基于FPGA的高效衛星調制解調器實時處理系統設計

摘要：針對傳統衛星通信系統中調制解調器性能不足的問題，設計了基于現場可編程門陣列（field programmable gate array，FPGA）的高效衛星調制解調器實時處理系統。該系統采用3層架構體系，涵蓋物理接口層、信號處理層和應用控制層。同時，結合相關硬件模塊進行協同設計，旨在提升衛星通信的傳輸速率、降低系統功耗、增強系統的抗干擾能力。通過硬件優化與流水線設計，并充分利用FPGA并行計算能力，實現實時信號的高效處理。在Ku頻段與Ka頻段開展了實際衛星鏈路測試工作，采用四相相移鍵控（quadrature phase shift keying，QPSK）調制方式，并結合1/2碼率等不同參數組合對系統性能進行了全面的評估。測試結果顯示，系統的數據吞吐量提高了85%，處理延遲降低了67%，功耗降低了25%，證明系統能夠在低信噪比環境中保持穩定通信，充分滿足新一代衛星通信系統的應用需求。

關鍵詞：FPGA；衛星通信；實時處理；并行計算；調制解調器

中圖分類號：TN927+.2 文獻標識碼：A

0 引言

隨著低軌衛星星座與天地一體化網絡的快速發展，對衛星通信系統中調制解調器的實時性與適應性提出了更高的要求?；跀底中盘柼幚砥鳎╠igital signal processor，DSP）的傳統解決方案在處理高速數據流時具有局限性，難以滿足新一代衛星通信系統的需求?，F場可編程門陣列（field programmable gate array，FPGA）憑借其可重構性、強大的并行處理能力以及低延遲等特性，為高效衛星調制解調器的實現提供了理想平臺。因此，設計一種基于FPGA的高效衛星調制解調器實時處理系統，能夠突破傳統衛星通信系統在處理速度與功能適配上的局限，為遠程探測、空間互聯等領域提供可靠的通信保障。

1 系統總體設計

1.1 系統架構設計

如圖1所示，衛星調制解調器系統架構采用3層結構設計，包括物理接口層、信號處理層和應用控制層。物理接口層負責高速數據采集與模擬信號轉換工作，其采用差分傳輸技術以減少噪聲干擾。該層集成了高精度的模擬數字轉換器（analog to digital converter，ADC）、數字模擬轉換器（digital to analog converter，DAC）以及射頻前端電路，以完成射頻信號的高效接收與發送工作。

信號處理層作為系統的核心結構，基于FPGA實現了調制解調、同步捕獲以及信道編解碼功能。同時，它采用流水線架構，有效提升了系統的吞吐量[1]。具體來說，該層由多個并行處理單元構成，通過優化資源配置實現了信號的實時處理。

應用控制層具備系統配置與監控功能，并且能夠提供完整的人機交互接口。該層采用嵌入式處理器與自定義接口協議，支持本地與遠程操作模式。在硬件設計上，系統集成了高速轉換器與大容量存儲器，支持多種調制格式與編碼方式。外部接口涵蓋高速數據總線、以太網接口和調試端口，能夠滿足不同應用場景的連接需求。各模塊通過標準化接口連接，以確保數據傳輸的高效性與系統擴展的靈活性。衛星調制解調器系統采用分區設計策略，通過時鐘域隔離和功能模塊獨立設計，實現了關鍵模塊之間的有效隔離，從而提高了系統整體的穩定性和抗干擾能力。

1.2 關鍵技術

在衛星調制解調器的高速信號處理及硬件優化方面，引入并應用了多種先進技術。并行快速傅里葉變換（fast Fourier transform，FFT）技術通過算法優化與緩存結構設計，實現了高效的頻域分析。載波恢復技術采用改進的科斯塔斯（Costas）環結構，有效解決了頻偏與相位噪聲的問題。憑借維特比（Viterbi）算法以及低密度奇偶校驗（low density parity check，LDPC）編解碼器的合理設計，能夠有效保障解碼性能并降低資源占用，達成性能與資源的平衡[2]。自適應均衡技術利用快速收斂算法，有效補償了信道失真。動態可重構技術允許系統根據需求動態調整FPGA的資源分配，從而實現硬件利用率的提升。這些技術的有機結合使系統能夠在復雜通信環境下保持高效穩定運行，進而滿足衛星通信的嚴格要求。

2 硬件系統設計

2.1 FPGA平臺選型

FPGA平臺的選擇直接決定系統的處理能力與功能實現。選用賽靈思的 UltraScale+系列FPGA作為系統的核心處理平臺，該系列器件擁有高密度的可編程邏輯單元以及豐富的DSP，能夠滿足復雜調制解調算法的并行實現需求。具體來說，FPGA的型號為XCVU9P，該芯片配置120萬個以上的查找表（look-up table，LUT）資源、3 840個DSP芯片以及90 MB的片上存儲容量，這些優勢使其能夠滿足大規模并行計算的需求。

