CN105703822B - 一种速率可切换的星载Ka波段数传发射机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种速率可切换的星载Ka波段数传发射机，包括：时钟数据接收模块用于：从外部接收星上数据，所述星上数据包括输入数据信号和输入时钟信号，和将所述输入数据信号传输至所述编码处理模块，将所述输入时钟信号传输至所述速率切换控制模块；速率切换控制模块用于：响应外部切换指令，对所述输入时钟信号处理获得编码时钟控制所述编码处理模块的输出；编码处理模块用于：对所述输入数据信号编码后根据所述编码时钟输出I、Q两路编码后数据至所述调制输出模块；本振模块用于：产生Ka波段本振信号输出至所述调制输出模块；调制输出模块用于：将所述I、Q两路编码后数据与所述Ka波段本振信号进行调制并生成发射信号输出。

Description

一种速率可切换的星载Ka波段数传发射机
技术领域
本发明涉及卫星数传通信技术领域，具体地，涉及一种速率可切换的星载Ka波段数传发射机。
背景技术
星载数传发射机是卫星数据传输链路中的关键设备，它的主要功能是完成星上数据流的信道编码和载波调制。星载数传发射机主要在数据速率和载波频率等方面有所区别。
在卫星数传中，根据卫星载荷类型的不同，数据量较多并且传输频带的带宽较宽时多采用高速数据速率传输，而数据量较小或者传输频带的带宽较窄时多采用低速数据速率传输。数据速率的大小从几十Mbps至几百Mbps不等。
在中低轨卫星中，卫星数传一般常用的载波频段有L频段、S频段和X频段。随着轨道高度和数据速率的提高，对星地链路EIRP(等效全向辐射功率)的要求也更高，因此高轨卫星高速数传对载波频率的要求也提高到更高的Ka波段，但由于Ka波段波长较小，与雨滴尺寸接近，在雨天环境下信号传输将面临十分严重的雨衰效应，往往需要对传输速率进行降额来降低对EIRP值的要求，而目前的星载数传发射机只以一个固定的数据速率传输，不具备速率切换功能，并不能适应这一要求，因此，有必要提出一种可对工作速率进行切换的星载Ka波段数传发射机。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种速率可切换的星载Ka波段数传发射机。
根据本发明提供的一种速率可切换的星载Ka波段数传发射机，包括：时钟数据接收模块、速率切换控制模块、编码处理模块、本振模块和调制输出模块；
所述时钟数据接收模块用于：从外部接收星上数据，所述星上数据包括输入数据信号和输入时钟信号，和
将所述输入数据信号传输至所述编码处理模块，将所述输入时钟信号传输至所述速率切换控制模块；
所述速率切换控制模块用于：响应外部切换指令，对所述输入时钟信号处理获得编码时钟控制所述编码处理模块的输出；
所述编码处理模块用于：对所述输入数据信号编码后根据所述编码时钟输出I、Q两路编码后数据至所述调制输出模块；
所述本振模块用于：产生Ka波段本振信号输出至所述调制输出模块；
所述调制输出模块用于：将所述I、Q两路编码后数据与所述Ka波段本振信号进行调制并生成发射信号输出。
作为一种优化方案，所述速率切换控制模块包括输入时钟切换单元、锁相倍频单元、输出时钟切换单元和模式设置单元；
所述模式设置单元响应所述外部切换指令将所述输入时钟切换单元和所述输出时钟切换单元同时设置为全速率模式或半速率模式，
所述输入时钟切换单元响应所述全速率模式对所述输入时钟信号进行四分频处理，再经由所述锁相倍频单元传输至所述输出时钟切换单元，所述输出时钟切换单元响应所述全速率模式对所述锁相倍频单元的输出时钟进行直通处理并输出至所述编码处理模块；或
所述输入时钟切换单元响应所述半速率模式对所述输入时钟信号进行二分频处理，再经由所述锁相倍频单元传输至所述输出时钟切换单元，所述输出时钟切换单元响应所述半速率模式对所述锁相倍频单元的输出时钟进行二分频处理并输出至所述编码处理模块。
