樣率最高可達(dá)400 MSPS（每秒采樣百萬次），充分滿足寬帶衛(wèi)星的信號處理需求。系統(tǒng)選用德州儀器的ADS54J60器件，其有效位數(shù)達(dá)到12.1位，動態(tài)范圍超過74 dB，能夠確保弱信號的采集質(zhì)量。

在模塊優(yōu)化設(shè)計方面，采取了多項關(guān)鍵技術(shù)措施：①信號輸入電路采用差分傳輸結(jié)構(gòu)，通過平衡線路設(shè)計與共模抑制技術(shù)有效提高采集信號的信噪比；②接入電路設(shè)計了由LC電路與有源濾波器組成的多級濾波網(wǎng)絡(luò)，此網(wǎng)絡(luò)可精確濾除帶外噪聲和鏡像頻率干擾，有效確保信號質(zhì)量；③數(shù)據(jù)緩存系統(tǒng)采用雙緩沖結(jié)構(gòu)與高速靜態(tài)隨機存取存儲器（static random access memory，SRAM）實現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)流的無縫處理，顯著降低了數(shù)據(jù)丟失風(fēng)險；④數(shù)字下變頻單元通過優(yōu)化的復(fù)數(shù)乘法器將中頻信號傳輸至基帶，極大地降低了系統(tǒng)的后續(xù)處理壓力；⑤采樣時鐘系統(tǒng)基于溫度補償晶體振蕩器（temperature compensated crystal oscillator，TCXO）與相位鎖定環(huán)（phase locked loop，PLL）技術(shù)，能夠提供相位噪聲低于-120 dBc/Hz的低抖動采樣時鐘，有效保障了采樣精度；⑥自校準(zhǔn)電路可對溫度漂移與通道不平衡現(xiàn)象進行實時補償，并通過自動增益控制與偏置校正功能，確保系統(tǒng)在各種環(huán)境條件下均能長期穩(wěn)定運行。

2.3 調(diào)制解調(diào)處理模塊

調(diào)制解調(diào)處理模塊負(fù)責(zé)處理衛(wèi)星通信信號，它支持二進制相移鍵控（binary phase shift keying，BPSK）、四相相移鍵控（quadrature phase shift keying，QPSK）、8PSK以及高階幅度相移鍵控（amplitude phase shift keying，APSK）等調(diào)制方式，能夠適應(yīng)不同的信道環(huán)境。解調(diào)部分包含載波恢復(fù)、符號定時恢復(fù)和解映射3個子模塊。其中，載波恢復(fù)能夠?qū)崿F(xiàn)±20%頻偏捕獲，符號定時恢復(fù)能夠達(dá)到0.01 s的定時精度，解映射則負(fù)責(zé)輸出可靠性信息。該模塊采用流水線架構(gòu)，支持最高1 Gbps的處理速率，滿足高速通信需求。為了解決載波頻率偏移和相位噪聲問題，衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用了數(shù)字化的PLL技術(shù)，具體的計算公式如下：

θ（k+1）=θ（k）+Kp×e（k）+Ki×e（i） 。（1）

式中，θ（k+1）為要生成的下一階段相位值；θ（k）為當(dāng)前相位值；Kp為比例增益，影響系統(tǒng)對相位誤差的響應(yīng)速度；e（k）為當(dāng)前相位誤差，即輸入信號相位與本地生成相位之間的差異；Ki為積分增益，有助于消除隨時間變化的穩(wěn)態(tài)誤差；e（i） 為相位誤差序列，i為積分項索引。

通過調(diào)整Kp、Ki可以平衡PLL的捕獲速度與跟蹤精度，從而解決衛(wèi)星通信中的多普勒頻移與相位噪聲問題。

2.4 糾錯編解碼模塊

糾錯編解碼模塊為系統(tǒng)提供抗干擾的能力，它支持卷積碼、Turbo碼、LDPC碼以及Reed-Solomon碼等多種形式，適應(yīng)不同的信道條件。系統(tǒng)采用多種先進的編解碼技術(shù)來提升糾錯性能和處理效率。卷積編碼支持多種碼率與約束長度；Viterbi解碼器通過路徑管理與并行設(shè)計，實現(xiàn)了高達(dá)400 Mbps解碼速率；LDPC采用部分并行架構(gòu)，在性能與資源消耗方面達(dá)到了平衡；Turbo解碼使用Max-Log-MAP算法與窗口化處理，在提高解碼效率的同時有效降低了計算復(fù)雜度。糾錯編解碼模塊利用FPGA的并行特性來提高效率，增強系統(tǒng)糾錯能力。誤碼率P（e）的計算公式如下：

P（e）≈Aw×Q（）。" " " " " " " " " （2）

式中，P （e）為誤碼率，w為碼重，Aw為碼重分布，Q為不同調(diào)制格式的星座大小，Rw為碼率，Eb為每比特能量，N0為噪聲功率譜密度。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

3.1 嵌入式操作系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

嵌入式操作系統(tǒng)為基于FPGA的高效衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器實時處理系統(tǒng)提供軟硬件交互平臺，其整體架構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)由應(yīng)用層、裁剪版Linux系統(tǒng)、驅(qū)動層和硬件層4個部分構(gòu)成，各層之間通過標(biāo)準(zhǔn)化接口進行交互。應(yīng)用層負(fù)責(zé)用戶接口、系統(tǒng)配置和數(shù)據(jù)分析功能，提供友好的人機交互界面和遠(yuǎn)程控制能力。系統(tǒng)采用裁剪后的Linux系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上通過優(yōu)化內(nèi)核配置來提高實時性能。驅(qū)動層能夠提供FPGA資源的統(tǒng)一訪問接口，包括FPGA驅(qū)動、存儲驅(qū)動、中斷管理系統(tǒng)等接

