基于ASIC的海五卫星信号接收技术及实现

韩 星，张华冲，杨 松

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

Inmarsat-5是第五代海事卫星通信系统，是目前第一个使用Ka频段的全球性商业宽带高通量卫星(High Throughput Satellite，HTS)通信系统，该系统使用Ka波段，采用多点波束配置，具有通信容量大等优点[1]。随着人们对无缝移动宽带互联网接入需求的不断增长，针对Inmarsat-5卫星信号的接收技术的研究具有重要意义[2]。

传统的接收设备通常采用国外公司的专用处理设备，价格昂贵且使用不够灵活，无法自定义修改[3]。本文针对Inmarsat-5卫星固定点波束和高容量点波束信号实时接收处理的需求，提出了一种基于ASIC+FPGA+DSP接收处理方案，并详细介绍了软硬件实现结构以及性能测试结果，该接收设备具有低功耗、低成本、工作稳定、性能优异和可自定义升级等特点。

1 研究背景

1.1 高通量卫星

高通量卫星是新一代宽带通信卫星的统称，通常情况下，一个HTS卫星具有多波束覆盖、频率重复使用、通常使用Ka频段[4]等特征。

一颗典型的HTS卫星采用60个点波束，如果每一个点波束为出向500 MHz和回传500 MHz的容量(典型的Ka频段分配)，则此颗卫星将拥有60 GHz的容量，HTS卫星的bit/Hz比通常可以达到2～3，这样一颗HTS卫星的传输总容量可以轻易地突破100 Gb/s。正是由于HTS卫星具有以上特点，近年来其发展迅猛，2013年高通量卫星占全球总卫星带宽容量需求的17%，预计到2023年占比将增长到将近50%[5]。

我国已于2013年开始实施“宽带中国”计划，已经成功发射“中星16”高通量卫星，总通信容量超过20 Gbps，超过之前我国所有研制的通信卫星容量总和。为满足“宽带中国”和“一带一路”战略的宽带需求，“十三五”期间还将发射多颗HTS卫星。

1.2 Inmarsat-5系统

Inmarsat-5系统是第一个使用Ka频段的全球性商业宽带高通量卫星通信系统，其改变了传统海事 VSAT市场以 C、Ku波段为主的通信，推出了定位于高端用户的全球高速移动宽带业务Global Xpress，该业务的目标是海事和航空服务等领域。Inmarsat-5的3颗卫星，采用HTS技术、Ka频段，可以为宽带卫星终端用户提供下行50 Mbps、上行5 Mbps的速率。卫星采用点波束方式，一共有72个固定点波束(每个波束下行支持50 Mbps)、6个移动高容量点波束(可灵活机动调整到需要的区域，每个波束下行支持150 Mbps)，单颗卫星容量4.5 Gbps[6]。

一般HTS卫星的前向信道采用DVB-S2/ACM的技术体制，回传信道采用FDM-TDMA技术体制、自适应编码和功率控制等技术，以充分克服雨衰对卫星链路的影响，将卫星网络的可用度和用户体验提升到令人基本满意的水平。

1.3 DVB-S2和Annex-M标准

DVB-S2标准作为第二代数字卫星广播标准广泛应用在广电、电信和计算机等领域，调制样式采用QPSK，8PSK，16APSK，32APSK等多种形式，支持1/4，1/3，2/5，1/2，3/5，2/3和9/10等多种内码码型，频谱成形中升余弦滚降系数分为0.35，0.25，0.2三种，频谱利用率相比以前更高。前向纠错采用LDPC(内码)与BCH(外码)级联的形式，新的编码调制方案距离理论上的香农极限只有0.6～0.8 dB[7]。

Annex-M扩展载波是DVB-S2标准为应对宽带信号应用而专门设计。由于DVB-S2标准当初为36 MHz和54 MHz转发器而设计，最高才支持45 Msps。HTS卫星的每个波束都为大容量波束，最大带宽达到500 MHz，因此DVB-S2扩展载波标准Annex-M应运而生，Annex-M扩展载波信号最高支持500 M波特，调制样式支持32APSK或者更高阶数。因此宽带信号只有采用DVB-S2扩展载波(Annex-M)才能实现更高的容量和更好的链路性能[8]。

基于Inmarsat-5系统前向信号点波束特点，为了应对固定点波束和移动高容量点波束的接收需求，接收设备需要具备窄带DVB-S2信号和宽带Annex-M信号的接收能力。

2 硬件平台

2.1 STV0910和STiD135芯片

意法半导体(ST)公司是世界最大的半导体公司之一，STV0910芯片是ST公司为应对窄带DVB标准信号接收应用而专门设计的接收处理芯片，该芯片具备DVB-S/S2标准全协议信号接收处理能力，最大处理能力135 Mbps，可以应对Inmarsat-5固定点波束DVB-S2信号接收处理应用[9]。STiD135芯片是ST公司为应对宽带DVB标准信号接收处理应用而最新研制的接收处理芯片。该芯片全面支持DVB-S/S2/S2X和Annex-M标准，配合地面网络能够提供相当于光纤网络的传输速度。芯片实现了4个全频调谐器、HSR双解调器和多达8个窄带解调器，硬件支持网络时钟恢复(NCR)，让高通量卫星转发器能够采用单载波通信，最大处理能力500 Msps，可以应对Inmarsat-5移动高容量点波束信号(Annex-M扩展载波)接收处理应用[10]。