作为一种优化方案，所述锁相倍频单元包括鉴相器、运算放大器和压控振荡器；
所述鉴相器的输入端与所述输入时钟切换单元的输出端相连，输出端与所述运算放大器的输入端相连，所述运算放大器的输出端与所述压控振荡器的输入端相连，
所述压控振荡器的输出端分两路输出：一路为所述锁相倍频单元的输出时钟输出至所述输出时钟切换单元，另一路输出作为反馈信号送回所述鉴相器。
作为一种优化方案，所述输入时钟切换单元包括第一选通器、四分频器、第一二分频器；
所述第一选通器响应所述全速率模式将所述输入时钟信号发送给所述四分频器，所述四分频器将所述输入时钟信号四分频处理后输出至所述锁相倍频单元，或
所述第一选通器响应所述半速率模式将所述输入时钟信号发送给所述第一二分频器，所述第一二分频器将所述输入时钟信号二分频处理后输出至所述锁相倍频单元。
作为一种优化方案，所述输出时钟切换单元包括第二选通器、直通器、第二二分频器；
所述第二选通器响应所述全速率模式将所述锁相倍频单元的输出时钟发送给所述直通器，所述直通器直接将所述锁相倍频单元的输出时钟作为所述编码时钟输出至所述编码处理模块，或
所述第二选通器响应所述半速率模式将所述锁相倍频单元的输出时钟发送给所述第二二分频器，所述第二二分频器将所述锁相倍频单元的输出时钟二分频处理后获得所述编码时钟输出至所述编码处理模块。
作为一种优化方案，所述编码处理模块包括存储单元、编码单元和组帧输出单元；
所述存储单元将所述输入数据信号进行缓存后，去除帧头获得待编码数据传输至所述编码单元，所述编码单元对所述待编码数据进行信道编码后传输至所述组帧输出单元，所述组帧输出单元对编码后的数据组帧，并根据自所述速率切换控制模块接收的编码时钟将组帧后的数据分I、Q两路输出至所述调制输出模块。
作为一种优化方案，所述编码处理模块为具有抗辐指标的SRAM型FPGA电路或反熔丝型FPGA电路。
作为一种优化方案，所述本振模块包括晶振和倍频器；
所述晶振产生130MHz～200MHz范围的基准频率信号，所述倍频器对所述基准频率信号进行195次直接倍频后获得所述Ka波段本振信号输出给所述调制输出模块。
作为一种优化方案，所述调制输出模块包括混频器、滤波器和隔离器；
所述混频器以所述I、Q两路编码后数据为基带信号，以所述Ka波段本振信号为载波信号，进行QPSK调制或OQPSK调制生成已调信号，再通过滤波器带通滤波后经所述隔离器隔离后获得所述发射信号输出。
作为一种优化方案，所述混频器为砷化镓工艺的Ka波段双平衡混频器。
作为一种优化方案，所述时钟数据接收模块包括时钟接口和数据接口；
所述时钟接口用于从外部接收所述输入时钟信号并传输至所述速率切换控制模块，
所述数据接口用于从外部接收所述输入数据信号并传输至所述编码处理模块；
所述时钟接口和所述数据接口都采用低电压差分信号接口；
其中，所述数据接口用于接收4路或4路以上并行数据，所述时钟接口用于接收1路时钟信号。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明采用Ka波段QPSK或OQPSK调制，可用频带较宽，支持300Mbps或更高的数传速率，适用于中高轨卫星的中高速数传应用。本发明还支持全速率和半速率两种工作模式，默认全速率工作模式，在雨天或星地传输链路环境不良时，可发送指令切换到半速率工作模式以保证信道传输质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：
图1是本发明可选的一种速率可切换的星载Ka波段数传发射机的原理框图。
图2是本发明中可选的一种速率切换控制模块的原理框图。
具体实施方式
