CN107528629B - 卫星测控数传广播一体化通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种卫星测控数传广播一体化通信系统，包括：接收天线、发射天线、接收模块、功放模块和信号处理模块；信号处理模块包括：射频接收单元、基带信号处理单元、信号调制单元、时钟驱动单元、抗辐射加固单元和星务通信单元；所述射频接收单元的输入端连接所述接收模块，所述射频接收单元的输出端连接所述基带信号处理单元；所述信号调制单元的输入端连接所述基带信号处理单元，所述信号调制单元的输出端连接所述功放模块；所述基带信号处理单元分别连接所述抗辐射加固单元和所述星务通信单元；所述时钟驱动单元分别与所述射频接收单元、基带信号处理单元、信号调制单元和抗辐射加固单元连接。该通信系统体积小巧，功耗低。

Description

卫星测控数传广播一体化通信系统
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，尤其是涉及卫星测控数传广播一体化通信系统。
背景技术
目前卫星测控数传广播系统按功能分散设置，采用具备独立功能的单机产品实现测控系统的测控、数传、广播等功能，系统结构复杂，体积庞大，不利于减轻系统的尺寸及重量；再加上完成测控、数传和广播等功能需分别单独配置专用射频接收及发送射频通信链路，需由分别独立设置的射频处理及功率放大电路来实现，导致通信系统的功耗大。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种卫星测控数传广播一体化通信系统，以克服现有技术的不足。
具体地，本发明提供了一种卫星测控数传广播一体化通信系统，包括：接收天线、发射天线、接收模块、功放模块和信号处理模块；所述信号处理模块包括：射频接收单元、基带信号处理单元、信号调制单元、时钟驱动单元、抗辐射加固单元和星务通信单元。
所述射频接收单元的输入端连接所述接收模块，所述射频接收单元的输出端连接所述基带信号处理单元；所述射频接收单元用于将接收到的射频信号进行滤波放大后转化为模拟中频信号。
所述信号调制单元的输入端连接所述基带信号处理单元，所述信号调制单元的输出端连接所述功放模块；所述信号调制单元用于将接收到的模拟中频信号转化为射频信号。
所述基带信号处理单元分别连接所述抗辐射加固单元和所述星务通信单元；所述基带信号处理单元用于实现中频信号的模数转换以及实现测控下行信号、数传下行信号及广播下行信号的数字合成。
所述时钟驱动单元分别与所述射频接收单元、所述基带信号处理单元、所述信号调制单元和所述抗辐射加固单元连接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述射频接收单元具体包括：滤波器、低噪声放大器和射频接收器，所述滤波器、所述低噪声放大器和所述射频接收器依次电性连接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述信号调制单元具体包括：正交调制器和锁相环，所述锁相环与所述正交调制器电性连接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述基带信号处理单元具体包括：模数转换器、数模转换器和FPGA最小系统，所述模数转换器和所述数模转换器均与所述FPGA最小系统电性连接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述FPGA最小系统使用的芯片型号为Spartan6SLX100。
作为上述技术方案的进一步改进，所述抗辐射加固单元具体包括：反熔丝型FPGA和宇航级PROM。
作为上述技术方案的进一步改进，所述反熔丝型FPGA的型号为A54SX72A。
作为上述技术方案的进一步改进，所述时钟驱动单元具体包括：温补晶振和时钟驱动器，所述温补晶振和所述时钟驱动器电性连接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述时钟驱动单元提供的时钟频率为20MHz。
作为上述技术方案的进一步改进，所述功放模块包括：3dB电桥、功率放大器和滤波器，所述3dB电桥、所述功率放大器和所述滤波器依次电性连接。
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，至少具有如下有益效果：将测控下行信号、数传下行信号及广播下行信号进行数字合成，在同一个发送通道和天线中进行传输。相比传统数传、广播分立传输的方案，体积重量更小、功耗更低，非常适于小型化、轻量化、功耗要求高的卫星、航天测控系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。
