本发明专利技术公开了一种基于FPGA的卫星可调节通信系统，用于卫星编队中高效建立星间及星地的通信链路，涉及的BPSK通信信号发射功率速率可调节方法和通信速率包络平方谱估计算法实际对传统的固定功率速率通信和码元速率识别方法进行改进。提出的通信帧设计方式和频率扫描方法能有效估计信道质量和提高载波频率捕获范围。本发明专利技术的SNR理论可上调极限为28dB，其中发射功率可调节范围18～28dBm，发射速率可调节范围1～512kbps，对应信噪比提高9～18dBm，功能可行且具有较好的实用性。功能可行且具有较好的实用性。功能可行且具有较好的实用性。
【技术实现步骤摘要】
基于FPGA的卫星可调节通信系统
[0001]本专利技术涉及大规模卫星编队中的星地及星间通信
，特别涉及一种基于FPGA的卫星可调节通信系统。
技术介绍
[0002]在微型航天器的迅猛发展下，卫星编队飞行成为近年航天事业的热门话题，星间及星地通信是该类分布式编队的核心模块，信息的高频谱利用率传输为完成目标物距离标定、地球物理观测和立体成像等系列重大工程助力。在微小卫星系统中，星载之间的构型决定了星间及星地的通信状态，有的卫星编队因轨道较低而受到地面辐射的微波干扰，星间链路受到空间环境及地面的干扰导致信噪比一直在变动。有效兼顾物理信道的通信质量和效率，对于低功耗星间及星地通信至关重要。
[0003]信号通信时对传输效率和吞吐量会有信道噪声、衰减、干扰各类影响，传输速率需要小于信道容量以保证质量和满足误码率，且传统的固定速率传输需要包含大部分情况。针对星间通信系统的低功耗、信号衰落大、信号突发性高等特点，信号数据的高效传输在于卫星编队各节点间通信的灵活切换，本专利技术利用接收端的速率识别算法及信道质量闭环反馈结构后发射端的功率速率调节可以实现通信系统的灵活性设计。
[0004]传统的符号速率识别有循环谱估计法、功率谱估计法、瞬时幅度谱估计法等，其中循环谱估计法利用信号的循环平稳性，检测其循环频率，虽估计结果准确，但其计算过程较复杂，估计速度过慢，消耗资源过大，需在其原理的基础上进行简化；功率谱估计法对功率谱值取平均作阈值，估计准确率较低；瞬时幅度谱估计利用信号码元间间隙的周期性，检测频域的峰值谱线，在对基带信号进行升余弦滤波时效果较好，但由于卫星发射端多采用根升余弦滤波，故需在该方法的基础上进行优化。本专利技术采用包络平方谱估计法对传统的循环谱和瞬时幅度谱方法进行改进，发射端对基带信号根升余弦滤波，接收端对基带信号求平方值，作FFT运算，取模后检测包络谱除直流后的谱峰频率值。算法较循环谱方法简洁，比瞬时幅度谱方法适合卫星通信系统，可有效减少处理时延和资源消耗。
技术实现思路
[0005]本专利技术提供了一种基于FPGA的卫星可调节通信系统，该通信系统主要利用接收端通信速率包络平方谱估计算法，实现星间及星地基于FPGA的BPSK通信信号功率速率可调节系统，从而高效建立起星间及星地的通信链路，其速率可调范围达1k～512kps，发射功率可调范围达18～28dBm。
[0006]基于FPGA的卫星可调节星地系统分为星间通信和星地通信架构，采用异频的通信体制。各通信端的硬件设计除发射和接收频率不同外，其余硬件设计相同，在一种通信端电路板中，通过实现星间与星地模式切换、发射和接收状态开关的功能以应对不同应用场景。
[0007]卫星A和卫星B各包含星间板与星地板两块通信板，分别用于星间和星地通信，两通信板硬件设计完全相同，只有频点的差异：
