一种星载混合多波束成型系统的制作方法

1.本实用新型涉及低地球轨道卫星多波束成型技术领域，具体涉及一种星载混合多波束成型系统。


背景技术：

2.全球低轨卫星通信与空间互联网系统是当前太空竞争的焦点领域，且低轨卫星互联网系统与地面5g的融合是构建天地一体化全球全域新型空间基础设施的方向。同时，由于低频段逐渐饱和、高频率对应高速率、小波束更有利于提高系统功率和频率复用等现实原因，当前低轨卫星通信领域使用的频率逐渐向ka、q/v高频段发展。与低频信号相比，高频段毫米波信号在传播过程中损耗大，需要通过波束成型产生的定向增益来补偿过高的路径损耗，波束成型是实现毫米波通信的关键环节。在波束成型方法上，数字波束成型存在功耗和成本要求过高、模拟波束成型存在不支持多用户传输的问题，混合波束成型是两者的折中，兼顾两者的优点。由于低轨卫星系统的通信体制和关键技术快速迭代优化的特征，仿真验证中采用可重构、可扩展、模块化、多频段、高吞吐量接口设计、支持各种射频前端的混合多波束成型平台显得至关重要。


技术实现要素：

3.为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的是提供一种星载混合多波束成型系统。
4.为了实现本实用新型的上述目的，本实用新型提供了一种星载混合多波束成型系统，包括与射频前端/信道模拟器通信连接的中频信号处理模块，所述中频信号处理模块与波束成型及基带处理模块连接，所述波束成型及基带处理模块连接协议和网络处理模块。
5.协议和网络处理模块实现对本系统各部分的监控、复杂的协议层处理及与馈电链路和星间链路的网络通信。该星载混合多波束成型系统在上行方向对星载射频前端的模拟信号进行波束成型并解出ip数据包送至馈电和星间链路，在下行方向对馈电和星间链路的ip数据包进行解包通过波束成型送至射频前端，进行低轨卫星星座系统的技术验证。
6.该星载混合多波束成型系统的优选方案，所述波束成型及基带处理模块为一sca平台，该sca平台包括n片对称结构的fpga，每片fpga相互间高速互联，协同运算，所述n为正整数。
7.该星载混合多波束成型系统的优选方案，所述sca平台包括4片对称结构的fpga，分别为a、b、c、d四个板，其中，a板为波束合成模块，对上下行波束进行合成，b板和d板为基带信号处理模块，其对基带信号进行处理，所述c板为数据交互及测试模块，对波束数据汇集同协议和网络处理模块进行数据交互以及功能测试。
8.该星载混合多波束成型系统的优选方案，所述波束合成模块包括上下行波束合成模块、采样测试模块一、控制监测模块一、组包解包模块一、组包解包模块二；
9.所述中频信号处理模块与组包解包模块一通信连接，所述组包解包模块一与上下
行波束合成模块通信连接，所述上下行波束合成模块与组包解包模块二通信连接，所述控制监测模块一与组包解包模块一、组包解包模块二、上下行波束合成模块通信连接，所述采样测试模块一采集系统运行过程中组包解包模块一、控制监测模块一的实时数据进行测试，所述采样测试模块一输出端连接组包解包模块二，所述组包解包模块二与基带信号处理模块通信连接。
10.该星载混合多波束成型系统的优选方案，所述基带信号处理模块包括基带处理模块、采样测试模块二、控制监测模块二、组包解包模块三、组包解包模块四；
11.所述波束合成模块与组包解包模块三通信连接，所述组包解包模块三与基带处理模块通信连接，所述基带处理模块与组包解包模块四通信连接，所述控制监测模块二与组包解包模块三、组包解包模块四、基带处理模块通信连接，所述采样测试模块二采集系统运行过程中组包解包模块三、控制监测模块二的实时数据进行测试，所述采样测试模块二输出端连接组包解包模块四，所述组包解包模块四与所述协议和网络处理模块通信连接。
12.控制监测模块一、二完成对sca平台上各模块运行状态、设备间数据交互链路状态的监测控制；采样测试模块一、二负责系统运行过程中的实时数据采集以供测试调试。
13.该星载混合多波束成型系统的优选方案，所述中频信号处理模块包括n台软件无线电平台，所述软件无线电平台通过sfp 光电模块与所述sca平台连接，以aurora协议封装，所述a板连接n/2台软件无线电平台，对n副天线基带数据进行收发，上行时刻，软件无线电平台将两路基带iq数据、频域数据、状态信息上传给sca平台；下行时刻，软件无线电平台接收sca板发送的下行波束成型处理数据和控制信息。