图1为本发明一实施例提出的卫星测控数传广播一体化通信系统的结构示意图。
图2为本发明一实施例提出的卫星测控数传广播一体化通信系统的电路连接示意图。
主要元件符号说明：
10-接收天线；20-发射天线；30-接收模块；40-功放模块；50-信号处理模块；501-射频接收单元；502-基带信号处理单元；503-信号调制单元；504-时钟驱动单元；505-抗辐射加固单元；506-星务通信单元。
具体实施方式
在下文中，将更全面地描述本公开的各种实施例。本公开可具有各种实施例，并且可在其中做出调整和改变。然而，应理解：不存在将本公开保护范围限于在此公开的特定实施例的意图，而是应将本公开理解为涵盖落入本公开的各种实施例的精神和范围内的所有调整、等同物和/或可选方案。
在下文中，可在本公开的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所公开的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本公开的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本公开的各种实施例中，表述“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本公开的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本公开的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本公开的各种实施例中使用的术语“用户”可指示使用电子装置的人或使用电子装置的装置(例如，人工智能电子装置)。
在本公开的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本公开的各种实施例。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本公开的各种实施例中被清楚地限定。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种卫星测控数传广播一体化通信系统，包括：接收天线10、发射天线20、接收模块30、功放模块40和信号处理模块50。
信号处理模块50包括：射频接收单元501、基带信号处理单元502、信号调制单元503、时钟驱动单元504、抗辐射加固单元505和星务通信单元506。
射频接收单元501的输入端连接接收模块30，射频接收单元501的输出端连接基带信号处理单元502。射频接收单元501用于将接收到的射频信号进行滤波放大后转化为模拟中频信号。
信号调制单元503的输入端连接基带信号处理单元502，信号调制单元503的输出端连接功放模块40。信号调制单元503用于将接收到的模拟中频信号转化为射频信号
基带信号处理单元502分别连接抗辐射加固单元505和星务通信单元506。基带信号处理单元502实现中频信号的模数转换以及实现测控下行信号、数传下行信号及广播下行信号的数字合成。
时钟驱动504分别与射频接收单元501、基带信号处理单元502、信号调制单元503和抗辐射加固单元505连接。
在本实施例中，信号处理模块50的个数为1个，对于数据传输需要备份保护的应用场景，信号处理模块50的个数为2个，分别为主用信号处理模块和备用信号处理模块；所述主用信号处理模块和所述备用信号处理模块的电路结构完全相同。
基带信号处理单元502用于将测控下行信号、数传下行信号及广播下行信号进行数字合成，在同一个发送通道和天线中进行传输。相比传统数传、广播分立传输的方案，本发明提供的卫星测控数传广播一体化通信系统体积重量更小、功耗更低，非常适于小型化、轻量化、功耗要求高的卫星、航天测控系统。
实施例2
如图2所示，一种卫星测控数传广播一体化通信系统，包括：接收天线、发射天线、接收模块30、功放模块40和2个互为备份的信号处理模块50(主用信号处理模块A和备用信号处理模块B)，为描述方便，本文主要对模块A进行描述，模块B的电路结构方案与模块A相同。
主用信号处理模块A包括：射频接收单元501、基带信号处理单元、信号调制单元503、抗辐射加固单元505、时钟驱动单元504及星务通信单元。
射频接收单元501包括：滤波器U7、低噪声放大器U8和射频接收器U9；滤波器U7、低噪声放大器和射频接收器U8依次电性连接。
基带信号处理单元包括由FPGA(Field-Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列)U11为核心的最小系统、模数转换器U10和数模转换器U12；模数转换器U10和数模转换器U12均与FPGA U11为核心的最小系统电性连接。
