卫星通信终端的低功耗设计分析范文

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摘要：低功耗设计在各大电子产品设计工作中得到了十分广泛的应用，尤其是在卫星移动通信终端中，低功耗设计更是起到了至关重要的作用。文章对卫星移动通信终端的发展现状展开深入分析，并在此基础上提出了卫星移动通信终端的低功耗设计措施。

关键词：卫星移动通信终端；低功耗设计；具体措施

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。

1当前卫星移动通信终端的发展进程

1.1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[1]。

1.2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。

1.3国外卫星移动通信终端

目前，卫星移动通信终端设备主要有GSP-600、铱星9575、SG2520双模以及国内的UHF手持终端等，这些终端无论是在质量、待机时长、基本特征还是尺寸等方面，都存在着一定程度的差异。而国内的卫星移动通信终端与国外相比仍有很大差距。一是国内的卫星移动通信终端内部的转发器增益相对较低，而天线与射频却比较大；二是其整体集成化程度比较低，无论是设备体系还是功耗都比较大，内部的应用服务内容过于单一，仅仅只能提供出基本的定位服务、信息服务以及语音服务等；三是设备的外形缺乏专业化设计，用户在使用卫星移动通信终端的过程中，也会形成一种过于空白的体验。

2卫星通信终端的低功耗设计的主要措施

在卫星移动通信终端的设计过程中，低功耗设计是关键组成部分，并且与整机设计的各个环节都有着极其紧密的联系，属于一种从上到下进行设计的技术措施。而站在IC设计领域的角度上来看，为了进一步探究低功耗设计对卫星移动通信终端整体设计结果所产生的影响，就要进一步探究低功耗设计的比例关系，简单来说，越是在高层次上采用低功耗设计内容，对应的设计结果对于整体设备性能所起到的优化作用就越大。这是由于层次越高，其在设计阶段中对低功耗进行考虑时就会更加全面，使得低功耗设计在高层次中的设计起到了重要作用[2]。

2.1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[3]。

2.2整机低功耗设计

卫星移动通信终端大多由信号处理模块、射频微波模块、MCU模块以及电路模块所构成，而在探究整机功耗的实际过程中，应当明确不同模块在工作阶段中的具体活跃程度，整机集成度越高，其内部可划分电路单元的值就越小。而对卫星移动通信终端整机进行的低功耗设计，主要就是采用科学合理的技术方案，在确保移动终端各项性能指标以及功能指标不受影响的前提下，利用设备集成度、各模块的活跃状态以及降低模块工作能耗的方式，确保整机的功耗能够不断降低，为此要采用以下设计方式：首先，要将处理器或是嵌入系统当作核心内容，将整体工作状态的感知作为基础进行引入低功耗设计技术，而其中的整机工作状态所指的主要就是操作人员在使用处理器时的具体状态、用户终端工作状态以及系统状态的识别确认，从而根据系统、终端以及用户的具体状态来采用有针对性的节点措施，同时，对各个活跃因子进行动态改变，也能够达到降低整体功耗的目的；其次，要对整机方案进行优化，提高电路的集成度，在卫星移动通信终端中，实体模块属于其中的直接构成单元，根据传统终端设备中的设计方式，那些功能较为复杂的手持机能够被进一步划分为多个电路模块，但却仍旧无法满足低功耗、小体积的设计需求，因此，在展开低功耗设计的实际过程中，主要内容就在于对整机方案展开优化处理，针对那些类似或是基本相同的电路进行合并，以此来全面提升卫星移动通信终端的集成度；最后，要科学合理选择供电方案，在设计过程中最为直接的功耗降低手段就是选择那些电压较低的工作芯片，应选择那些低功耗、小体积且低电压的芯片，并且在每一个芯片中都存在着待机模式或是睡眠模式，可以独立展开断电操作。此外，还可以选择那些开关电源芯片来取代传统的线性DC/DC，进一步降低直流电源电压的种类，在减少电源转换芯片的同时，对每一种电压所产生的平均功耗进行深入分析，确保电池组部位的输出可以与大功耗电压保持一致。