14.该星载混合多波束成型系统的优选方案，所述软件无线电平台包括对基带信号进行插值、滤波以及频谱线性搬移、将基带信号转化为中频信号并传输至无线接口模块的数字上变频模块；还包括对中频信号进行抽取、滤波以及频谱的线性搬移、将中频信号转化为基带信号并传输至所述波束成型及基带处理模块的数字下变频模块。
15.该星载混合多波束成型系统的优选方案，所述数字上变频包括两级半带hb滤波器、一级cic滤波器与混频器，所述半带hb滤波器与cic滤波器实现信号无混叠的n倍插值，混频器将基带信号频谱搬移至中频频谱；
16.数字下变频包括混频器、一级cic滤波器和两级半带hb滤波器，所述半带hb滤波器与cic滤波器实现信号无混叠的n倍抽取，混频器将中频信号频谱搬移至基带。
17.本实用新型提出的星载混合多波束成型系统可广泛地应用于低轨卫星通信系统星间切换、组网路由、移动性管理、空口体制、波束切换的仿真和验证场景，是进行低轨卫星系统通信体制及各项关键技术仿真验证的重要构成部分，随着仿真的深入，能快速适应仿真迭代需求，具有适用、稳定、灵活等特点。
18.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
19.本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
20.图1是星载混合多波束成型系统硬件组成框图；
21.图2是sca平台数字逻辑框图；
22.图3是为中频信号处理模块的软件无线电平台数字逻辑框图；
23.图4是为上行方向信号处理流程图；
24.图5是为下行方向信号处理流程图。
具体实施方式
25.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
26.在本实用新型的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
27.如图1所示，本实用新型提供了一种面向低轨卫星关键技术仿真验证的基于sca的星载混合多波束成型系统，进行波束成型和信号处理，其包括与射频前端/信道模拟器通信连接的中频信号处理模块，所述中频信号处理模块与波束成型及基带处理模块连接，所述波束成型及基带处理模块连接协议和网络处理模块。这里的协议和网络处理模块可以由高性能x86双cpu服务器组成，实现对本系统各部分的监控、复杂的协议层处理及与馈电链路和星间链路的网络通信。
28.在上行方向，利用中频信号处理部分对射频前端/信道模拟器的中频信号进行a/d转换、下变频得到基带iq数字信号；利用权值系数将基带iq信号变换到波束域；实施物理层各信道的同步、信道估计、解码解调基带信号处理；进行mac层、rlc层、pdcp等上层协议处理，恢复ip数据包。
29.在下行方向，对馈电/星间链路的ip数据包进行pdcp/rlc/mac层协议处理、rrc层资源分配；实施物理层下行广播信道、控制信道、共享信道的基带发送信号处理；利用权值系数将波束域信号变换到各通道基带iq信号；对基带iq信号进行数字上变频和d/a转换，输出至射频前端或信道模拟器。
30.中频信号处理模块由软件无线电平台组成，实现与射频前端/信道模拟器通信，a/d、d/a转换，数字上下变频及与波束成型部分的通信；其主要参数要求为：直流电压输入12v，功率消耗45w,adc采样速率(最大)200ms/s,adc分辨率14bits，dac采样速率800ms/s,dac分辨率16bits，与主机最大速率(16b)200ms/s,本振精度2.5ppm，未锁定gpsdo精度20ppb。
31.波束成型及基带处理模块实现实时需求较高的基带处理和射频波束成型工作，其从中频部分的软件无线电平台接收数字基带信号，进行波束成型及基带处理并将数据送入协议和网络处理模块进行高层协议解析，反之亦然。所述波束成型及基带处理模块为一sca平台，该sca平台包括n片对称结构的fpga，每片fpga相互间高速互联，协同运算，并且均与ddr3、rtm、fmc、gpio和时钟io相连，实现大规模存储、模拟及数字的扩展功能，n为正整数。同时，板上具有一个嵌入式处理器模块，负责对sca的控制及与上位机的通信。主要接口要
