便攜式衛(wèi)星通信終端的低功耗設(shè)計(jì)

河北諾亞人力資源開(kāi)發(fā)有限公司 康瑞雪

0 引言

近些年來(lái)，便攜式衛(wèi)星通信終端在應(yīng)急救災(zāi)、水利水電、邊境監(jiān)視等行業(yè)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，但是終端經(jīng)常工作在野外環(huán)境等場(chǎng)合，沒(méi)有電力設(shè)施供電，終端只能靠自帶鋰電池供電，因此低功耗設(shè)計(jì)對(duì)延長(zhǎng)終端工作時(shí)間和增強(qiáng)可靠性具有重要意義。

1 整機(jī)低功耗設(shè)計(jì)

一般情況下，電子設(shè)備的功耗可以表示為：

式中，α為活躍因子，表示該模塊在整機(jī)工作過(guò)程中的活躍程度；Pn為第n個(gè)模塊全工作狀態(tài)下功耗；N為整機(jī)可劃分開(kāi)的電路單元，整機(jī)集成度越高，則N的值越小。為了達(dá)到低功耗設(shè)計(jì)的目的，在滿足整機(jī)各項(xiàng)功能、性能指標(biāo)的前提下，通過(guò)提高設(shè)備集成度，降低活躍因子，降低各模塊的工作功耗等途徑，來(lái)降低設(shè)備整機(jī)功耗[1][2]。

因此將便攜式衛(wèi)星通信終端分為基帶處理單元和中頻處理單元，提高設(shè)備集成度；通過(guò)采用一定的節(jié)電策略，降低公式（1）的活躍因子；各單元選擇低電壓芯片，選擇開(kāi)關(guān)電源芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的DC/DC芯片，降低各模塊的工作功耗。

2 硬件低功耗設(shè)計(jì)

將便攜式衛(wèi)星通信終端的基帶處理單元和中頻處理單元集成在一塊板卡上實(shí)現(xiàn)，原理框圖見(jiàn)圖 1。其中基帶處理部分主要由SOC芯片、外圍時(shí)鐘芯片、AD和DA芯片構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)了主控功能和基帶調(diào)制解調(diào)功能。中頻處理單元主要完成了中頻信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)，10M源為各功能部件提供10M參考信號(hào)。

在原有小型化衛(wèi)星通信終端的硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，從以下方面對(duì)低功耗設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化：

（1）原平臺(tái)實(shí)現(xiàn)主控功能需要搭載CPU芯片單元模塊實(shí)現(xiàn)，基帶調(diào)制解調(diào)功能需要多片F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)，而本文所設(shè)計(jì)的便攜式衛(wèi)星通信終端硬件平臺(tái)僅采用1片嵌入ARM內(nèi)核的SOC芯片，可實(shí)現(xiàn)上述兩種功能；

（2）原平臺(tái)采用單獨(dú)中頻盒體模塊實(shí)現(xiàn)中頻調(diào)制和解調(diào)功能，本文所設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)采用調(diào)制解調(diào)芯片實(shí)現(xiàn)中頻調(diào)制和解調(diào)功能；

（3）時(shí)鐘芯片、AD和DA根據(jù)需求重新選型，采用功耗較低的芯片。

采用以上硬件方案，終端的低功耗設(shè)計(jì)從硬件方面上進(jìn)一步降低。

圖1 便攜式衛(wèi)星通信終端硬件平臺(tái)原理框圖

3 軟件低功耗設(shè)計(jì)

3.1 軟件代碼設(shè)計(jì)

影響整機(jī)功耗的軟件主要是FPGA軟件，F(xiàn)PGA的功耗主要是由靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗引起，靜態(tài)功耗主要是由漏電流引起的，在FPGA選型中考慮降低靜態(tài)功耗。動(dòng)態(tài)功耗主要值存儲(chǔ)器、內(nèi)部邏輯、時(shí)鐘和I /O消耗的功耗，一般情況下，F(xiàn)PGA功耗主要是動(dòng)態(tài)功耗[3][4]。

在FPGA 代碼設(shè)計(jì)主要采取一下措施來(lái)降低動(dòng)態(tài)功耗：

（1）在滿足功能和性能使用的前提下，盡可能較低的時(shí)鐘頻率；

（2）控制模塊在使用使能信號(hào)時(shí)，即使有時(shí)鐘激勵(lì)，不參與運(yùn)算的邏輯模塊也不進(jìn)行工作，減少邏輯翻轉(zhuǎn)；

（3）采用門控時(shí)鐘，在不同工作模式關(guān)閉不工作模塊的時(shí)鐘。

3.2 電源管理策略

通過(guò)設(shè)計(jì)合理CPU軟件可改變電源管理策略，動(dòng)態(tài)配置便攜衛(wèi)星通信終端的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，降低終端長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)平均功耗。

（1）正常工作狀態(tài)

在正常工作狀態(tài)下，終端始終保持載波的發(fā)送和接收，電路電源全部打開(kāi)，基帶調(diào)制解調(diào)電路、AD和DA芯片全部工作。

（2）空閑狀態(tài)

空閑狀態(tài)下，終端沒(méi)有通信業(yè)務(wù)，CPU相應(yīng)的通信業(yè)務(wù)端口也應(yīng)通過(guò)軟件設(shè)置關(guān)閉，終端只接收主站信息，發(fā)送支路關(guān)閉。

（3）待機(jī)狀態(tài)

在待機(jī)狀態(tài)下，僅維持終端電源管理系統(tǒng)正常工作，因此全部的業(yè)務(wù)相關(guān)電路的電源關(guān)閉，AD、DA芯片休眠，時(shí)鐘管理芯片休眠，終端處于最低功狀態(tài)。

表1 終端功耗測(cè)試結(jié)果

4 測(cè)試驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，終端使用DC12V供電，在正常工作狀態(tài)下，終端功耗為22.8W，而在待機(jī)狀態(tài)下，終端功耗僅為4.8W，比原有小型化衛(wèi)星通信終端的功耗進(jìn)一步降低，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)整機(jī)、硬件和軟件低計(jì)3個(gè)方面，進(jìn)行了便攜式衛(wèi)星通信終端的低功耗設(shè)計(jì)，并通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證對(duì)比，比原有小型化信道終端功耗降低了大約40%，成效明顯，到達(dá)了設(shè)計(jì)目的，為其他平臺(tái)低功耗設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)參考。

[1]余宗光,黃偉.中國(guó)集成電路設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[J].半導(dǎo)體技術(shù),2014,10：721-727.

[2]焦龍濤,高欣.一種低功耗高效率的雙向AXI2AHB總線橋設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無(wú)線電通信技術(shù),2017,43(2)：78-82.

[3]韓雪.FPGA功耗概念與低功耗設(shè)計(jì)研究[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2010(7).

[4]閆冬,成亞勇,孫大元.基于FPGA的調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)方法[J].無(wú)線電工程,2016,46(6)：34-37.