CN106571864B - 一种基于软件无线电的飞行器通用多模信息处理机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于软件无线电的飞行器通用多模信息处理机。该多模信息处理机包括主控模块、射频模块、信号处理模块，主控模块发送中继模式选择指令和直通模式切换指令至信号处理模块和射频模块，信号处理模块和射频模块根据中继模式选择指令加载不同的可执行程序，并切换不同的射频通道，支持通过采用不同信号体制的两种中继卫星进行中继通信，根据直通模式切换指令，支持飞行器与地面测控设备之间的直接通信或者飞行器与中继卫星之间的通信。本发明提高了信息处理机的可用性和鲁棒性，增加了信息处理机的通用性，缩短研制周期。

Description

一种基于软件无线电的飞行器通用多模信息处理机

技术领域

本发明涉及一种基于软件无线电的飞行器通用多模信息处理机，应用于高速飞行器的无线数据传输，属于无线数据传输领域。

背景技术

通过高速飞行器与地面之间的无线数据传输，可以实现向飞行器发送各类上行指令，并将飞行器的遥测数据下传的功能。信息处理机是数据传输系统在飞行器上的关键设备，完成信号收发和数据处理功能，具体包括接收通道的下变频、解调、译码，以及发射通道的成帧、编码、数字调制、上变频等，如图1所示。

现有飞行器上装备的无线传输系统主要包括遥测系统和卫星中继传输系统。其中遥测系统常采用PCM-FM体制，实现将飞行器参数向地面实时下传的功能，不支持上行指令的传输。对于采用卫星中继的传输系统，可通过某一类在轨卫星实现地面与飞行器之间的中继传输，可实现前、返向通信，通信速率一般较低，支持少量关键指令和参数的上传、下传。

随着飞行器技术的发展，飞行器的智能化程度越来越高，对飞行器与地面之间、甚至多个飞行器之间信息交互的需求越来越强烈，而各类飞行器的研制周期却比以往大大缩短。传统数据传输系统的设计思路，不足以满足较高速率、高可靠的数据传输的需求，也难以适应快节奏的研制进度。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供基于软件无线电的飞行器通用多模信息处理机，该多模信息处理机能够支持飞行器与地面测控设备之间的直接通信，并支持通过两种采用不同信号体制的中继卫星进行中继通信，其中飞行器与地面之间的直通模式能够提供较高的通信速率，卫星中继通信模式能够在非视距情况下提供通信保障。

本发明的技术解决方案是：一种基于软件无线电的飞行器通用多模信息处理机，该信息处理机包括主控模块、射频模块、信号处理模块，其中，

主控模块，完成外部供电到内部供电的隔离转换，为其他模块提供二次电源供电；上电时，发送中继模式选择指令至信号处理模块和射频模块；工作过程中，根据与地面测控设备是否存在直视链路，发送直通模式切换指令至信号处理模块；解析信号处理模块发送的上行信息，得到上行控制指令转发给相关设备，接收外部设备发送的需要下传的数据，形成下行信息发送给信号处理模块；

信号处理模块，预存A卫星中继模式加直通模式信号处理程序和B卫星中继模式加直通模式信号处理程序；在上电时，根据中继模式选择指令加载A卫星中继模式加直通模式信号处理程序或者B卫星中继模式加直通模式信号处理程序；上电后，根据中继模式选择指令和直通模式切换指令对射频模块发送的卫星中继模式中频信号和/或直通模式中频信号进行采样、解调、解扩、译码得到上行信息，转发给主控模块；对下行信息进行编码、扩频、调制、上变频，得到相应的卫星中继模式射频信号和/或直通模式射频信号发送给发射机，由发射机发送至A中继卫星、B中继卫星或者地面测控设备，所述A中继卫星和B中继卫星表示采用不同通信体制的任意两种中继卫星；

射频模块，包括直通模式下变频通道和卫星中继模式下变频通道，直通模式下变频通道用于接收地面测控设备发送的上行信号，将其进行下变频、滤波、自动增益控制，得到直通模式中频信号，输出给信号处理模块；卫星中继模式下变频通道，根据中继模式选择指令，配置卫星中继模式下变频通道，接收中继卫星射频信号，对其进行下变频、滤波、自动增益控制，得到卫星中继模式中频信号，并输出给信号处理模块。