求包括：rj-45类型的1gb eth基于tcp/ip协议实现上位机对设备的控制及数据传输，aio接口扩展高速ad/da及高速数字io,sma类型的jc out接口输出经过jc pll的时钟信号，sma类型的clk in/out接口输出/输入fgpa内部时钟信号，gpio接口输出/输入fpga内部慢速gpio信号，sma类型的sync接口单bit同步信号，连接背板同步信号。
32.本实施例中以sca平台包括4片对称结构的fpga为例，该4片对称结构的fpga分别为a、b、c、d四个板，其中，a板为波束合成模块，对上下行波束进行合成，b板和d板为基带信号处理模块，其对基带信号进行处理，c板为数据交互及测试模块，对波束数据汇集同协议和网络处理模块进行数据交互以及功能测试。
33.中频信号处理模块有n台软件无线电平台，n为正整数，优选为偶数，软件无线电平台通过sfp 光电模块与sca平台fmc板卡以电缆连接，以aurora协议封装，最高支持10gbps速率的双向高速数据传输。sca平台的a板连接n/2台软件无线电平台，完成n副天线基带数据的收发。上行时刻，中频部分的软件无线电平台将两路基带iq数据、(频域数据)、状态信息上传给高性能sca平台；下行时刻，中频部分的软件无线电平台接收sca平台发送的下行波束成型处理数据和控制信息。
34.中频信号处理模块的软件无线电平台的数字逻辑部分主要完成中频信号处理以及与sca平台之间数据的无误传输，数字逻辑见图3，主要模块具体包括：数字上变频模块和数字下变频模块，也包括有时钟管理、复位管理、无线接口模块、控制监测模块三、采样测试模块三等。
35.数字上变频模块与波束成型及基带处理模块通信连接，对波束成型及基带处理模块发送的基带信号进行插值、滤波以及频谱的线性搬移，将基带信号转化为中频信号，传输至无线接口模块，并且信号的插值速率以及中频频率可通过软件灵活配置；数字上变频由两级半带hb滤波器、一级cic滤波器与混频器mixer实现，半带hb滤波器与cic滤波器实现信号无混叠的n倍插值，混频器通过cordic实现，将基带信号频谱搬移至中频频谱。
36.数字下变频模块通过无线接口模块获取射频前端/信道模拟器的中频信号，实现对中频信号的抽取、滤波以及频谱的线性搬移，将中频信号转化为基带信号，传输至波束成型及基带处理模块，信号的抽取速率以及中频频率可通过软件灵活配置；数字下变频由混频器mixer、一级cic滤波器和两级半带
37.(hb)滤波器实现，半带滤波器与cic滤波器实现信号无混叠的n倍抽取，混频器通过cordic实现，将中频信号频谱搬移至基带。
38.控制监测模块三与数字下变频、无线接口模块、组包解包模块五连接，实现对软件无线电平台内部工作状态的实时监测，并随时通过组包发送至服务器，以用来判断正常工作或者做出相应异常处理。
39.采样测试模块三与数字下变频、无线接口模块、组包解包模块五连接，实现对内部重要数据的实时采集，为测试数据提供灵活方便的手段。
40.组包解包模块五完成中频部分软件无线电平台接收数据的打包以及sca平台数据的解包，同时进行误包、漏包监测。这里的aurora通信模块负责中频部分软件无线电平台与sca平台间数据通信。
41.时钟管理采用了灵活的时钟处理结构，根据用户需求可为各个模块配置所需要的处理时钟；复位管理用来及时处理异常情况，根据异常种类提供手动复位、软件复位以及自
动复位；无线接口模块完成与平台外围硬件电路的无缝连接以及根据不同工作方式对硬件的灵活配置，同时完成中频信号发送数据流与接收数据流的控制。
42.sca平台的数字逻辑部分主要完成上下行链路的实时波束成型及物理层基带信号处理，如图2所示，其中a板完成n天线信号的波束成型功能，b板和d板分别完成0-(n-1)/2波束和n/2
–
n-1波束的物理层基带信号处理，c板完成n波束数据汇集同协议和网络处理模块进行数据交互以及相关测试功能，主要模块具体如下：
43.波束合成模块包括上下行波束合成模块、采样测试模块一、控制监测模块一、组包解包模块一、组包解包模块二。
44.所述中频信号处理模块与组包解包模块一通信连接，所述组包解包模块一与上下行波束合成模块通信连接，所述上下行波束合成模块与组包解包模块二通信连接，所述控制监测模块一与组包解包模块一、组包解包模块二、上下行波束合成模块通信连接，所述采样测试模块一采集系统运行过程中组包解包模块一、控制监测模块一的实时数据进行测试，所述采样测试模块一输出端连接组包解包模块二，所述组包解包模块二与基带信号处理模块通信连接。