下文结合附图以具体实施例的方式对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，还可以使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。
在本发明提供的一种速率可切换的星载Ka波段数传发射机的实施例中，如图1所示，包括：时钟数据接收模块、速率切换控制模块、编码处理模块、本振模块和调制输出模块；
所述时钟数据接收模块用于：从外部接收星上数据，所述星上数据包括输入数据信号和输入时钟信号，和
将所述输入数据信号传输至所述编码处理模块，将所述输入时钟信号传输至所述速率切换控制模块；
所述速率切换控制模块用于：响应外部切换指令，对所述输入时钟信号处理获得编码时钟控制所述编码处理模块的输出；
所述编码处理模块用于：对所述输入数据信号编码后根据所述编码时钟输出I、Q两路编码后数据至所述调制输出模块；
所述本振模块用于：产生Ka波段本振信号输出至所述调制输出模块；
所述调制输出模块用于：将所述I、Q两路编码后数据与所述Ka波段本振信号进行调制并生成发射信号输出。
作为一种实施例，所述速率切换控制模块包括输入时钟切换单元、锁相倍频单元、输出时钟切换单元和模式设置单元；
所述模式设置单元响应所述外部切换指令将所述输入时钟切换单元和所述输出时钟切换单元同时设置为全速率模式或半速率模式，
所述输入时钟切换单元响应所述全速率模式对所述输入时钟信号进行四分频处理，再经由所述锁相倍频单元传输至所述输出时钟切换单元，所述输出时钟切换单元响应所述全速率模式对所述锁相倍频单元的输出时钟进行直通处理并输出至所述编码处理模块；或
所述输入时钟切换单元响应所述半速率模式对所述输入时钟信号进行二分频处理，再经由所述锁相倍频单元传输至所述输出时钟切换单元，所述输出时钟切换单元响应所述半速率模式对所述锁相倍频单元的输出时钟进行二分频处理并输出至所述编码处理模块。
作为一种实施例，所述锁相倍频单元包括鉴相器、运算放大器和压控振荡器；
所述鉴相器的输入端与所述输入时钟切换单元的输出端相连，输出端与所述运算放大器的输入端相连，所述运算放大器的输出端与所述压控振荡器的输入端相连，
所述压控振荡器的输出端分两路输出：一路为所述锁相倍频单元的输出时钟输出至所述输出时钟切换单元，另一路输出作为反馈信号送回所述鉴相器。
作为一种实施例，所述输入时钟切换单元包括第一选通器、四分频器、第一二分频器；
所述第一选通器响应所述全速率模式将所述输入时钟信号发送给所述四分频器，所述四分频器将所述输入时钟信号四分频处理后输出至所述锁相倍频单元，或
所述第一选通器响应所述半速率模式将所述输入时钟信号发送给所述第一二分频器，所述第一二分频器将所述输入时钟信号二分频处理后输出至所述锁相倍频单元。
作为一种实施例，所述输出时钟切换单元包括第二选通器、直通器、第二二分频器；
所述第二选通器响应所述全速率模式将所述锁相倍频单元的输出时钟发送给所述直通器，所述直通器直接将所述锁相倍频单元的输出时钟作为所述编码时钟输出至所述编码处理模块，或
所述第二选通器响应所述半速率模式将所述锁相倍频单元的输出时钟发送给所述第二二分频器，所述第二二分频器将所述锁相倍频单元的输出时钟二分频处理后获得所述编码时钟输出至所述编码处理模块。
如图2所述，速率切换控制模块200包括输入时钟切换单元201、锁相倍频单元202、输出时钟切换单元203和模式设置单元204。其中，模式设置单元204根据外部切换指令设置当前速率模式，输出模式控制信号至输入时钟切换单元201和输出时钟切换单元203。该模式控制信号为一数字信号，当信号为1，即高电平时，切换为全速率模式；当信号为0，即低电平时，切换为半速率模式；输入时钟切换单元101、锁相倍频单元202和输出时钟切换单元203依次连接，将输入时钟频率处理为当前速率模式对应的编码时钟，送往编码处理模块300。