所述卫星中继模式下变频通道包括射频单元和中频单元两个部分，其中：

射频单元，包括射频放大器、射频通路开关、A中继卫星射频滤波器、B中继卫星射频滤波器、混频器、可控本振源，中继卫星射频信号经过射频放大器放大，然后，由射频通路开关选通，在A中继卫星射频滤波器或者B中继卫星射频滤波器中进行滤波，滤波后的信号与可控本振源输出的本振信号进行混频得到中频信号，输出至中频单元，所述A中继卫星射频滤波器和B中继卫星射频滤波器的滤波特性根据A中继卫星和B中继卫星的信号体制设计，射频开关的选通状态和可控本振源输出的本振信号频率由中继模式选择指令动态配置；

中频单元，包括第一中频滤波器、第一中频放大器、可变增益放大器、第二中频滤波器、第二中频放大器，对射频单元输出的指定频率的中频信号进行滤波、放大、自动增益处理，之后，再滤波、放大得到稳定电平的卫星中继模式中频信号发送至信号处理模块。

所述信号处理模块采用FPGA实现。

所述信号处理模块还预存引导程序，FPGA上电之后，自动加载引导程序，由引导程序接收主控模块发送的中继模式选择指令，加载A卫星中继模式加直通模式信号处理程序或者B卫星中继模式加直通模式信号处理程序。

所述主控模块和信号处理模块采用RapidIO总线传输上行信息数据和下行信息数据。

所述处理机采用Open VPX架构，各模块采用标准的VPX板卡实现，各模块间通过背板进行连接。

所述主控模块在工作过程中，根据预装订参数向信号处理模块发送直通模式切换指令，在A或B卫星中继模式与直通模式之间进行切换。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明采用软件无线电设计思路，能够在标准化的硬件平台上通过软件配置实现A卫星中继模式加直通模式信号处理，以及B卫星中继模式加直通模式信号处理，增加了信息处理机的通用性，缩短研制周期。

(2)、本发明在同一个任务执行过程中，支持飞行器与地面测控设备之间的双向通信和/或飞行器与中继卫星之间的双向通信多种模式的动态切换，多种模式共存提高了系统的可用性和鲁棒性。

(3)、本发明射频接收通道中，两种不同信号体制的射频信号采用不同的电路进行滤波，通过配置不同的本振信号将不同中继卫星信号下变频至同一频率的中频信号，之后，共用中频滤波、放大和自动增益控制电路，大大地减小了电路面积，节约了成本。

(4)、本发明主控模块和信号处理模块之间采用RapidIO总线传输上行信息数据和下行信息数据，大大提高了设备内部信息传输速率。

(5)、本发明采用Open VPX架构、各模块采用标准的VPX板卡实现，可以通过扩展其他板卡或加载不同的软件，快速支持其他功能，具备很强的可维护性和可扩展性。

附图说明

图1为现有信息处理机功能简要框图；

图2为本发明多模信息处理机组成示意图；

图3为本发明实施例主控模块原理框图；

图4为本发明实施例射频板卡卫星中继模式下变频通道原理示意图；

图5为本发明实施例射频板卡直通模式下变频通道原理示意图；

图6为本发明实施例各板卡接插件示意图；

图7为本发明实施例信号处理板卡接收通道示意图；

图8为本发明实施例信号处理板卡发射通道示意图；

图9为本发明实施例各板卡的接插件示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明进行详细描述。

在飞行器的飞行过程中，通过与地面之间的双向通信，实现接收各类上行指令，并将飞行器的遥测数据下传的功能。当飞行器飞行距离较远，与地面之间不存在直视链路时，需利用卫星中继实现双向通信，从而提供全程通信能力。由于不同种类中继卫星的覆盖范围不同，提供对于多种卫星中继模式的支持，能够大大提高系统的通用性。因此，需要一种多模信息处理机，为飞行器的全程通信提供支撑。

一种多模信息处理机需要同时具备多种模式的通信能力，具体包括但不局限于：飞行器与地面之间直通模式、A类卫星中继模式、B类卫星中继模式。飞行器与地面之间直通模式是指该多模信息处理机能够与地面测控设备进行双向数据传输，地面测控设备可以使用较高增益的天线，可提供较高的传输速率；卫星中继模式：是指多模信息处理机通过A类、B类卫星中继进行双向通信，能够在直通模式超出视距范围时提供通信保障；A类中继卫星和B类中继卫星的覆盖范围不同，且采用不同的通信体制，包括接收信号频率、通信速率、调制解调方式、编码方式、发射信号频率均不同，比如：A中继卫星采用BPSK调制和卷积编码，信号带宽为6MHz，B中继卫星采用QPSK调制和级联编码，信号带宽为10MHz。

