便携式卫星通信终端的低功耗设计

河北诺亚人力资源开发有限公司 康瑞雪

0 引言

近些年来，便携式卫星通信终端在应急救灾、水利水电、边境监视等行业得到越来越广泛的应用，但是终端经常工作在野外环境等场合，没有电力设施供电，终端只能靠自带锂电池供电，因此低功耗设计对延长终端工作时间和增强可靠性具有重要意义。

1 整机低功耗设计

一般情况下，电子设备的功耗可以表示为：

式中，α为活跃因子，表示该模块在整机工作过程中的活跃程度；Pn为第n个模块全工作状态下功耗；N为整机可划分开的电路单元，整机集成度越高，则N的值越小。为了达到低功耗设计的目的，在满足整机各项功能、性能指标的前提下，通过提高设备集成度，降低活跃因子，降低各模块的工作功耗等途径，来降低设备整机功耗[1][2]。

因此将便携式卫星通信终端分为基带处理单元和中频处理单元，提高设备集成度；通过采用一定的节电策略，降低公式（1）的活跃因子；各单元选择低电压芯片，选择开关电源芯片代替传统的DC/DC芯片，降低各模块的工作功耗。

2 硬件低功耗设计

将便携式卫星通信终端的基带处理单元和中频处理单元集成在一块板卡上实现，原理框图见图 1。其中基带处理部分主要由SOC芯片、外围时钟芯片、AD和DA芯片构成，主要实现了主控功能和基带调制解调功能。中频处理单元主要完成了中频信号的调制与解调，10M源为各功能部件提供10M参考信号。

在原有小型化卫星通信终端的硬件平台基础上，从以下方面对低功耗设计进行了优化：

（1）原平台实现主控功能需要搭载CPU芯片单元模块实现，基带调制解调功能需要多片FPGA实现，而本文所设计的便携式卫星通信终端硬件平台仅采用1片嵌入ARM内核的SOC芯片，可实现上述两种功能；

（2）原平台采用单独中频盒体模块实现中频调制和解调功能，本文所设计的硬件平台采用调制解调芯片实现中频调制和解调功能；

（3）时钟芯片、AD和DA根据需求重新选型，采用功耗较低的芯片。

采用以上硬件方案，终端的低功耗设计从硬件方面上进一步降低。

图1 便携式卫星通信终端硬件平台原理框图

3 软件低功耗设计

3.1 软件代码设计

影响整机功耗的软件主要是FPGA软件，FPGA的功耗主要是由静态功耗和动态功耗引起，静态功耗主要是由漏电流引起的，在FPGA选型中考虑降低静态功耗。动态功耗主要值存储器、内部逻辑、时钟和I /O消耗的功耗，一般情况下，FPGA功耗主要是动态功耗[3][4]。

在FPGA 代码设计主要采取一下措施来降低动态功耗：

（1）在满足功能和性能使用的前提下，尽可能较低的时钟频率；

（2）控制模块在使用使能信号时，即使有时钟激励，不参与运算的逻辑模块也不进行工作，减少逻辑翻转；

（3）采用门控时钟，在不同工作模式关闭不工作模块的时钟。

3.2 电源管理策略

通过设计合理CPU软件可改变电源管理策略，动态配置便携卫星通信终端的实时工作状态，降低终端长时间工作时平均功耗。

（1）正常工作状态

在正常工作状态下，终端始终保持载波的发送和接收，电路电源全部打开，基带调制解调电路、AD和DA芯片全部工作。

（2）空闲状态

空闲状态下，终端没有通信业务，CPU相应的通信业务端口也应通过软件设置关闭，终端只接收主站信息，发送支路关闭。

（3）待机状态

在待机状态下，仅维持终端电源管理系统正常工作，因此全部的业务相关电路的电源关闭，AD、DA芯片休眠，时钟管理芯片休眠，终端处于最低功状态。

表1 终端功耗测试结果

4 测试验证

经过实际测试，终端使用DC12V供电，在正常工作状态下，终端功耗为22.8W，而在待机状态下，终端功耗仅为4.8W，比原有小型化卫星通信终端的功耗进一步降低，测试结果如表1所示。

5 结束语

本文通过整机、硬件和软件低计3个方面，进行了便携式卫星通信终端的低功耗设计，并通过测试验证对比，比原有小型化信道终端功耗降低了大约40%，成效明显，到达了设计目的，为其他平台低功耗设计提供了设计参考。

[1]余宗光,黄伟.中国集成电路设计产业的发展趋势[J].半导体技术,2014,10：721-727.

[2]焦龙涛,高欣.一种低功耗高效率的双向AXI2AHB总线桥设计与实现[J].无线电通信技术,2017,43(2)：78-82.

[3]韩雪.FPGA功耗概念与低功耗设计研究[J].单片机与嵌入式系统应用,2010(7).

[4]闫冬,成亚勇,孙大元.基于FPGA的调频信号的解调方法[J].无线电工程,2016,46(6)：34-37.