作为一种实施例，所述编码处理模块包括存储单元、编码单元和组帧输出单元；
所述存储单元将所述输入数据信号进行缓存后，去除帧头获得待编码数据传输至所述编码单元，所述编码单元对所述待编码数据进行信道编码后传输至所述组帧输出单元，所述组帧输出单元对编码后的数据组帧，并根据自所述速率切换控制模块接收的编码时钟将组帧后的数据分I、Q两路输出至所述调制输出模块。
作为一种实施例，所述编码处理模块为具有抗辐指标的SRAM(静态随机存取存储器)型FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)电路或反熔丝型FPGA电路。
如图1，编码处理模块300包括存储单元301、编码单元302和组帧输出单元303，存储单元301将300Mbps/150Mbps数据进行缓存，去帧头后送往编码单元302，编码单元302对待编码数据完成信道编码，卫星常见的信道编码方式为差分编码、卷积编码和LDPC(低密度奇偶校验码)编码，本实施例中信道编码为LDPC编码，可获得较高的编码增益。组帧输出单元303对编码后数据完成组帧，使用输出时钟切换单元203送入的编码时钟将编码组帧后数据分I、Q两路输出。编码处理模块的功能由FPGA实现，本实施例中选用Actel公司的AX2000系列反熔丝FPGA芯片。
作为一种实施例，所述本振模块包括晶振和倍频器；
所述晶振产生130MHz～200MHz范围的基准频率信号，所述倍频器对所述基准频率信号进行195次直接倍频后获得所述Ka波段本振信号输出给所述调制输出模块。
如图1，本振模块400包括晶振401和倍频器402，晶振401与倍频器402通过高频电缆连接。其中晶振采用恒温晶振，频率精度和稳定度均较好，产生130MHz～200MHz范围的基准频率信号，送入倍频器进行195次直接倍频，最终产生Ka波段本振信号。
作为一种实施例，所述调制输出模块包括混频器、滤波器和隔离器；
所述混频器以所述I、Q两路编码后数据为基带信号，以所述Ka波段本振信号为载波信号，进行QPSK(正交相移键控)调制或OQPSK(偏移四相相移键控)调制生成已调信号，再通过滤波器带通滤波后经所述隔离器隔离后获得所述发射信号输出。
作为一种实施例，所述混频器为砷化镓工艺的Ka波段双平衡混频器。
如图1，调制输出模块500包括混频器501、滤波器502和隔离器503，混频器501、滤波器502和隔离器503通过微带线依次连接。其中，混频器501采用砷化镓工艺的Ka波段双平衡混频器，以前端送入的I、Q两路数据为基带信号，以本振模块400送入的Ka波段本振信号为载波信号，完成QPSK直接调制，生成已调信号，再通过滤波器502完成带通滤波后，送入隔离器503经隔离后对外输出。
作为一种实施例，所述时钟数据接收模块包括时钟接口和数据接口；
所述时钟接口用于从外部接收所述输入时钟信号并传输至所述速率切换控制模块，
所述数据接口用于从外部接收所述输入数据信号并传输至所述编码处理模块；
所述时钟接口和所述数据接口都采用低电压差分信号接口；
其中，所述数据接口用于接收4路或4路以上并行数据，所述时钟接口用于接收1路时钟信号。
时钟数据接收模块100包括时钟接口101和数据接口102，采用LVDS接口形式，接收来自星上的全速率或半速率的时钟数据，将时钟和数据分别送至速率切换控制模块200和编码处理模块300。此本实施例中，全速率模式为：数据速率为4位并行300Mbps，即4×75Mbps，时钟频率为75MHz；半速率模式为：数据速率为4位并行150Mbps，即4×37.5Mbps，时钟频率为37.5MHz。
下面进一步对本发明一种速率可切换的星载Ka波段数传发射机的速率切换控制工作流程进行描述：