[0008]1)星间方面，在发射端：两星的星间板相互异频发送通信帧，包括固定数据帧和业务数据帧。空闲状态时，采用固定数据帧，为二进制“0”和“1”交替的双极性序列，便于两星接收端对通信帧捕获和符号速率判断，DTTL环将同步后的固定数据帧传给误码率比对模块，对其进行计数，得出错误比特数作为信道特征数据；任务状态时，采用业务数据帧，包含业务数据往来。在接收端：两星的星间板默认处于空闲状态，在检测到协议帧头时进入任务状态并进行计数，计数达到协议的业务数据帧长度后，进入空闲状态。全过程中，在两星的内部：星间板将本板状态与信道质量状况数据组帧，发送给星地板，同时接收经由星地板发来的地面站控制指令，根据该指令调节星间板的发射功率与发射速率。
[0009]2)星地方面，两星的星地板向地面发送遥测数据，遥测内容包括星间板状态、星地板状态、信道质量状况。地面站根据信道质量状况向卫星发送星间和星地板的遥控指令，星地板根据指令调节发射功率与发射速率，同时将星间板相关的指令进行转发。对于星间通信，若地面站系统中的遥测数据若显示卫星A的星间板接收信道状况较差，则向卫星B的星间板发送功率速率调节指令，若显示卫星B的星间板接收信道状况较差则同理对卫星A的星间板进行调整。对于星地通信，若地面站显示与卫星通信信道状况较差，则向卫星的星地板发送功率速率调节指令。
[0010]具体而言，星间板与星地板的软件部分均包括发射端算法、接收端算法、板间通信算法。
[0011]在卫星的发射端：功率速率调节模块根据指令调节发射功率与通信码元速率；调制模块将通信帧进行对应速率的BPSK调制，数据流通过成型滤波器，去除码元信号中的高频分量；对基带信号对应倍率的内插，使其满足DAC采样率要求；最后基带信号与20M中频载波相乘完成数字中频调制，数字调制信号经过DAC传输给模拟链路。
[0012]在卫星的接收端：下变频模块先将高频通信信号下变频到基带；捕获模块对基带信号分析，判断是否有可用的BPSK通信信号；解调模块，对解扩信号去BPSK调制处理；码元速率估计模块，对基带码元速率进行估计，得到速率标志；码元同步模块采用DTTL环，根据解调后的信号和速率进行码元判断；误码率比对模块，对固定数据帧计数，得到错误比特数。
[0013]卫星内部的板间通信算法，两板之间采用SPI通信，星间板将本板状态与信道质量状况数据组帧，发送给星地板，同时接收经由星地板发来的地面站控制指令，根据该指令调节星间板的发射功率与发射速率。
[0014]在本专利技术中，接收端算法的核心为采用包络平方谱方法快速估计通信速率，以及信道质量反馈闭环调节发射功率速率的算法，从而实现系统的可调节通信，包括星间模式与星地模式两种。
[0015]星间模式时，步骤如下：
[0016]1)两星中卫星A在空闲状态时发送固定数据帧，便于另一星卫星B根据固定数据帧进行捕获和符号速率判断，任务状态时为业务数据帧，包含业务数据往来；卫星B向地面发射信道质量特征数据与卫星B整机的状态，便于地面根据信道质量向卫星发送功率速率调节指令；
[0017]2)卫星A根据收到的指令，调节功率速率并依此对通信帧进行BPSK调制，根升余弦滤波后上变频到通信波段发射；
[0018]3)信号到达卫星B，接收链路的中频信号经过ADC采样后，进入Costas环，由NCO产生I路信号和相移的Q路信号，两路本地信号与接收信号相乘，结果经低通滤波后作用至NCO，跟踪载波，下变频到基带；
[0019]4)对基带数据进行作平方计算，经过FFT，对得到的FFT结果取模值，得到包络平方谱；
[0020]5)包络平方谱中的最高峰为直流分量，次高峰对应频率则为码元速率，去除直流分量，比较法找到次高峰下标，下标乘以分辨率得到速率大小，从而根据此判断符号速率；
[0021]6)根据判断出的符号速率与跟踪后的信号进行DTTL环的码元同步，解出通信帧；