口[3]。FPGA驅(qū)動借助設(shè)備樹描述硬件資源信息，進而支持動態(tài)硬件配置；存儲驅(qū)動通過優(yōu)化數(shù)據(jù)緩存策略，提高傳輸效率；中斷管理系統(tǒng)通過實施優(yōu)先級調(diào)度，有效降低了處理延遲。硬件層包含F(xiàn)PGA邏輯資源、存儲器接口和各種外設(shè)控制器，為整個系統(tǒng)提供基礎(chǔ)的計算、存儲和通信硬件資源。

3.2 實時處理算法優(yōu)化

針對傳統(tǒng)算法在高速數(shù)據(jù)流處理中暴露的問題，本文綜合運用多種優(yōu)化策略，成功實現(xiàn)了算法性能的顯著提升。在算法映射方面，本文設(shè)計的系統(tǒng)將計算密集型任務(wù)映射到FPGA資源上，充分利用FPGA的并行計算特性和專用DSP資源，實現(xiàn)了算法的硬件加速和低延遲處理。同時，運行在處理器上的軟件模塊負(fù)責(zé)控制邏輯與參數(shù)配置，通過優(yōu)化的調(diào)度算法和緩存管理策略實現(xiàn)了系統(tǒng)資源的合理分配和高效利用。在信號處理優(yōu)化方面，引入了流水線技術(shù)。通過將任務(wù)分解為多個流水線階段，實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)的并行處理，大幅提高了系統(tǒng)的吞吐量。在數(shù)據(jù)訪問優(yōu)化方面，通過優(yōu)化內(nèi)存訪問模式，有效減少了內(nèi)存帶寬需求。采用預(yù)取與緩存技術(shù)能夠顯著降低數(shù)據(jù)訪問延遲，進一步提升數(shù)據(jù)處理的實時性。采用定點算法能夠在保證精度的前提下，減少資源消耗。此外，載波恢復(fù)與符號定時恢復(fù)算法采用自適應(yīng)步長控制策略，通過該策略加快算法的收斂速度，從而提升整個系統(tǒng)的實時處理性能。

3.3 系統(tǒng)配置與監(jiān)控界面

系統(tǒng)配置與監(jiān)控界面基于Qt框架開發(fā)，涵蓋配置、監(jiān)控和分析3個功能模塊。配置模塊支持對調(diào)制方式、碼率、糾錯參數(shù)等進行可視化設(shè)置，同時具備參數(shù)驗證功能，確保參數(shù)變更時能自動完成驗證并實時生效。監(jiān)控模塊用于顯示信噪比、誤碼率、載波頻偏等性能指標(biāo)[4]，采用儀表盤與趨勢圖對關(guān)鍵指標(biāo)進行雙重顯示，直觀、清晰地呈現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)變化。分析模塊提供星座圖、眼圖和頻譜圖等工具，以輔助評估信號質(zhì)量。監(jiān)控界面采用層級化設(shè)計，將常用參數(shù)放置于頂層，專業(yè)參數(shù)放置于子菜單，從而提高操作便捷性。另外，監(jiān)控界面還配置了能夠記錄系統(tǒng)事件的日志系統(tǒng)，便于后續(xù)故障分析。日志系統(tǒng)具有多級過濾與導(dǎo)出功能，為系統(tǒng)調(diào)試過程提供了有力支持。遠(yuǎn)程接口具有網(wǎng)絡(luò)訪問功能，用戶可借助此功能對設(shè)備執(zhí)行遠(yuǎn)程配置以及狀態(tài)查看操作。

4 系統(tǒng)測試與應(yīng)用分析

本文對基于FPGA的高效衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器實時處理系統(tǒng)進行全面測試，選取了傳統(tǒng)DSP衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)作為測試對照，驗證了該系統(tǒng)具有性能強與穩(wěn)定性好的特點。實際衛(wèi)星鏈路測試在Ku與Ka頻段進行，覆蓋了靜止軌道通信與低軌衛(wèi)星通信場景。本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)DSP衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)性能對比如表1所示[5-6]。測試結(jié)果表明，本文系統(tǒng)在QPSK調(diào)制方式、1/2碼率條件下，能夠在-3 dB的低信噪比環(huán)境中保持穩(wěn)定通信。與傳統(tǒng)DSP衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)相比，本文系統(tǒng)在數(shù)據(jù)吞吐量上提高了85%，處理延遲降低了67%，功耗減少了25% [7-8]。本文系統(tǒng)現(xiàn)已成功應(yīng)用于多個衛(wèi)星通信項目，包括移動通信、應(yīng)急救援和數(shù)據(jù)中繼等場景，具有良好的適應(yīng)性和可靠性。

5 結(jié)語

基于FPGA的高效衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器實時處理系統(tǒng)利用FPGA的并行計算能力與可重構(gòu)特性，實現(xiàn)了高性能、低延遲、低功耗的信號處理，顯著提高了數(shù)據(jù)吞吐量與信號處理精度，有效降低了系統(tǒng)功耗。通過對FPGA平臺進行優(yōu)化和模塊化設(shè)計，同時結(jié)合嵌入式操作系統(tǒng)與實時處理算法，該系統(tǒng)在復(fù)雜信道環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定的通信性能，滿足新一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)的需求。未來研究方向包括進一步優(yōu)化算法，提高系統(tǒng)集成度，以及探索軟件定義無線電技術(shù)在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用，以期擴展系統(tǒng)的功能與適用范圍。

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