在一种实施例中，全速率300Mbps模式下输入时钟为75MHz，半速率150Mbps模式下输入时钟为37.5MHz，而根据LDPC编码和QPSK调制原理，编码后速率维持不变，分I、Q两路输出，即全速率300Mbps模式下I、Q两路速率各为150Mbps，半速率150Mbps模式下I、Q两路速率各为75Mbps，相应地，编码处理模块300中FPGA芯片在编码组帧分I/Q两路输出时需使用与输入时钟同源的150MHz/75MHz时钟，该时钟频率与对应输入时钟频率为二倍频关系。而在卫星应用中，因可靠性考虑通常不使用FPGA内部软件倍频方案，因此需采用由硬件电路组成的锁相倍频电路来完成同源倍频处理。由于锁相倍频电路中的压控振荡器输出频率无法覆盖75MHz～150MHz如此宽的范围，故仅依靠锁相倍频电路无法同时满足两种速率模式的要求。本发明通过速率切换控制模块200解决上述问题，实现速率模式的实时切换，同时又不增加硬件电路规模。
如图2所示，模式设置单元204默认设置为全速率模式，在无指令情况下保持默认设置，在接收到外部切换指令后在全速率/半速率模式之间切换设置，同时根据当前设置的速率模式，输出相应的模式控制信号至输入时钟切换单元201和输出时钟切换单元203。输入时钟切换单元201包括1个选通器、1个四分频器和1个二分频器，选通器接收模式控制信号，在300Mbps模式下将75MHz输入时钟送入四分频器；在150Mbps模式下将37.5MHz输入时钟送入二分频器，输入时钟切换单元201在300Mbps/150Mbps模式下生成相同的18.75MHz子时钟送至锁相倍频单元202。锁相倍频单元202在300Mbps/150Mbps模式下保持相同状态，其中鉴相器配置为八倍频鉴相状态，压控振荡器输出频率范围为145MHz～155MHz，当鉴相器锁定后，压控振荡器最终稳定输出150MHz时钟，送入输出时钟切换单元203。输出时钟切换单元203包括1个选通器、1个二分频器和1个直通器，选通器接收模式控制信号，在300Mbps模式下将所述150MHz时钟送入直通器；在150Mbps模式下将所述150MHz时钟送入二分频器，输出时钟切换单元203在300Mbps/150Mbps模式下生成150MHz/75MHz编码时钟送至组帧输出单元303。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种速率可切换的星载Ka波段数传发射机，其特征在于，包括：时钟数据接收模块、速率切换控制模块、编码处理模块、本振模块和调制输出模块；
所述时钟数据接收模块用于：从外部接收星上数据，所述星上数据包括输入数据信号和输入时钟信号，和
将所述输入数据信号传输至所述编码处理模块，将所述输入时钟信号传输至所述速率切换控制模块；
所述速率切换控制模块用于：响应外部切换指令，对所述输入时钟信号处理获得编码时钟控制所述编码处理模块的输出；
所述编码处理模块用于：对所述输入数据信号编码后根据所述编码时钟输出I、Q两路编码后数据至所述调制输出模块；
所述本振模块用于：产生Ka波段本振信号输出至所述调制输出模块；
所述调制输出模块用于：将所述I、Q两路编码后数据与所述Ka波段本振信号进行调制并生成发射信号输出。
2.根据权利要求1所述的一种速率可切换的星载Ka波段数传发射机，其特征在于，所述速率切换控制模块包括输入时钟切换单元、锁相倍频单元、输出时钟切换单元和模式设置单元；
所述模式设置单元响应所述外部切换指令将所述输入时钟切换单元和所述输出时钟切换单元同时设置为全速率模式或半速率模式，
所述输入时钟切换单元响应所述全速率模式对所述输入时钟信号进行四分频处理，再经由所述锁相倍频单元传输至所述输出时钟切换单元，所述输出时钟切换单元响应所述全速率模式对所述锁相倍频单元的输出时钟进行直通处理并输出至所述编码处理模块；或
