CN108988940B - 一种适用于空间有源数字阵列的高速数字传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于空间有源数字阵列的高速数字传输系统，数字处理模块分别与舱内电光转换模块的输入端、舱内光电转换模块的输出端连接，舱内电光转换模块的输出端连接到舱内光波分复用模块的输入端，所述舱内光波分复用模块的输出端连接到穿舱光连接器，所述舱内光电转换模块的输入端连接舱内光波分解复用模块的输出端，所述舱内光波分解复用模块的输入端连接穿舱光连接器，所述舱外光波分解复用模块的输入端和舱外光波分复用模块的输出端分别连接穿舱光连接器，所述舱外光电转换模块的输入端连接舱外光波分解复用模块，输出端连接到数字收发前端。基于数字信号光传输和光波分复用构架的系统设计，实现了空间大阵面应用系统的小子阵划分。

Description

一种适用于空间有源数字阵列的高速数字传输系统
技术领域
本发明涉及一种星载平台中的雷达、通讯、电子对抗等系统的收发技术，尤其涉及的是一种适用于空间有源数字阵列的高速数字传输系统。
背景技术
有源数字阵列系统工作过程是将基带信号进行数字处理后形成数字波形信号，再通过数模转换后经一系列的相关处理，形成大功率发射信号，经天线向外辐射微波能量；天线接收的微弱射频信号经过放大及必要处理后，模数转换成数字信号再进行数字域相关信号处理工作。因此有源数字阵列系统中数字处理模块的功能是基于FPGA的并行DDS(DirectDigitalSynthesis,直接数字合成)来产生数字波形，再通过高速DAC进行数模变换来产生任意波形；将模拟信号进行模数转换成数字信号再数字下变频后形成基带I/Q数据，进行数字信号处理。该过程中的数字波形产生、数字下变频和数字滤波等对FPGA芯片的资源使用提出很高的要求，目前没有抗辐照加固等级的器件。
在空间环境下的有源阵列系统的设计需有效应对空间辐照环境，因此常规的设计方法是将包含有高速数字器件的数字处理模块整个放置在屏蔽效果相对较好的舱内，并适当增加抗辐照措施，这时需要进行模拟信号穿舱，将会带来如下问题：
1、采用模拟电信号穿舱方式：
在空间大阵面系统应用中，为适应DBF(数字波束合成)技术针对小子阵乃至单个单元通道数字化的应用需求，往往子阵划分数量众多，需要的穿舱接口数量也众多。过多的穿舱接口会导致安装位置不足、结构强度降低、电缆重量迅速增加等诸多问题，阵面安放位置与数字处理模块之间的距离将会受到较多限制；
2、采用模拟信号光穿舱方式：
基于现有的技术，对模拟信号进行电光-光电转换时有以下缺点：
转换后的信号可能出现非线性交调信号，在系统应用中会形成带内杂散，降低动态范围；
光电-电光转换模块本身有较高的底部噪声，将会抬高系统信号噪底；
光缆和光接头在空间的振动、快速温变的环境下，会导致光信号幅度的变化和光缆传输时间上的变化，影响解调之后的射频信号幅相稳定性。
目前迫切需要解决空间应用中各种雷达、对抗、电侦及通信系统对大阵面、多功能的应用需求，充分发挥DBF技术优点，急需解决系统中高速数字传输问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：解决现有空间大阵面应用中子阵划分数量和穿舱连接受限的难题，提供了一种适用于空间有源数字阵列的高速数字传输系统。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括数字处理模块、舱内电光转换模块、舱内光电转换模块、舱内光波分复用模块、舱内光波分解复用模块、穿舱光连接器、舱外光波分解复用模块、舱外光波分复用模块、舱外光电转换模块、舱外电光转换模块和数字收发前端；所述数字处理模块分别与舱内电光转换模块的输入端、舱内光电转换模块的输出端连接，所述舱内电光转换模块的输出端连接到舱内光波分复用模块的输入端，所述舱内光波分复用模块的输出端连接到穿舱光连接器，所述舱内光电转换模块的输入端连接舱内光波分解复用模块的输出端，所述舱内光波分解复用模块的输入端连接穿舱光连接器，所述舱外光波分解复用模块的输入端和舱外光波分复用模块的输出端分别连接穿舱光连接器，所述舱外光电转换模块的输入端连接舱外光波分解复用模块，输出端连接到数字收发前端，所述舱外电光转换模块的输入端连接数字收发前端，输出端连接到舱外光波分复用模块。
所述数字收发前端包括单端转差分模块、差分转单端模块、模数转换器ADC、数模转换器DAC；在舱外信号输入流向上，所述单端转差分模块将接收模拟信号并传输给模数转换器ADC，所述模数转换器ADC经模数变换和电平转换后输出高速串行数据到舱外电光转换模块；在舱外信号输出流向上，所述舱外光电转换模块输出高速串行数据至数模转换器DAC，所述数模转换器DAC进行电平转换和数模变换，然后通过差分转单端模块输出模拟的波形信号。
所述数字处理模块包括FPGA芯片，所述FPGA芯片经过抗辐照加固处理。
所述舱内电光转换模块和舱外电光转换模块的输出的光频率，满足第一通道光频率为Ga，第二通道光频率为Ga+T……第N-1通道光频率为Ga+(N-2)×T，第N通道光频率为Gb；
第N+1通道重新从Ga频率开始，等频率间隔T增加，至频率Gb后下一通道继续由Ga频率重新开始，并按此规律重复；
其中，Ga、T、N、Gb分别表示通道光频率的起始频率、频率间隔、通道复用数、截止光频率，满足如下关系式：Gb＝Ga+(N-1)×T。