如图2所示，多模信息处理机采用模块化设计和软件无线电方案，以下结合某多模信息处理机具体实现，对上述各个模块作进一步的说明。该多模信息处理机主要包括主控板卡、射频板卡、信号处理板卡分别对应实现主控模块、射频模块、信号处理模块的功能。

1、主控板卡

多模信息处理机采用软件无线电技术，搭建一个通用的硬件平台，通过软件配置即可实现不同的通信模式和功能，并具备快速兼容其他通信制式的能力。主控板卡是核心。信息处理机上电时，主控板卡发送中继模式选择指令至信号处理模块和射频模块；工作过程中，主控板卡根据与地面测控设备之间是否存在直视链路，发送直通模式切换指令至信号处理模块。

如图3所示，主控板卡将外部输入的28V信号，转换成5V、3.3V等供电信号，输出到本板卡及其他板卡，为本板卡和其他模块提供二次电源供电。其次，主控板卡提供多路1553B接口、LVDS接口、RS422接口及开关量接口，实现与外部设备的信息交互，包括解析信号处理板卡发送的上行信息，得到上行控制指令转发给相关设备，接收外部设备发送的需要下传的遥测数据，按照约定的协议编帧之后，形成下行信息发送给信号处理板卡。主控板卡与信息处理机内部其他板卡之间的通信采用RapidIO高速串行总线、CAN总线、I2C总线实现，其中RapidIO总线传输速率不低于1.25Gbps，用于主控板卡与信号处理板卡、主控板卡与射频板卡的上行和下行高速数据传输，提供较高的通信速率，降低设备内部通信时延；CAN总线用于主控板卡与信号处理板卡、主控板卡与射频板卡的控制指令的传输，可靠性较高；I2C总线用于收集信号处理板卡和射频板卡的工作状态和自测试信息，通过下行链路传输至地面测控设备或者发送给飞行器上的控制系统。

2.射频模块

由于直通模式和卫星中继通信模式的接收信号电平动态范围不同，射频板卡包含了直通模式下变频通道和卫星中继通信模式下变频通道。

如图4所示，射频板卡直通模式下变频通道用于接收地面测控设备发送的上行信号，将其进行下变频、滤波、自动增益控制，得到140MHz地面测控中频信号，输出给信号处理板卡。采用两级可变增益放大器级联，可以适应更大的信号动态范围。射频板卡根据来自主控板卡的指令，通过软件配置的方式可以改变本振频率，从而适应不同的通信频率。

如图5所示，射频板卡中继卫星通信下变频通道，根据来自主控板卡的中继模式选择指令，通过软件配置的方式改变本振频率和射频通道开关的选通，配置中继卫星通信下变频通道，接收中继卫星信号射频信号，对其进行下变频、滤波、自动增益控制，得到140MHz中继中频信号，并输出给信号处理模块。

中继卫星通信下变频通道包括射频单元和中频单元两个部分，其中：

射频单元，包括射频放大器、射频通路开关、A中继卫星射频滤波器、B中继卫星射频滤波器、混频器、可控本振源，中继卫星射频信号经过射频放大器放大，然后，通过射频通道开关选择A或B卫星中继通信模式的滤波器，在A中继卫星射频滤波器或者B中继卫星射频滤波器中进行滤波，滤波后的信号与可控本振源发出的本振信号进行混频得到中频信号，输出至中频单元，所述A中继卫星射频滤波器和B中继卫星射频滤波器的滤波特性根据A中继卫星和B中继卫星的信号体制设计，射频并关的选通状态和可控本振源发出的本振信号频率由中继模式选择指令动态配置；

中频单元，包括第一中频滤波器、第一中频放大器、可变增益放大器、第二中频滤波器、第二中频放大器，对射频单元输出的指定频率的中频信号进行滤波、放大、自动增益处理，之后，再滤波、放大得到稳定电平的140MHz中频信号发送至信号处理模块。