FPGA U11的芯片型号优选Spartan6SLX100。
信号调制单元503包括：正交调制器U13和锁相环U16；锁相环U16与正交调制器U13电性连接。
抗辐射加固单元505包括：反熔丝型FPGAU20和宇航级PROM。
反熔丝型FPGA U20的芯片型号优选A54SX72A。
时钟驱动单元504包括：温补晶振U15和时钟驱动器14；温补晶振U15和时钟驱动器14电性连接。
时钟驱动单元504提供的时钟频率为20MHz。
功放模块40包括：3dB电桥U2、两个功率放大器U3和U4和两个滤波器U5和U6，3dB电桥U2的每个输出端依次电性连接功率放大器和滤波器。
星务通信单元包括：FPGA U11的通信接口及接口板X1，通过接口板X1实现与星务计算机的通信。
接收天线由对天接收天线和对地接收天线组成；发射天线由对天发射天线和对地发射天线组成。
现以主用信号处理模块A为例，详细介绍各元件之间的连接关系：
上行信号的电路连接关系如下：3dB电桥U1分别与对天接收天线和对地接收天线相连，3dB电桥U1输出端可以通过SMA接口与滤波器U7的输入端相连，滤波器U7的输出端与低噪声放大器U8的输入端相连，低噪声放大器U8的输出端与射频接收器U9的信号输入端相连，射频接收器U9的信号输出端与模数转换器(ADC)U10的输入端相连，模数转换器U10的输出端与FPGA芯片U11相连，U11通过接口板X1上的通信接口与星务计算机相连。
下行信号的电路连接关系如下：星务计算机通过接口板X1与FPGA芯片U11相连，U11的下行信号输出端与数模转换器(DAC)U12的输入端相连，数模转换器U12的输出端与正交调制器相连，数模转换器U12的时钟输入端与U11的时钟输出端相连，数模转换器U12的输出端与正交调制器U13相连，数模转换器U12的输入端与FPGA芯片U11相连，正交调制器U13的输出端与滤波器U5相连，滤波器U5的输出与功率放大器U3的输入端相连，功率放大器U3的输出与3dB电桥U2相连，3dB电桥U2的输出端与对天发射天线和对地发射天线相连。
温补晶振U15的时钟输出与时钟驱动器U14的输入端相连，时钟驱动器U14的时钟输出端分别与FPGA芯片U11、锁相环U16、射频接收器U9、反熔丝型FPGA U20的各个时钟输入端口连接。
现以主用信号处理模块A为例，说明其工作原理：
信号上行通信工作原理：当与接收模块相连的对天或对地接收天线测控信号时，3dB电桥会同时输出两路射频信号，该信号经前置滤波器U7滤波及低噪声放大器U8放大为射频接收器U9可识别的射频信号，通过射频接收器U9将射频信号变成频率为70MHz，带宽为20MHz的中频信号，该中频信号经模数转换器U10转换成FPGA U11可处理的数字信号进行信号解调，在FPG A U11中解码后通过接口板X1将信号传送给星务计算机，完成一次信号上行传输过程。
当星务计算机需向下行发送数据时，通过接口板X1按相关的通信协议将需传递的信号及指令传送给基带信号处理单元，以FPGA U11为核心的基带信号处理单元接收到测控信号及数据后，FPGAU11将信号进行BPSK调制编码后的数据送入数模转换器U12，数模转换器U12将编码后的数字信号转换成中频模拟信号后，并将该模拟信号送入正交调制器U13，正交调制器U13将中频模拟信号调制成适于远距离传输的射频信号，该射频信号经滤波器U5、功率放大器U3放大后经3dB电桥U2及发射天线发出，经天线发射到地面扩频测控站，构成下行链路。
主用信号处理模块A还包括flash U18，flash U18与FPGA芯片U11电性连接。flashU18用于缓存数传数据和广播数据。
在收到星务的数传、广播发送指令之后而对于来自星务的数传以及载荷广播的数据包，因传输数据量较大，且数据的实时性要求没有测控信息高，在进入基带编码处理前送入flash U18进行数据读入及缓存，再由FPGA U11将信号进行QPSK调制及编码后送入数模转换器U12。
时钟驱动单元504时钟分配原理如下：温补晶振U15输出20MHz时钟信号给时钟驱动器U14，时钟驱动器U14将20MHz时钟信号分配给射频接收器U9、FPGA芯片U11、反熔丝型FPGA U20、锁相环U16；锁相环U16为正交调制器提供时钟信号，时钟驱动器U14的信号经FPGA倍频后产生模数转换器U10及数模转换器U12所需的40MHz及80MHz时钟信号。
抗辐射加固单元505包括：反熔丝型FPGA U20和宇航级PROM。
由于卫星所处空间电磁环境恶劣，为保证系统在复杂空间环境的稳定和可靠性，增设了抗辐射加固单元505；抗辐射加固单元505包括：反熔丝型FPGA U20和宇航级PROM。
具体地，可采取如下两种抗辐射加固方法：