[0022]7)卫星B解出的业务数据帧传给卫星的其他协议层；固定数据帧进入误码率比对模块，检测106比特的固定数据帧中错误比特的数量，求得误码率，根据误码率与信道信噪比的关系估计信道状态，并将信道本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的卫星可调节通信系统，其特征为，包含星间通信与星地通信两种架构且采用异频的通信体制；各通信端均包括硬件部分和软件部分，通信两端硬件设计除发射和接收频率不同外，其余硬件设计相同，包括：FPGA芯片、发射链路及发射天线、接收链路及接收天线，在通信端FPGA中，通过软件部分实现星间与星地模式切换、发射和接收状态开关的功能以应对不同应用场景。2.根据权利要求1所述的基于FPGA的卫星可调节通信系统，其特征在于，发射链路采用两次上变频结构，接收链路采用一次下变频的超外差式结构。3.根据权利要求1所述的基于FPGA的卫星可调节通信系统，其特征在于，所述软件部分包括发射算法和接收算法，发射与接收算法均包括空闲状态和任务状态；对于发射算法，处于空闲状态时，发射内容为固定数据帧，以便于接收端根据固定数据帧进行符号速率、信道质量的判断；当处于任务状态时，发射业务数据帧，包含业务数据往来；对于接收算法，默认处于空闲状态，在检测到协议帧头时进入任务状态并进行计数，计数达到协议的业务数据帧长度后，进入空闲状态。4.根据权利要求1所述的基于FPGA的卫星可调节通信系统，其特征在于，卫星包括星间通信的星间板及星地通信的星地板，所述软件部分还包括卫星内部的板间通信算法，两板之间采用SPI通信，星间板将本板状态与信道质量状况数据组帧，发送给星地板，同时接收经由星地板发来的地面站控制指令，根据该指令调节星间板的发射功率与发射速率；星地板则会接收星间板的遥测数据并与自身的遥测数据组帧下传给地面，同时也会接收地面的遥控指令并对指令进行识别，执行地面站关于星地板的指令并转发地面站关于星间板的指令。5.根据权利要求1所述的基于FPGA的卫星可调节通信系统，其特征在于，系统采用可调节通信方法，包括：接收端采用基于FFT的包络谱速率估计算法，估计码元速率并接收通信帧，发射端根据反馈的信道质量来调节发射功率和速率，以提高通信效率、降低功耗、提高系统可靠性，所述方法基于FPGA实现，包括星间模式与星地模式两种。6.如权利要求5所述的基于FPGA的卫星可调节通信系统，其特征在于，当其调整为星间模式时，所述方法步骤如下：1)两星中卫星A在空闲状态时发送固定数据帧，便于另一星卫星B根据固定数据帧进行捕获和符号速率判断，任务状态时为业务数据帧，包含业务数据往来；卫星B向地面发射信道质量特征数据与卫星B整机的状态，便于地面根据信道质量向卫星发送功率速率调节指令；2)卫星A根据收到的指令，调节功率速率并依此对通信帧进行BPSK调制，根升余弦滤波后上变频到通信波段发射；3)信号到达卫星B，接收链路的中频信号经过ADC采样后，进入Costas环，由本地数字控制振荡器(Numerically Controlled Oscillator,NCO)产生I路信号和相移的Q路信号，两路本地信号与接收信号相乘，结果经低通滤波后作用至NCO，跟踪载波，下变频到基带；4)对基带数据作平方计算，经过快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)，对得到的FFT结果取模值，得到包络平方谱；5)包络平方谱中的最高峰为直流分量，次高峰对应频率则为码元速率，去除直流分量，
比较法找到次高峰下标，下标乘以分辨率得到速率大小，从而根据此判断符号速率；6)根据判断出的符号速率与跟踪后的...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐可笛，徐兆斌，郭晓旭，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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