45.控制监测模块一负责收集sca平台数字逻辑各模块的状态信息，转发中频信号处理模块的软件无线电平台上报的状态数据包，接收协议和网络处理模块侧下发的数据包并解析出控制信息。其中状态信息包括不同中频信号处理模块的软件无线电平台的各链路丢包、错包、超时、奇偶校验失败次数、链路当前状态、各通道数据流之间最大偏移等；各模块控制信息包括上下行波束合成器波束系数选择；多通道数据同步最大超时限、上下行波束合成器定标放缩因子、上下行波束合成器和接口链路复位控制、数据采集选择控制。
46.基带信号处理模块包括基带处理模块、采样测试模块二、控制监测模块二、组包解包模块三、组包解包模块四；
47.所述波束合成模块与组包解包模块三通信连接，所述组包解包模块三与基带处理模块通信连接，所述基带处理模块与组包解包模块四通信连接，所述控制监测模块二与组包解包模块三、组包解包模块四、基带处理模块通信连接，所述采样测试模块二采集系统运行过程中组包解包模块三、控制监测模块二的实时数据进行测试，所述采样测试模块二输出端连接组包解包模块四，所述组包解包模块四与协议和网络处理模块通信连接。
48.采样测试模块一、二实现对内部重要数据的实时采集，为测试数据提供灵活方便的手段；组包解包模块一、二、三、四完成中频信号处理模块的软件无线电平台接收数据的打包以及sca平台数据的解包，同时进行误包、漏包监测；aurora通信模块负责中频信号处理模块的软件无线电平台与sca平台间数据通信。
49.如图4和图5所示，在上行方向，中频信号处理模块的软件无线电平台连接射频前端/信道模拟器，将每个输入中频模拟信号进行a/d转换得到数字中频信号，在通过数字下变频得到基带iq数字信号送至波束成型部分，高性能软件无线电平台sca波束成型部分利用预先存储或者实时计算得到的全值系数将信号变换到波束域，将波束域基带信号送至基带处理部分实施同步、信道估计、信道解码、解调算法，恢复出相应控制或数据平面信息，将其发送至协议和网络处理模块，进行mac层、rlc层、pdcp层等上层协议的协议处理，恢复出ip数据包，经过路由选择送至相应的馈电链路或星间链路；在下行方向，协议和网络处理模块接受来自馈电链路和星间链路的ip数据包，进行pdcp/rlc/mac层的协议处理，并经过rrc
层资源分配，确定波束序号，将相应控制或数据信息发送至sca基带处理部分，实施物理层下行各信道的下行广播信道、下行控制信道、下行共享信道的发送信号处理，得到波束域基带iq发送信号，在sca波束成型部分利用给定预先存储或实时计算得到的权值系数，将波束域信号变换到各通道基带iq信号，并将每通道基带iq信号分别送至对应中频信号处理部分，在中频处理部分，经过数字上变频和d/a转换，得到输入中频模拟信号，输出至射频前端/信道模拟器。
50.在上述实施例中，本实用新型在上行方向可以对星载射频前端的模拟信号进行波束成型并解出ip数据包送至馈电和星间链路，在下行方向可以对馈电和星间链路的ip数据包进行解包通过波束成型送至射频前端，进行低轨卫星星座系统的技术验证。为了更好说明本实用新型的应用，对其过程进行具体说明如下：
51.步骤一、利用中频信号处理模块的软件无线电平台、sca平台、协议和网络处理模块、交换机及相关配套装置进行平台搭建；
52.步骤二、进行星载混合多波束成型系统与射频前端或者信道模拟器接口、中频信号处理模块的软件无线电平台与sca平台接口、sca平台与协议和网络处理模块接口、协议和网络处理模块至控制显示界面接口设计和相关参数项配置；
53.步骤三、进行中频信号处理模块的软件无线电平台、sca平台内部各个模块的数字逻辑设计；
54.步骤四、在上行方向和下行方向开展低轨卫星系统各项技术体制验证。
55.通过本实施例可以发现，本实用新型提出的混合多波束成型系统是进行低轨卫星系统通信体制及各项关键技术仿真验证的重要构成部分，随着仿真的深入，能快速适应仿真迭代需求，具有适用、稳定、灵活等特点。本技术中不涉及方法上的改进，其中如有涉及到方法或算法，均采用现有技术实现即可。
56.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
57.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。