卫星通信终端的低功耗设计要点

卫星通信终端的低功耗设计要点

李奔

浙江瑞盈通信设计股份有限公司 浙江杭州 310006

摘要：低功耗设计技术是在产品的设计阶段，通过各种手段降低产品整体功耗的技术，其最早出现在电子手表等工业领域中，近年来在集成度较高以及小型化的电子产品中得到了十分广泛的应用。为了进一步降低电路成本，提升整体电路的可靠性与稳定性，就必须进行低功耗设计，在保证整体集成度不断提升的同时，以更低的功耗实现原本的功能。因此，在卫星移动通信终端也需要采用低功耗设计理念，不仅能够延长整体待机时间，而且可以减小整体设备的尺寸与质量。

关键词：卫星；通信终端；低功耗设计

引言

与传统微波通信相比，卫星激光通信的通信率高、抗干扰能力强、保密性强、激光终端体积小、重量轻、能耗低。因此，激光通信已成为卫星通信的主要发展方向之一。随着空间技术的不断发展和商业空间活动的增加，利用小型卫星网络通信的必要性日益迫切，大大促进了小型卫星激光通信终端技术的发展。小型卫星激光通信终端技术逐渐成熟，现已达到工程应用水平。

1卫星移动通信技术

首先，以高轨道卫星（GEO）为基础的移动通信系统已经成为未来通信领域发展的主要趋势，通过大型平台不仅能够展开天线，还可以进一步实现多波束覆盖，为个人手持设备提供出更加丰富的业务。其次是互联互通。卫星移动通信技术与通信终端，也从原本的单独组网逐渐发展为多网互联，与地面互联网互联互通，以及在多制式网络系统间漫游，可以进一步与地面通信网络构成全覆盖的个人通信系统。最后，卫星移动通信终端的发展与手机基本一致，从开始的第一代模拟终端，到后续的实时操作系统功能终端，逐步发展为第三代具备着开放性操作系统的智能化终端；而在业务承载方面，卫星移动通信终端也从原本较为单一的语音业务逐步向着多样化业务的方向转变，从原本的窄带业务逐渐拓展为宽带业务。

2相控阵的波控基本流程

相控阵天线通过控制其移相器的移相量来实现波束跟踪的阵列天线。低轨卫星终端首先利用接收到的卫星星历信息(两行根数或者是六根数的形式)推算卫星在任意时刻的位置(即卫星的经、纬度及卫星距地心的距离),再结合终端自身“北斗”所获取的终端经、纬度信息以及惯导的姿态输出即可获得终端与卫星的指向角。通过计算所得指向角即可得到相控阵各阵元移相器的移向量,从而实现终端初步对星。初步对星完成之后,利用数字域的圆锥扫描实现对星的精跟踪以弥补地球模型简单、星历和惯导输出误差等所带来的指向角误差。

3终端硬件需求

通过移动终端所采用的硬件平台，可以进一步划分为智能终端、功能终端以及增强型功能终端。功能终端就是将所有功能有地效集成在一起；增强型功能终端则是对协处理器与基带模块之间进行了分离处理，基带模块大多应用在通信功能中，协处理器能够有效处理应用方面的内容；智能终端中则有应用处理器AP以及基带芯片等，AP的功能与PC处理器芯片基本一致，再加上能够加载的应用软件与操作系统，进一步组成了一种功能比较全面的移动计算平台。可以看出，从功能终端到增强型功能终端，再到智能终端，移动终端所具备的功能越来越强。而在终端硬件中主要有天线模块、射频模块、处理器模块以及内存模块等，在硬件设计方面也经历了从原本单模块到基带单芯片/AP，再到基带多模单芯片/AP的转变。

4系统架构设计

基于北斗三号卫星导航系统的导航通信一体化终端主要工作是接收北斗卫星播发的导航信号并进行导航定位输出定位结果，此外还接收北斗三号短报文信号进行报文通信，其内部系统框图如图1所示。