射频板卡还对滤波器、混频器等关键芯片的工作电压、温度、状态等信息进行收集，并通过I2C总线上报给主控板卡。

3、信号处理板卡

本发明中的多模信息处理机支持飞行器与地面测控设备之间的直接通信，并支持通过A类、B类卫星进行中继通信。

信号处理板卡采用FPGA，A/D、D/A芯片，以及正交数字上变频的方案。选用FLASH作为FPGA的外部配置存储器，分别设计引导程序、A卫星中继模式加直通模式信号处理程序和B卫星中继模式加直通模式信号处理程序，并分别生成各自的bit文件通过JTAG接口烧写到FLASH存储器的不同区域，其中引导程序的bit文件存放在FLASH存储器的开始位置，即bitstream1区域，其它程序的bit文件依次分别存放到bitstream2和bitstream3区域。

FPGA上电后自动加载FLASH存储器中bitstream1区域的比特流(引导程序)，并通过比特流对FPGA的各个逻辑单元进行配置，配置完成后开始运行引导程序，引导程序具有响应外部指令的能力。上电后，引导程序根据主控模块发送的中继模式选择指令加载A卫星中继模式加直通模式信号处理程序或者B卫星中继模式加直通模式信号处理程序。具体为：当收到的中继模式选择指令表示加载A卫星中继模式加直通模式信号处理程序时，控制内部ICAP IP核从bitstream2区域加载比特流，并通过比特流对FPGA的各个逻辑单元进行配置。当收到的中继模式选择指令表示加载B卫星中继模式加直通模式信号处理程序时，控制ICAP IP核从bitstream3区域加载比特流，并通过比特流对FPGA的各个逻辑单元进行配置，从而实现在不增加硬件资源的情况下，通过加载不同的配置程序，实现不同的功能。FPGA动态加载的示意图如图6所示。

上电后，信号处理板卡完成多种通信模式前、返向链路的信号处理工作；信号处理板卡接收来自射频板卡的140MHz的直通模式中频信号和卫星中继模式中频信号，根据中继模式选择指令和直通模式切换指令对射频模块发送的中频信号，进行A/D采样、数字下变频、解调、译码等处理，得到上行信息，将上行信息通过RapidIO总线传输给主控板卡；信号处理板卡通过RapidIO总线接收来自主控板卡的下行信息，对下行信息进行编码、数字调制、D/A变换、调制、上变频等处理，得到相应的射频信号发送给发射机，由发射机发射至A中继卫星、B中继卫星或者地面测控设备，所述A中继卫星和B中继卫星表示采用不同通信体制的任意两种中继卫星，信号处理板卡通过CAN总线接收来自主控板卡的中继模式选择指令，通过软件选择通信速率、调制解调方式、编码方式、信号发射频率等参数，适应不同中继卫星的信号处理需求。此外，信号处理板卡还对关键芯片的工作电压、温度、状态等信息进行收集，并通过I2C总线上报给主控板卡。所述直通模式切换指令可通过装订的方式进行选择，在飞行过程中，根据装订参数，主控板卡发出指令，在直通模式与卫星中继模式之间进行切换。

如图7所示，信号处理板卡接收通道利用A/D芯片直接对中频模拟信号进行采样，对中频采样信号进行数字中频处理(即数字下变频)，得到基带I、Q路信号，再进行解调、译码等处理。

如图8所示，信号处理板卡发射通道采用数字上变频方案，直接将基带信号调制到射频频段，省去超外差发射架构中的放大器、滤波器、混频器等。将I、Q两路数据分别送入双通道D/A芯片，输出两路模拟中频发送至宽带正交调制器，继而得到射频发射信号。其中正交调制器的本振信号由PLL电路提供，本振频率可利用软件调节，从而适应不同通信模式的信号发射。

多模信息处理机采用3U 4槽VPX机箱，遵循OPEN VPX协议，各板卡间通过背板进行连接，可在机箱内进行单板的更换，以扩展不同的功能。并可扩展其他板卡，以实现加解密、飞行器组网等功能。其中，主控板卡选用标准VPX接插件，其他板卡选用数模混装的VPX接插件，各板卡的接插件示意图如图9所示。各板卡接口进行标准化、统一化设计，其中接插件的P0模块用于传输电源信号和CAN总线信号；P1模块用于x2Lane(含两组发送、两组接收)RapidIO高速串行总线和I2C总线；P2模块用于LVDS和RS422等串行接口(主控板卡)或射频接口(信号处理板卡、射频板卡和扩展板卡)。由于各板卡接口进行标准化、统一化设计，能够支持板卡更换和互换。