在FPGA的性能優化方面，可采取以下措施：①合理的資源規劃。資源規劃采用區域化分配策略，有效降低資源競爭和時序沖突的發生概率。

②關鍵路徑的恰當選取。對于關鍵路徑，采用專用布線技術，確保系統能夠在最高550 MHz的時鐘頻率下穩定運行。③合理的時鐘管理。時鐘管理采用多域設計，通過異步先入先出（first input first output，FIFO）實現數據的同步傳輸，保證數據傳輸的準確性和穩定性。④高效的電源系統。電源系統集成多級電源管理單元，以便根據系統的實際運行情況對功耗進行動態控制。另外，FPGA配置支持系統在線升級與容錯恢復功能，能夠有效提高設備的可靠性。

2.2 高速數據采集模塊

高速數據采集模塊負責衛星信號的數字化轉換與預處理。該模塊采用16位高精度的ADC與DAC，采樣率最高可達400 MSPS（每秒采樣百萬次），充分滿足寬帶衛星的信號處理需求。系統選用德州儀器的ADS54J60器件，其有效位數達到12.1位，動態范圍超過74 dB，能夠確保弱信號的采集質量。

在模塊優化設計方面，采取了多項關鍵技術措施：①信號輸入電路采用差分傳輸結構，通過平衡線路設計與共模抑制技術有效提高采集信號的信噪比；②接入電路設計了由LC電路與有源濾波器組成的多級濾波網絡，此網絡可精確濾除帶外噪聲和鏡像頻率干擾，有效確保信號質量；③數據緩存系統采用雙緩沖結構與高速靜態隨機存取存儲器（static random access memory，SRAM）實現連續數據流的無縫處理，顯著降低了數據丟失風險；④數字下變頻單元通過優化的復數乘法器將中頻信號傳輸至基帶，極大地降低了系統的后續處理壓力；⑤采樣時鐘系統基于溫度補償晶體振蕩器（temperature compensated crystal oscillator，TCXO）與相位鎖定環（phase locked loop，PLL）技術，能夠提供相位噪聲低于-120 dBc/Hz的低抖動采樣時鐘，有效保障了采樣精度；⑥自校準電路可對溫度漂移與通道不平衡現象進行實時補償，并通過自動增益控制與偏置校正功能，確保系統在各種環境條件下均能長期穩定運行。

2.3 調制解調處理模塊

調制解調處理模塊負責處理衛星通信信號，它支持二進制相移鍵控（binary phase shift keying，BPSK）、四相相移鍵控（quadrature phase shift keying，QPSK）、8PSK以及高階幅度相移鍵控（amplitude phase shift keying，APSK）等調制方式，能夠適應不同的信道環境。解調部分包含載波恢復、符號定時恢復和解映射3個子模塊。其中，載波恢復能夠實現±20%頻偏捕獲，符號定時恢復能夠達到0.01 s的定時精度，解映射則負責輸出可靠性信息。該模塊采用流水線架構，支持最高1 Gbps的處理速率，滿足高速通信需求。為了解決載波頻率偏移和相位噪聲問題，衛星通信系統采用了數字化的PLL技術，具體的計算公式如下：

θ（k+1）=θ（k）+Kp×e（k）+Ki×e（i） 。（1）

式中，θ（k+1）為要生成的下一階段相位值；θ（k）為當前相位值；Kp為比例增益，影響系統對相位誤差的響應速度；e（k）為當前相位誤差，即輸入信號相位與本地生成相位之間的差異；Ki為積分增益，有助于消除隨時間變化的穩態誤差；e（i） 為相位誤差序列，i為積分項索引。

通過調整Kp、Ki可以平衡PLL的捕獲速度與跟蹤精度，從而解決衛星通信中的多普勒頻移與相位噪聲問題。

2.4 糾錯編解碼模塊

糾錯編解碼模塊為系統提供抗干擾的能力，它支持卷積碼、Turbo碼、LDPC碼以及Reed-Solomon碼等多種形式，適應不同的信道條件。系統采用多種先進的編解碼技術來提升糾錯性能和處理效率。卷積編碼支持多種碼率與約束長度；Viterbi解碼器通過路徑管理與并行設計，實現了高達400 Mbps解碼速率；LDPC采用部分并行架構，在性能與資源消耗方面達到了平衡；Turbo解碼使用Max-Log-MAP算法與窗口化處理，在提高解碼效率的同時有效降低了計算復雜度。糾錯編解碼模塊利用FPGA的并行特性來提高效率，增強系統糾錯能力。誤碼率P（e）的計算公式如下：

