Entwurf eines SDR-Satellitenmodems für Breitbandverbindungen

Der Kunde

Ein europäisches Unternehmen, das sich auf Software für das Bodensegment der Satellitenkommunikation spezialisiert hat und mit Geräteherstellern und Anbietern von Breitband- und Multimediadiensten zusammenarbeitet.  

 

Die Herausforderung

Entwicklung einer Hardware- und Softwareplattform für ein Satellitenmodem. Der Kunde wollte seine Produktlinie zusätzlich zur ursprünglichen Markenlösung um eine neue Hardwarelösung erweitern. 

 

Die Lösung

Wir haben das Gerät in einem kompakten 1U-Formfaktor entworfen, indem wir es in eine digitale und eine analoge Platine aufgeteilt haben. Dieser Ansatz gewährleistet ein Höchstmaß an Flexibilität: Um die Funktionalität des Geräts zu skalieren, muss nur die analoge Frontend-Platine getauscht werden. 

Wir haben uns für Zynq Ultrascale+ als Entwicklungsplattform entschieden. Für die Implementierung der Funktionalität haben wir das Linux-Betriebssystem und programmierbare Logik verwendet.

Unsere Ingenieure haben ein dediziertes Frontend mit Hochgeschwindigkeits-ADC/DAC-Wandlern und modernen Hochfrequenz-Analogmodulatoren/Demodulatoren entwickelt.

Blockdiagramm:


Vier 10G-Schnittstellen und das DPDK-Framework ermöglichen einen Hochgeschwindigkeits-Datenaustausch zwischen Server und Gerät. Die Datenübertragung erfolgt über ein speziell entwickeltes MCP-Protokoll, das eine zuverlässige Datenübertragung über UDP gewährleistet.
 


 

Für die Entwicklung des Modems und der Steuerungssoftware haben wir MATLAB/Simulink verwendet.

Das Systemmodell wurde mittels modellbasiertem Entwurf implementiert, d.h. das Kommunikationssystem wurde vollständig in Simulink mit anschließender HDL-Codegenerierung implementiert. Daraus ergaben sich folgende Vorteile:

  • Schneller Entwurf und Verifizierung
  • Verarbeitung mehrerer ADC-Abtastwerte pro Taktzyklus (Parallelisierung, Unrolling, Pre-calc)
  • Sanfte Umwandlung in einen Festpunkt
  • Kanalmodell
  • BER-Bewertung in der Entwurfsphase
     


Unsere Ingenieure haben auch neue Ansätze für die AGC-Implementierung und die Kalibierung des analogen Frontends getestet. Wir haben das AGC-Subsystem in Form eines Simulink-Modells implementiert, aus dem der HDL-Code generiert wurde.

Benutzte Werkzeuge:
  • Simulink Stateflow
  • HDL-Coder
  • AXI4-Lite Write Master-Modell
     

 

Hardwareblöcke im Demodulator (LTC5586), DAC (DAC37J82) und ADC (ADS54J60) kompensieren die folgenden Effekte:

  • IQ-Ungleichgewicht auf dem Empfangsweg
  • IQ-Ungleichgewicht in der Übertragungsstrecke
  • Trägerunterdrückung
  • Gruppenverzögerung

Um die optimalen Parameter für den angegebenen Betriebsmodus zu ermitteln, wurde die Surrogat-basierte Optimierung verwendet. Als Parameterraum dienten Chip-Register. Zielfunktionen waren die Unterdrückung des Spiegelkanals TX & RX und eines Trägerkanals.
 


Um das Gerät zu konfigurieren und die Signalparameter zu messen, haben wir eine grafische Anwendung entwickelt.

 

Der Geschäftswert

Der Kunde erhielt ein Satellitenmodem mit folgenden Merkmalen:

  • Frequenzbereich: 300 MHz - 2 GHz
  • Bandbreite: bis zu 500 MHz
  • ZERO-IF-Schema
  • Zwei Empfangspfade (ADC 1Gsps) und ein Sendepfad (1xDAC 1,5Gsps)
  • 4 х 10G-Ethernet für die Datenübertragung
  • Plattform: Zynq Ultrascale+

Unterstützte Betriebsarten:

  • Phasenumtastung (PSK), QAM
  • Fehlerkorrektur mit LDPC und Faltungscode

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