移动通信卫星星载数字处理嚣件需求分析与方案设计

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1、移动通信卫星星载数字处理器件需求分析与方案设计刘乃金陈东梁宗阉周志成(空间技术研究院通信卫星事业部，北京，100094)文摘：针对移动通信卫星转发器的特点和FPGA实现带来的单粒子效应，提出采用专用集成电路(ASIC)的实现方案，分析影响ASIC系统顶层设计的关键因素，并对其设计资源和规模进行评估，利用一个卫星实例对实现方案进行了设计和比对。关键词：移动通信卫星；数字处理；大规模集成电路。自全球第一个商用卫星移动通信系统——Inmarsat系统开始．卫星移动通信发展迅速。近20年来．各类卫星移动通信系统已实现了全球

2、覆盖．通信业务已延伸到海洋、陆地及空中。相比早期的卫星移动通信系统．当前卫星移动通信的发展呈现两个特点【1．z】：①移动终端小型化(支持包括手持机在内的多种移动通信终端)；②通信业务宽带化(除传统的窄带话音服务外，还提供高速数据业务和Internet多媒体通信服务)。卫星移动通信系统的上述特点对卫星研制具有非常高的挑战性．现代移动通信卫星普遍采用了星载数字化技术．其作用主要体现在两个方面：①利用数字波束成形(DBF)实现大范围无缝覆盖和灵活频率复用，提高系统容量；②针对用户信息进行在轨实时数字处理和交换。大规模星载

3、数字处理器件的使用使这类复杂卫星系统的实现成为可能。1移动通信卫星的技术特点移动通信卫星对大规模星载数字处理器件有较大的需求。一个典型的移动通信卫星，可以支《航天标rI1f匕}2011年第3期持建立4种通信链路：①前向链路，即信关站一卫星一移动终端；②返向链路，即移动终端一卫星一信关站：③网内链路，即移动终端一卫星一移动终端．网内链路是指卫星移动网内用户之间的直接互联互通．不通过信关站转发：④网间链路。是指卫星移动网与其他类型通信网络(如地面移动网络)之间的链路，信息是通过信关站进行交互。卫星移动通信系统最显著的特

4、点是能够支持手持或便携式移动终端进行通信。由于手持终端发射功率仅为几百毫瓦量级．所配置的天线增益很小且几乎为全向辐射。要满足通信要求。卫星必须具有极高的发射EIRP和接收G／T值。这类卫星一般具有如下技术特点：·配置有极大口径的天线．一般电口径均在8m以上。目前在轨运行的最大121径已达18m；·采用极窄点波束对服务区进行无缝覆盖，波束宽度一般在0．40—O．70之间。波束增益大大提高，波束数量可多达几百个；·波束间采用频率复用技术。有效降低波束间的同频干扰。提升系统容量；一13一壁壁遁蕴卫星星童踅芝经理震壁虚霾左

5、趁皇应墓理丝：应厘盒差·采用星载波束形成技术．通过多馈源合成数量众多的点波束．可以有效提高覆盖范围和频率利用率。例如Inmarsat—IV采用120个馈源形成了228个点波束，Thuraya采用128个馈源形成的波束数量达到200多个。星载波束成形技术一般采用数字化方式实现．称为数字波束成形(DBF)。DBF也被认为是移动通信卫星的关键技术之一。一个典型的移动通信卫星转发器原理如图1所示f3t4l。口—●_+一功率放大器}．g”4口—●_‘●I发射—ll前向I波束l处理_1接收机卜成彤I网络l单元．_一功率放大器卜

6、‘●馈源阵。晕载城觑壁瓿·E爻歌褫』蜷腿E—叫滤波放大卜_-■一●’接收l返向波束Il处理-q发射机}-——一成形单元网络lI口—●_一口—●l—叫滤波放大卜_●《。增图1移动通信卫星转发器示意图由图l可以看出．卫星前向转发器链路主要由馈电接收机、前向处理单元、星载交换机、发射波束成形网络以及一系列功放组件构成：返向链路主要由滤波放大组件、接收波束成形网络、星载交换机、返向处理单元和发射机组成。其中。发射／接收数字波束成形、星载交换机和前向／返向处理单元构成了星载数字处理的主要部分。2单粒子效应对星载数字处理器件的

7、影响近年来，随着技术的快速发展．卫星上采用的数字处理规模越来越大，功能也越来越丰富。早期星上中低规模的数字处理器件是采用FPGA来实现的。FPGA(FieldProgrammableGateArray)，即现场可编程门阵列，是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的．既解决了定制电路的不足．又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点，适用于触发器丰富的结构。以Xilinx公司为例．从最早的4000f-j的FPGA芯片．逐步发展到宇航级的30万门、60万门、100万f-j、300万f-jFPGA芯片，目前正在向6

8、00万门发展．但是。基于SRAM的FPGA芯片，抗单粒子．．14．．效应的能力很差．一直是空间飞行器设计必须考虑的问题【5】。所谓单粒子效应是单个高能粒子产生的电子空穴对被器件内的电场收集．形成瞬时电流脉冲。改变存储器中的存储信息．干扰系统正常功能。按单粒子对器件功能影响来分．可以将单粒子效应分为以下几类。a)单粒子翻转(SingleEventUpset，S