2.3FPGA低功耗设计

在卫星移动通信终端的低功耗设计中，如何进一步降低FPGA所产生的功耗使得人们在多个角度对FPGA的低功耗设计展开深入研究，而在具体面积与速度方面，大部分学者都在开关级、门级与系统级等方面展开了深入研究，在那些较为复杂的FPGA功耗模型中，应进一步对FPGA的具体结构参数展开全面探究，来明确不同结构对功耗所产生的影响。FPGA中所应用的大多为SRAM工艺，并且由于卫星移动通信终端只涉及低功耗设计，这就需要以SRAM的FPGA为例进一步探讨低功耗设计技术。而在芯片确定的条件下，系统内部时钟的频率对于FPGA的总体功耗有着十分显著的影响，这是由于时钟信号的开关活动频率最高，有着极高的容性负载，同时时钟信号与处理能力之间也有着集中关系。因此，就需要在确保FPGA基本处理能力不受影响的前提下，采用转变软件设计的方式大幅度降低各大电路中的时钟处理速度，寻找出能够有效降低芯片功耗的方式。

（1）异步技术与门控时钟技术。通过异步技术所形成的异步逻辑电路并没有采用全局时钟，而是通过握手信号的方式对不同模块之间的运作状态进行协调，这使得异步电路在本质上属于一种由数据进行驱动的电路，在没有时钟驱动或是数据信息不变化的情况下，电路并不会工作，这就在降低电路翻转次数的同时，大幅度降低所产生的功耗。而在卫星移动通信终端的实际低功耗设计中，想要实现异步电路有较高的难度，尤其是在一些高速电路中，但对于那些时序要求不严格或是速度较低的设计过程中，异步电路具备着十分显著的优势。而门控时钟设计技术就是在FPGA的设计中，针对每一个较小的功能模块所设置出的时钟控制信号，在程序的具体运转阶段中，可以将那些不参与运算的模块输入至时钟中进行关闭，从而节省功耗的一种设计技术。同时，门控设计技术也是一种直接应用在同步电路中的低功耗设计技术[4]。

（2）并行技术与流水线技术。并行处理技术属于在高速信号处理过程中所采用的一种常用方式，能够将一条数据信息通路中的工作内容进一步分解到多个线路通道中完成，这样每一条数据通路内部的工作效率就可得到提升，从而达到高速处理信号的主要目的。而并行处理技术在卫星移动通信终端低功耗设计中应用的主要目的，就是在确保电路处理能力不受影响的前提下，通过提高电路面积的方式来降低功耗。同时，增加的连线资源与电路面积，也会使得电容提升，在输出端口所采用的二选一电路也会引发部分功耗，但这部分功耗的提升相对于并行处理过后所节约的功耗来说比较小，完全可以忽略不计。而流水线技术在本质上也是一种采用增添面积的方式来提升速度的设计技术，而在电路中插入寄存器，可以将其理解为提升了卫星移动通信终端内部系统的运行速度，也可理解为通过较低的时钟速率来起到相同的处理能力。由于流水线结构在本质上就是将各个功能模块划分为多个工作阶段来展开流水线作业，其中的每一个工作阶段都可以由对应的子模块完成，并且还能够在子模块之间插入对应的寄存器，从而更好地驱动这部分小模块，在低速运转的情况下，每个模块都可以完成对应的工作内容。虽然添加寄存器会提高功耗，但与速度降低产生的功耗消耗相比同样比较小。

3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

[1]王静贤，张景，魏肖，等．卫星5G融合网络架构与关键技术研究[J]．无线电通信技术，2021,47(5):528-534.

[2]刘为，王琳，温文坤，等．卫星移动通信地面终端单跳直通技术方案[J]．中国电子科学研究院学报，2021,16(4):374-385.

[3]徐知辉，夏哲学，韦方明．卫星通信在大数据时代的应用研究[J]．中国新通信，2020,22(11):23.

作者：何辉 单位：南京熊猫汉达科技有限公司