所述输入时钟切换单元响应所述半速率模式对所述输入时钟信号进行二分频处理，再经由所述锁相倍频单元传输至所述输出时钟切换单元，所述输出时钟切换单元响应所述半速率模式对所述锁相倍频单元的输出时钟进行二分频处理并输出至所述编码处理模块。
3.根据权利要求2所述的一种速率可切换的星载Ka波段数传发射机，其特征在于，所述锁相倍频单元包括鉴相器、运算放大器和压控振荡器；
所述鉴相器的输入端与所述输入时钟切换单元的输出端相连，输出端与所述运算放大器的输入端相连，所述运算放大器的输出端与所述压控振荡器的输入端相连，
所述压控振荡器的输出端分两路输出：一路为所述锁相倍频单元的输出时钟输出至所述输出时钟切换单元，另一路输出作为反馈信号送回所述鉴相器。
4.根据权利要求2所述的一种速率可切换的星载Ka波段数传发射机，其特征在于，所述输入时钟切换单元包括第一选通器、四分频器、第一二分频器；
所述第一选通器响应所述全速率模式将所述输入时钟信号发送给所述四分频器，所述四分频器将所述输入时钟信号四分频处理后输出至所述锁相倍频单元，或
所述第一选通器响应所述半速率模式将所述输入时钟信号发送给所述第一二分频器，所述第一二分频器将所述输入时钟信号二分频处理后输出至所述锁相倍频单元。
5.根据权利要求2所述的一种速率可切换的星载Ka波段数传发射机，其特征在于，所述输出时钟切换单元包括第二选通器、直通器、第二二分频器；
所述第二选通器响应所述全速率模式将所述锁相倍频单元的输出时钟发送给所述直通器，所述直通器直接将所述锁相倍频单元的输出时钟作为所述编码时钟输出至所述编码处理模块，或
所述第二选通器响应所述半速率模式将所述锁相倍频单元的输出时钟发送给所述第二二分频器，所述第二二分频器将所述锁相倍频单元的输出时钟二分频处理后获得所述编码时钟输出至所述编码处理模块。
6.根据权利要求1所述的一种速率可切换的星载Ka波段数传发射机，其特征在于，所述编码处理模块包括存储单元、编码单元和组帧输出单元；
所述存储单元将所述输入数据信号进行缓存后，去除帧头获得待编码数据传输至所述编码单元，所述编码单元对所述待编码数据进行信道编码后传输至所述组帧输出单元，所述组帧输出单元对编码后的数据组帧，并根据自所述速率切换控制模块接收的编码时钟将组帧后的数据分I、Q两路输出至所述调制输出模块。
7.根据权利要求6所述的一种速率可切换的星载Ka波段数传发射机，其特征在于，所述编码处理模块为具有抗辐指标的SRAM型FPGA电路或反熔丝型FPGA电路。
8.根据权利要求1所述的一种速率可切换的星载Ka波段数传发射机，其特征在于，所述本振模块包括晶振和倍频器；
所述晶振产生130MHz～200MHz范围的基准频率信号，所述倍频器对所述基准频率信号进行195次直接倍频后获得所述Ka波段本振信号输出给所述调制输出模块。
9.根据权利要求1所述的一种速率可切换的星载Ka波段数传发射机，其特征在于，所述调制输出模块包括混频器、滤波器和隔离器；
所述混频器以所述I、Q两路编码后数据为基带信号，以所述Ka波段本振信号为载波信号，进行QPSK调制或OQPSK调制生成已调信号，再通过滤波器带通滤波后经所述隔离器隔离后获得所述发射信号输出。
10.根据权利要求9所述的一种速率可切换的星载Ka波段数传发射机，其特征在于，所述混频器为砷化镓工艺的Ka波段双平衡混频器。
11.根据权利要求1所述的一种速率可切换的星载Ka波段数传发射机，其特征在于，所述时钟数据接收模块包括时钟接口和数据接口；
所述时钟接口用于从外部接收所述输入时钟信号并传输至所述速率切换控制模块，
所述数据接口用于从外部接收所述输入数据信号并传输至所述编码处理模块；
所述时钟接口和所述数据接口都采用低电压差分信号接口；
其中，所述数据接口用于接收4路或4路以上并行数据，所述时钟接口用于接收1路时钟信号。
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