本发明中的多模信息处理机，可以支持飞行器与地面之间的直接通信，以及通过A类、B类卫星进行中继通信，提高了该传输系统的可用性、可靠性，并且通过更新软件和扩展板卡的方式，能够快速兼容其他通信模式和扩展额外的功能。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种基于软件无线电的飞行器通用多模信息处理机，其特征在于包括主控模块、射频模块、信号处理模块，其中，

主控模块，完成外部供电到内部供电的隔离转换，为其他模块提供二次电源供电；上电时，发送中继模式选择指令至信号处理模块和射频模块；工作过程中，根据与地面测控设备是否存在直视链路，发送直通模式切换指令至信号处理模块；解析信号处理模块发送的上行信息，得到上行控制指令转发给相关设备，接收外部设备发送的需要下传的数据，形成下行信息发送给信号处理模块；

信号处理模块，预存A卫星中继模式加直通模式信号处理程序和B卫星中继模式加直通模式信号处理程序；在上电时，根据中继模式选择指令加载A卫星中继模式加直通模式信号处理程序或者B卫星中继模式加直通模式信号处理程序；上电后，根据中继模式选择指令和直通模式切换指令对射频模块发送的卫星中继模式中频信号和/或直通模式中频信号进行采样、解调、解扩、译码得到上行信息，转发给主控模块；对下行信息进行编码、扩频、调制、上变频，得到相应的卫星中继模式射频信号和/或直通模式射频信号发送给发射机，由发射机发送至A中继卫星、B中继卫星或者地面测控设备，所述A中继卫星和B中继卫星表示采用不同通信体制的任意两种中继卫星；

射频模块，包括直通模式下变频通道和卫星中继模式下变频通道，直通模式下变频通道用于接收地面测控设备发送的上行信号，将其进行下变频、滤波、自动增益控制，得到直通模式中频信号，输出给信号处理模块；卫星中继模式下变频通道，根据中继模式选择指令，配置卫星中继模式下变频通道，接收中继卫星射频信号，对其进行下变频、滤波、自动增益控制，得到卫星中继模式中频信号，并输出给信号处理模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于软件无线电的飞行器通用多模信息处理机，其特征在于：所述卫星中继模式下变频通道包括射频单元和中频单元两个部分，其中：

射频单元，包括射频放大器、射频通路开关、A中继卫星射频滤波器、B中继卫星射频滤波器、混频器、可控本振源，中继卫星射频信号经过射频放大器放大，然后，由射频通路开关选通，在A中继卫星射频滤波器或者B中继卫星射频滤波器中进行滤波，滤波后的信号与可控本振源输出的本振信号进行混频得到中频信号，输出至中频单元，所述A中继卫星射频滤波器和B中继卫星射频滤波器的滤波特性根据A中继卫星和B中继卫星的信号体制设计，射频开关的选通状态和可控本振源输出的本振信号频率由中继模式选择指令动态配置；

中频单元，包括第一中频滤波器、第一中频放大器、可变增益放大器、第二中频滤波器、第二中频放大器，对射频单元输出的指定频率的中频信号进行滤波、放大、自动增益处理，之后，再滤波、放大得到稳定电平的卫星中继模式中频信号发送至信号处理模块。

3.根据权利要求1所述的一种基于软件无线电的飞行器通用多模信息处理机，其特征在于：所述信号处理模块采用FPGA实现。

4.根据权利要求3所述的一种基于软件无线电的飞行器通用多模信息处理机，其特征在于：信号处理模块还预存引导程序，FPGA上电之后，自动加载引导程序，由引导程序接收主控模块发送的中继模式选择指令，加载A卫星中继模式加直通模式信号处理程序或者B卫星中继模式加直通模式信号处理程序。

5.根据权利要求1所述的一种基于软件无线电的飞行器通用多模信息处理机，其特征在于：所述主控模块和信号处理模块采用RapidIO总线传输上行信息数据和下行信息数据。

6.根据权利要求1所述的一种基于软件无线电的飞行器通用多模信息处理机，其特征在于：所述处理机采用Open VPX架构，各模块采用标准的VPX板卡实现，各模块间通过背板进行连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于软件无线电的飞行器通用多模信息处理机，其特征在于：所述主控模块在工作过程中，根据预装订参数向信号处理模块发送直通模式切换指令，在A或B卫星中继模式与直通模式之间进行切换。