便携卫星通信终端的动态电源管理设计
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【摘要】在便携卫星通信终端应用方面，功耗是决定其使用效能的关键因素。为了有效降低便携卫星通信终端开机工作状态下的平均功耗，延长设备在电池供电情况下的工作时间，本文结合终端的硬件系统组成及技术特性，提出了动态电源管理的设计思路。通过在终端不同工作状态下的动态电源管理，实现了终端开机工作状态下功耗的动态调整，使装备使用时能有效提高电源的利用率、降低了不必要的能量消耗。
【关键词】便携卫星通信终端；低功耗；动态电源管理
1.引言
便携卫星通信终端一般是为满足特定应用需求而设计的，对成本、重量、体积、功耗有较为苛刻的要求，执行通信任务时多处于供电能源较为稀缺的野外环境，通常采用电池供电。随着使用需求的不断提高，便携卫星通信终端除了提供语音、短消息、数据通信等基本功能外，还要支持多媒体和网络的应用。复杂的通信处理、多媒体音视频处理等高性能要求需要更大的能量消耗，有限的电池容量限制了终端的使用时间[1]。如何提高终端的电源利用率、降低不必要的能量消耗，成为便携卫星通信终端首要解决的问题。在采用低功耗硬件设计的前提下，设备工作过程中的低功耗控制技术是提高电源利用率、减小平均能耗的最佳手段。本文结合便携卫星通信终端的硬件系统及技术特性，设计实现了终端的动态电源管理，通过动态调整终端在不同工作状态下的功耗，实现了终端在电池供电情况下的低功耗控制。
2.硬件系统组成
本文所涉及的便携卫星通信终端的硬件系统组成如图1所示。
终端的硬件系统设计基于软件无线电的思想，采用CPU+FPGA为核心框架构建一个开放性、标准化、模块化的通用卫星通信平台，通过软件的重载和配置可实现多种卫星组网方式、调制解调方式、信道编译码方式。配置有视频编解码器、话音处理模块及IP处理模块，支持话音、视频、IP及数据等综合业务的接入。
CPU运行VxWorks嵌入式实时操作系统，主要完成组网控制和业务接入、通信协议处理、终端监控（WEB）等功能；FPGA对并行信号处理有较好的支持，适合进行高速数字信号实时处理，主要完成基带调制解调算法、信道编译码及A/D、D/A和收、发中频通道的控制等功能，此外CPU与视频编解码器、话音处理模块间的业务和控制数据的交换也通过FPGA实现；IP处理模块的业务数据与CPU直接交换，控制数据通过FPGA与CPU进行交换。
3.低功耗控制技术相关研究
终端系统的总功耗由动态功耗和静态功耗组成[2]。动态功耗是电路开关或者数字逻辑状态翻转时产生的，在总功耗中占据了较大的比重；静待功耗也称为漏电功耗，主要是晶体管未发生转换时电流泄漏而产生的功耗。系统的总功耗可以简单地用典型功耗计算模型表述：
式中C为负载电容的大小，fc为电路工作时的开关频率，Vdd为供电电压，IQ为静态漏电流。
由计算模型可以看出，在硬件电路设计状态确定的情况下，降低工作电压和工作频率可以有效地降低系统的动态功耗[3]。当前卫星通信终端功能和性能要求不断的提高，系统硬件电路的复杂度也随之增加，静态功耗在系统总功耗中的比重也不容忽视，因此，进行平台硬件设计时，在满足性能的情况下应选择最简化电路结构和低功耗芯片实现。
此外，在便携卫星终端的设计中，一个较为普遍的低功耗控制技术就是动态电源管理（DPM）[4]。引入电源管理并不能直接降低设备满负荷工作时的功耗，它是通过一定的控制管理策略，动态配置设备实时工作状态，使之以最少的组件和最小的工作负荷达到所要求的功能。通过合理的组织应用达到设备长时间工作时平均功耗的降低，可有效提升在电池供电情况下设备的续航能力。电源管理主要通过关闭芯片或电路的电源、工作时钟或设置芯片进入休眠模式等方法达到降低功耗的目的。
4.终端电源管理设计
终端CPU软件设计有专门的电源管理进程，根据终端的工作状态和工作参数选择不同的电源控制策略。CPU发起电源控制并将控制信息传送给FPGA，FPGA将接收的电源管理控制信息进行解析生成直接面向受控模块或电路的控制信号，实现对其内部模块和电路的电源管理控制。终端的电源管理系统框架如图2所示。
在应用时，便携卫星通信终端根据信道和业务连接的情况分可分为正常工作、空闲、待机三个状态，正常工作状态是指终端在入网情况下进行载波收发和业务通信，空闲是指终端仅维持入网状态，当前没有业务通信，处于空闲；待机是指终端没有业务通信且不需维持入网处于退网的状态，在此状态下终端大部分电路单元都处于低功耗或者关闭状态。此时，时钟源、CPU、FPGA构成的电源管理控制系统正常工作，CPU除电源管理进程和WEB监控程序外的其它程序全部挂起，当有业务通信或入网认证需求时，CPU通过响应监控输入的中断请求重新唤醒系统。
不同工作状态间的转换如图3所示。
不同工作状态下的电源控制方案：
（1）正常工作状态
正常工作状态下，通信终端始终保持载波的发送接收，卫星信道发送接收支路电路的电源应全部打开，调制解调基带时钟工作，A/D、D/A芯片工作，可根据业务通信的情况，动态低选择关闭话音处理模块电源、视频编解码器电源或IP处理模块电源。
（2）空闲状态
空闲状态下，通信终端没有通信业务，业务相关电路电源可全部关闭，CPU相应的通信业务端口也应通过软件设置关闭，且程序中的业务数据处理进程也应挂起。此外，终端维持入网状态时仅接收网络主站广播信息，在没有业务触发的情况下，没有载波发送，因此在空闲状态下，卫星信道的发送支路电源关闭，调制基带时钟关闭，D/A芯片休眠。
（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，卫星信道发送接收支路电源关闭，A/D、D/A芯片休眠，时钟管理芯片休眠（调制、解调、信道编码时钟中断），终端处于最低功耗状态。
不同工作状态下终端的功耗统计：
在终端直流12V（电池供电一般为14.4V）输入的条件下，测试了不同工作状态下终端功耗，表1为测试结果。
由表1可以看出，采用动态电源管理设计，终端的功耗可在6W～38.4W范围内动态调整，为便携卫星通信终端系统工作时的低功耗控制提供了很好的支撑。
5.结束语
通过对便携卫星通信终端硬件系统和技术特性的分析，提出了针对终端不同工作状态的电源管理控制策略，实现了终端的动态功耗管理。通过不同工作状态下的功耗测试结果验证了终端动态电源管理设计思路的可行性、正确性及有效性，为其它类似采用电池供电的便携卫星设备的系统电源管理设计提供了一种设计参考。
参考文献
[1]朱超军.嵌入式设备动态电源管理初探[J].中国新技术新产品，2010（6）.
[2]杨丰.一种LTE终端空闲状态的低功耗技术[J].广东通信技术，2011（9）.
[3]张杰.一种低功耗手持终端的基带单元硬件平台的设计[J].数字技术与应用，2012（5）.
[4]邓华，邱开林.一种动态电源管理预测算法的设计及仿真[J].现代电子技术，2012（13）.