一种基于FPGA实现的数字信道化转发器系统及转发方法技术方案

一种基于FPGA实现的数字信道化转发器，本发明专利技术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，同时本发明专利技术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。本发明专利技术在设计转发器时，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。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA实现的数字信道化转发器系统及转发方法
本专利技术具体涉及一种基于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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：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。本专利技术以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。本专利技术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…a1n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。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FPGA实现的数字信道化转发器系统，其特征在于包括：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。

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA实现的数字信道化转发器系统，其特征在于包括：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。2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA实现的数字信道化转发器系统，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA实现的数字信道化转发器系统，其特征在于：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。4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA实现的数字信道化转发器系统，其特征在于：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。5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA实现的数字信道化转发器系统，其特征在于：分路模块通过四个FPG...

【专利技术属性】
技术研发人员：席超，刘江春，谷林海，
申请(专利权)人：航天恒星科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11