图1导航通信一体机系统框图

其中一体化天线集成了导航天线、短报文接收天线及短报文发射天线，用于导航信号与短报文出站信号的接收与短报文入站信号的发射。导航信号与短报文出站接收信号分别通过多级滤波放大电路，抑制带外噪声后进入多通道射频芯片进行下变频及AD采样，向基带处理单元输出数字中频信号，在基带处理单元中完成信号捕获及电文解调，最后完成定位解算及通信电文解析；无人机发送的数据通过基带处理单元进行编码调制后输入至集成射频芯片完成上变频输出L射频，最后经过功放单元完成功率放大后，送入发射腔体滤波器进行信号滤波，最后送至短报文发射天线进行发射入站。

5卫星通信终端的低功耗设计的主要措施

5.1单元电路模块低功耗设计

目前，各类通信设备内部大多都是以数字电路为主，并且目前所采用的大部分数字电路主要为CMOS电路，这种电路所消耗的功率主要为漏电功耗、开关电容功耗、启动功耗以及短路功耗等，其中的内部短路功耗，所指的主要就是电路瞬变时，设备与地之间短路连接过程中所消耗的功率；漏电功耗则是CMOS工艺内部存在的寄生效应所引发的功率消耗；开关电容消耗中则是负载之中的电容，是由充电以及放电等操作所引发的；启动功耗则是电子元件或是电子设备在上电过程中，由于各个器件充电所引发的电能消耗，并且这种功耗仅仅只出现在开机瞬间。一般情况下，开关功耗与内部短路功耗被称之为动态功耗，而站在CMOS电路的角度上来看，动态功耗直接决定了总功耗，而器件的电压与功耗成正比，与工作效率之间同样为正比，因此，为了有效降低电路所产生的动态消耗，一方面应当尽量选择那些低电压的电路芯片；另一方面，就要降低工作时钟的频率。而那些嵌入式系统等具备智能化特征的处理器，由于其处在不同工作状态时，需要处理的工作量并不相同，这就需要根据工作量方面的差异，采用自主调整供电电压以及工作频率的方式，以此来大幅度降低产生的动态功耗。漏电功耗一般被称为静态功耗，而引发静态功耗出现的因素比较多，比如接通状态下内部晶体管存在的工作电流、连线电阻、三台驱动与输入之间的上拉电阻与下拉电阻等，可以看出，静态功耗与器件的制造工艺之间存在着极大的关系。而在对卫星移动通信终端的模块与电路进行设计时，就要采用以下几种方式降低静态功耗：一是要选择那些功耗较低的CMOS芯片，以此为基础来设计电路，还要尽量少用那些衰减电路或是匹配电路；二是由于IO线上存在的上拉电阻与下拉电阻需要消耗一定的电流，就要避免直接使用这些电路，如果必须要使用，就要降低电阻的阻值，在那些成熟电路中，去除调试时所采用的工作状态指示灯与电源；三是尽量不采用双极晶体管，这是由于这部分器件都需要稳定控制在一个恒定电流中，就会加大静态电流，而悬空的时钟输入也会加大静态电流，应当将那些不用的时钟引脚连接到低电平中，提升整体卫星移动通信终端设备的集成度，以此来降低各个器件间IO的使用。

5.2小型卫星平台的减振技术

在轨道上运行小型卫星时，卫星旋转元件的正常运行可能导致平台上的相对较小的运动或振荡。平台振动可能导致激光通信终端发射和接收时目标偏差，从而可能导致功率降低、信噪比降低和代码错误率提高。因此，有必要限制平台振动的影响----小型卫星平台，以便与激光通信终端进行高度可靠的通信。物理隔离装置、反馈控制技术可用于消除振动、自适应带宽消除振动噪声等。

结束语

在对卫星移动通信终端进行研制的过程中，通过上述几种低功耗设计方式以及设计技术，能够使终端待机状态与单收状态中的功耗分别降低40%左右，能够在提高卫星移动通信终端使用寿命的同时，大幅度降低产生的功耗。因此，必须要加大对于低功耗设计技术的重视程度，在卫星移动通信终端的特点、整机、单元电路、元器件以及FPGA等多方面内容上充分探讨低功耗设计的具体方式，以此来确保低功耗设计能够更好地发挥出自身的实际作用。

参考文献

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[4]张友建.轻小型潜望式激光通信终端粗跟瞄机构研究[D].长春理工大学,2019

[5]刘伟.便携式海事卫星宽带通信终端的设计与实现[D].电子科技大学,2019.

李奔 男 1985 浙江杭州 310006 浙江瑞盈通信设计股份有限公司 硕士 通信设计方向