2.2 硬件结构设计

为了应对宽带和窄带波束信号接收需求，在接收处理设备中，分别设计宽带信号处理单元和窄带信号处理单元，并协同工作，其中信号处理单元设计总体思路采用子板+载板结构形式和ASIC+DSP+FPGA的架构[11]，其中子板包括ASIC芯片及相关电路，主要完成Inmarsat-5指定波束信号的接收处理，承载不同ASIC芯片的子板完成不同种类波束信号处理；载板包括DSP和FPGA以及相关电路，其中FPGA芯片采用Xilinx公司的XC6VSX315T芯片，主要通过高速并行总线接收来自ASIC芯片的处理结果，并通过SRIO总线传输给DSP进行上层协议解析。DSP采用TI公司的TMS320C6678多核处理芯片，主要通过I2C总线完成对ASIC芯片控制及相关状态的回读，同时通过SRIO总线接收来自FPGA转发的信号处理结果，并进行协议层解析等处理。接收处理设备实现结构如图1所示。

2.2.1 DVB窄带处理子板

主要通过STV6120+STV0910芯片组合完成的Inmarsat-5固定点波束DVB标准信号处理工作，最大处理能力不超过135 Mbps。其中模拟芯片STV6120是一个4输入2输出的下变频矩阵，可以同时输出2路信号，输入频率范围250～2 150 MHz，最大增益65 dB[12]，主要完成下变频滤波抽取，幅度调整等功能，输出零中频IQ信号。

数字处理芯片STV0910包括2路高速AD、数字AGC、匹配滤波器、定时恢复环路、载波恢复环路和均衡器等支持多协议解调模块，以及Viterbi+RS译码和LDPC+BCH译码模块[13]。整个DVB窄带处理单元硬件设计原理如图2所示。

图1 接收处理设备实现结构

图2 DVB窄带处理单元原理

L频段信号进入DVB窄带处理子板，STV6120芯片完成指定频点下变频、滤波、抽取处理输出零中频信号给STV0910芯片，完成模数转换、信号解调、解码输出TS/GS流数据。FPGA在接收数据中加入时标通过SRIO传输给DSP完成协议解析，并通过网口传输给席位。

2.2.2 DVB宽带处理子板

主要通过STiD135芯片完成Inmarsat-5移动高容量点波束Annex-M标准信号处理工作，单芯片集成模拟和数字处理模块，全面支持最新的DVB-S2/S2X和Annex-M标准[14]。

其中模拟部分主要包括4路宽带模拟下变频模块，最大带宽600 MHz。数字部分包括一个4×8交换矩阵，多功能解调模块，支持最多8路窄带或2路宽带信号解调，以及多协议信道译码等模块，最大处理能力达到500 Msps[15]。多功能解调模块详细设计框图如图3所示。

图3 宽带解调器设计

相比传统窄带解调器，针对宽带信号解调需求，在原有均衡器基础上专门增加宽带均衡器WEQ。由于信道带宽最大为600 MHz，信道失真而引入的码间串扰问题对于解调器将是一个巨大的挑战，因此，解调器在传统判决反馈自适应均衡器的基础上，结合宽带信道的特点，专门增加一个宽带均衡器WEQ，其中前向均衡器为5阶，反馈均衡器从传统的8阶增大到256阶，大大降低了信道失真对解调的影响，使码间串扰降到最低[16]。

3 软件设计

信号处理单元软件主要包括底层驱动软件和上层应用软件，上层应用软件主要通过控制ASIC芯片完成指定频段盲扫功能以及指定频点信号解调功能，并封装为功能相对独立的软件模块。底层驱动软件主要通过I2C总线完成对ASIC芯片指定寄存器的读写操作，完成上层应用软件相应功能[17]。寄存器配置流程如图4所示。

图4 寄存器配置流程

由于ASIC芯片寄存器数目繁多，需要首先把寄存器地址变量宏定义在一个专门的文件库中进行调用，减小直接操作带来的错误风险[18]。

4 性能测试

目前，已经研制完成PCIe和VPX两种平台的信号处理单元。通过模拟源测试以及实星信号测试，基本满足性能指标要求。可以实现对Inmarsat-5下行固定点波束和移动高容量点波束信号实时接收处理。信号处理单元实物如图5所示。

图5 信号处理单元实物

在实际性能指标测试中，针对DVB-S2系统进行PER误包率测试[19]，测试结果如表1所示。

表1 PER实际性能测试结果

从测试记录来看，在最差情况下(32APSK调制方式、4/5编码率)接收性能只比理论值恶化1.1 dB[20]。

5 结束语

本文针对Inmarsat-5高通量卫星不同波束信号的特点，提出了一种基于ASIC+FPGA+DSP的接收处理方案，并研制了接收处理设备。经过实际信号测试，该设备能够实时接收处理前向固定点波束和高容量点波束信号，工作稳定，相比于传统专用处理设备，大大降低成本和功耗，使用灵活，具有很好的应用价值。