(1)基于反熔丝型FPGA的抗辐射加固措施。增加反熔丝的厚度，并对输入缓冲级进行改进。电路设计加固措施采用冗余技术来实现故障的检测和隔离。冗余技术主要包括三模冗余、复制比较、编码及自查等法方法。
(2)在FPGA内部采取辐射监控措施，随时检测和纠正错误配置。系统板上可以包括检查FPGA配置的逻辑。具体可以通过如下方法实现：读取其中的内容或让FPGA计算一个其内容的校验和与存在一个可靠寄存器中的计算值相比较。在电路级器件的状态发生改变时，就需要重复再加载的过程。这需要错误监控电路来保证满足系统的可靠性，通过对配置恒定地监控来实现。这些可靠的电路将明显地消耗有效的版面空间，除非在FPGA内部采取了辐射加固监控措施。单粒子容错的应用将使用监测电路来确保配置存储器内容的正确，以及在出现错误的情况下进行纠正。必须要保证不会发生永久性的电路故障。如果有必要进行重载或部分重载，系统设计必须能够允许电路运行过程中的暂停，同时要禁止任何错误的信号传播到系统的关键部分。
为降低系统射频发射功耗，将测控、数传和广播下行信号进行数字合成，利用FPGA芯片U11将测控、数传、广播调制到不同的发射频率，其中测控采用BPSK调制，数传和广播采用QPSK调制方式，且在三个传输通道中保持一定的30MHz以内的频率间隔，使测控、数传、广播三路信号在同一个射频发送通道和天线进行传输，采用数字合成的传输方式，比传统各路单独传输的方式可减少2/3的射频发射功率，同时可有效减少测控数传组件系统的体积，更适于在功率、体积要求高的卫星上使用。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
上述本发明序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种卫星测控数传广播一体化通信系统，其特征在于，包括：接收天线、发射天线、接收模块、功放模块和信号处理模块；所述信号处理模块包括：射频接收单元、基带信号处理单元、信号调制单元、时钟驱动单元、抗辐射加固单元和星务通信单元；
所述射频接收单元的输入端连接所述接收模块，所述射频接收单元的输出端连接所述基带信号处理单元；所述射频接收单元用于将接收到的射频信号进行滤波放大后转化为模拟中频信号；
所述基带信号处理单元分别连接所述抗辐射加固单元和所述星务通信单元；所述基带信号处理单元具体包括：模数转换器、数模转换器和FPGA最小系统，所述模数转换器和所述数模转换器均与所述FPGA最小系统电性连接，所述基带信号处理单元用于实现中频信号的模数转换以及实现测控下行信号、数传下行信号及广播下行信号的数字合成，具体包括：所述基带信号处理单元接收所述星务通信单元发送的信号，所述FPGA最小系统将信号进行BPSK调制编码后送入所述数模转换器，所述数模转换器将编码后的数字信号转换成中频模拟信号后，并将所述中频模拟信号送入所述信号调制单元；
所述信号处理模块还包括flash，所述flash与所述FPGA最小系统电性连接，所述flash用于缓存数传数据和广播数据；
所述信号调制单元的输入端连接所述基带信号处理单元，所述信号调制单元的输出端连接所述功放模块；所述信号调制单元具体包括：正交调制器和锁相环，所述锁相环与所述正交调制器电性连接；所述正交调制器将所述中频模拟信号调制成适于远距离传输的射频信号输入所述功放模块；所述功放模块包括：3dB电桥、功率放大器和滤波器，所述3dB电桥、所述功率放大器和所述滤波器依次电性连接，所述射频信号经所述滤波器、所述功率放大器放大后经所述3dB电桥从所述发射天线发出；
所述时钟驱动单元分别与所述射频接收单元、所述基带信号处理单元、所述信号调制单元和所述抗辐射加固单元连接。
2.根据权利要求1所述的卫星测控数传广播一体化通信系统，其特征在于，所述射频接收单元具体包括：滤波器、低噪声放大器和射频接收器，所述滤波器、所述低噪声放大器和所述射频接收器依次电性连接。
3.根据权利要求1所述的卫星测控数传广播一体化通信系统，其特征在于，所述FPGA最小系统使用的芯片型号为Spartan6 SLX100。
4.根据权利要求1所述的卫星测控数传广播一体化通信系统，其特征在于，所述抗辐射加固单元具体包括：反熔丝型FPGA和宇航级PROM。
5.根据权利要求4所述的卫星测控数传广播一体化通信系统，其特征在于，所述反熔丝型FPGA的型号为A54SX72A。
6.根据权利要求1所述的卫星测控数传广播一体化通信系统，其特征在于，所述时钟驱动单元具体包括：温补晶振和时钟驱动器，所述温补晶振和所述时钟驱动器电性连接。
7.根据权利要求1所述的卫星测控数传广播一体化通信系统，其特征在于，所述时钟驱动单元提供的时钟频率为20MHz。
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