P（e）≈Aw×Q（）。" " " " " " " " " （2）

式中，P （e）為誤碼率，w為碼重，Aw為碼重分布，Q為不同調制格式的星座大小，Rw為碼率，Eb為每比特能量，N0為噪聲功率譜密度。

3 軟件系統設計與應用

3.1 嵌入式操作系統架構設計

嵌入式操作系統為基于FPGA的高效衛星調制解調器實時處理系統提供軟硬件交互平臺，其整體架構如圖2所示。該系統由應用層、裁剪版Linux系統、驅動層和硬件層4個部分構成，各層之間通過標準化接口進行交互。應用層負責用戶接口、系統配置和數據分析功能，提供友好的人機交互界面和遠程控制能力。系統采用裁剪后的Linux系統，并在此基礎上通過優化內核配置來提高實時性能。驅動層能夠提供FPGA資源的統一訪問接口，包括FPGA驅動、存儲驅動、中斷管理系統等接

口[3]。FPGA驅動借助設備樹描述硬件資源信息，進而支持動態硬件配置；存儲驅動通過優化數據緩存策略，提高傳輸效率；中斷管理系統通過實施優先級調度，有效降低了處理延遲。硬件層包含FPGA邏輯資源、存儲器接口和各種外設控制器，為整個系統提供基礎的計算、存儲和通信硬件資源。

3.2 實時處理算法優化

針對傳統算法在高速數據流處理中暴露的問題，本文綜合運用多種優化策略，成功實現了算法性能的顯著提升。在算法映射方面，本文設計的系統將計算密集型任務映射到FPGA資源上，充分利用FPGA的并行計算特性和專用DSP資源，實現了算法的硬件加速和低延遲處理。同時，運行在處理器上的軟件模塊負責控制邏輯與參數配置，通過優化的調度算法和緩存管理策略實現了系統資源的合理分配和高效利用。在信號處理優化方面，引入了流水線技術。通過將任務分解為多個流水線階段，實現不同數據的并行處理，大幅提高了系統的吞吐量。在數據訪問優化方面，通過優化內存訪問模式，有效減少了內存帶寬需求。采用預取與緩存技術能夠顯著降低數據訪問延遲，進一步提升數據處理的實時性。采用定點算法能夠在保證精度的前提下，減少資源消耗。此外，載波恢復與符號定時恢復算法采用自適應步長控制策略，通過該策略加快算法的收斂速度，從而提升整個系統的實時處理性能。

3.3 系統配置與監控界面

系統配置與監控界面基于Qt框架開發，涵蓋配置、監控和分析3個功能模塊。配置模塊支持對調制方式、碼率、糾錯參數等進行可視化設置，同時具備參數驗證功能，確保參數變更時能自動完成驗證并實時生效。監控模塊用于顯示信噪比、誤碼率、載波頻偏等性能指標[4]，采用儀表盤與趨勢圖對關鍵指標進行雙重顯示，直觀、清晰地呈現系統狀態變化。分析模塊提供星座圖、眼圖和頻譜圖等工具，以輔助評估信號質量。監控界面采用層級化設計，將常用參數放置于頂層，專業參數放置于子菜單，從而提高操作便捷性。另外，監控界面還配置了能夠記錄系統事件的日志系統，便于后續故障分析。日志系統具有多級過濾與導出功能，為系統調試過程提供了有力支持。遠程接口具有網絡訪問功能，用戶可借助此功能對設備執行遠程配置以及狀態查看操作。

4 系統測試與應用分析

本文對基于FPGA的高效衛星調制解調器實時處理系統進行全面測試，選取了傳統DSP衛星調制解調器系統作為測試對照，驗證了該系統具有性能強與穩定性好的特點。實際衛星鏈路測試在Ku與Ka頻段進行，覆蓋了靜止軌道通信與低軌衛星通信場景。本文系統與傳統DSP衛星調制解調器系統性能對比如表1所示[5-6]。測試結果表明，本文系統在QPSK調制方式、1/2碼率條件下，能夠在-3 dB的低信噪比環境中保持穩定通信。與傳統DSP衛星調制解調器系統相比，本文系統在數據吞吐量上提高了85%，處理延遲降低了67%，功耗減少了25% [7-8]。本文系統現已成功應用于多個衛星通信項目，包括移動通信、應急救援和數據中繼等場景，具有良好的適應性和可靠性。

5 結語

基于FPGA的高效衛星調制解調器實時處理系統利用FPGA的并行計算能力與可重構特性，實現了高性能、低延遲、低功耗的信號處理，顯著提高了數據吞吐量與信號處理精度，有效降低了系統功耗。通過對FPGA平臺進行優化和模塊化設計，同時結合嵌入式操作系統與實時處理算法，該系統在復雜信道環境下仍能保持穩定的通信性能，滿足新一代衛星通信系統的需求。未來研究方向包括進一步優化算法，提高系統集成度，以及探索軟件定義無線電技術在衛星通信中的應用，以期擴展系統的功能與適用范圍。

參考文獻

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