所述舱内光波分复用模块和舱外光波分复用模块是将N个不同光频率的信号复合成一个复合光信号输出，光信号的传输物理通道数变为输入通道的1/N。
所述舱外光电转换模块和舱内光电转换模块为宽带工作模块，其适应的光频率覆盖电光转换模块的输出光信号频率范围为Ga～Gb。
所述舱外光波分复用模块和舱内光波分解复用模块将输入一根光纤中传输的从光频率Ga至光频率Gb的N个光波长，分解至N根光纤输出，每根光纤传输Ga至Gb按事先约定的光频率。
所述穿舱光连接器是多芯光连接器。其总芯数由数字模块的通道数以及光通道的复用数来决定。
将数字处理模块划分为舱外的数字收发前端和舱内的数字处理模块两部分，舱外数字收发前端进行初步的数模、模数转换，实现数字信号穿舱传输。再利用舱内及舱外设计的电光转换模块和光电转换模块，将舱内处理模块与空间有源数字阵列之间的数字电信号变换成数字光信号传输。通过对电光转换模块输出光频率的控制，利用光波分复用模块将多个通道输出的不同频率光信号合成至一根光纤传输，并在对应输出端应用光波分解复用模块，将单根光纤中的多路光信号还原，实现将穿舱连接器的数量大幅降低的目的。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明将数字处理模块划分为舱内和舱外两部分，通过电光转换模块和光电转换模块将数字传输信号进行光穿舱，并对电光转换模块输出光频率加以控制，在舱外进行数模、模数转换后进行数字信号光穿舱方式，抗干扰性能强，传输距离远，光损耗小，降低了空间系统应用中舱内处理单元与有源阵面之间拉远设计的难度。
在数字信号光穿舱传输的基础上，应用光波分复用技术，将多路信号复合在一根光纤中传输，极大的降低了穿舱连接器的数量，从而降低了系统的重量。
基于数字信号光传输和光波分复用构架的系统设计，实现了空间大阵面应用系统的小子阵划分，充分发挥出DBF技术带来的综合多功能、数字波束形成、调度等数字域后处理等优点。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是数字收发前端的结构框图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括舱内和舱外两部分，舱内包括：数字处理模块、舱内电光转换模块、舱内光电转换模块、舱内光波分复用模块、舱内光波分解复用模块；舱外包括：舱外光波分解复用模块、舱外光波分复用模块、舱外光电转换模块、舱外电光转换模块和数字收发前端，舱内和舱外通过穿舱光连接器连接。
所述数字处理模块分别与舱内电光转换模块的输入端、舱内光电转换模块的输出端连接，所述舱内电光转换模块的输出端连接到舱内光波分复用模块的输入端，所述舱内光波分复用模块的输出端连接到穿舱光连接器，所述舱内光电转换模块的输入端连接舱内光波分解复用模块的输出端，所述舱内光波分解复用模块的输入端连接穿舱光连接器，所述舱外光波分解复用模块的输入端和舱外光波分复用模块的输出端分别连接穿舱光连接器，所述舱外光电转换模块的输入端连接舱外光波分解复用模块，输出端连接到数字收发前端，所述舱外电光转换模块的输入端连接数字收发前端，输出端连接到舱外光波分复用模块。
舱内的数字处理模块依据控制流程和处理结果，接收或发射高速数字信号，该数字信号依据约定的协议形式进行编码。舱内光电转换模块、舱内电光转换模块实现高速数字信号的光-电变换。数字处理模块包括FPGA芯片，所述FPGA芯片经过抗辐照加固处理。
在舱内信号输出流向上，舱内电光转换模块输出的光频率，满足第一通道光频率为Ga，第二通道光频率为Ga+T……第N-1通道光频率为Ga+(N-2)×T，第N通道光频率为Gb。第N+1通道重新从Ga频率开始，等频率间隔T增加，至频率Gb后下一通道继续由Ga频率重新开始，并按此规律重复。其中，Ga、T、N、Gb分别表示通道光频率的起始频率、频率间隔、通道复用数、截止光频率，满足如下关系式：
Gb＝Ga+(N-1)×T
所述舱内光波分复用模块和舱外光波分复用模块是将N个不同光频率的信号复合成一个复合光信号输出，光信号的传输物理通道数变为输入通道的1/N，极大的减少了穿舱信号数量。
所述舱外光电转换模块和舱内光电转换模块为宽带工作模块，其适应的光频率覆盖电光转换模块的输出光信号频率范围为Ga～Gb。
所述舱外光波分复用模块和舱内光波分解复用模块将输入一根光纤中传输的从光频率Ga至光频率Gb的N个光波长，分解至N根光纤输出，每根光纤传输Ga至Gb按事先约定的光频率。
通过光波分解复用后的光信号进入舱外光电转换模块，完成光信号到电信号的还原。
如图2所示，还原的电信号进入到舱外的数字收发前端。在舱外信号输入流向上，舱外数字收发前端将接收到的模拟电信号经过单端转差分模块之后送入ADC采集，经模数变换和电平转换后输出高速串行数据，进入舱外电光转换模块；在舱外信号输出流向上，舱外光电转换模块输出高速串行数据至DAC，在DAC中进行电平转换和数模变换，再经差分转单端模块变换后形成模拟的波形信号。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种适用于空间有源数字阵列的高速数字传输系统，其特征在于，包括数字处理模块、舱内电光转换模块、舱内光电转换模块、舱内光波分复用模块、舱内光波分解复用模块、穿舱光连接器、舱外光波分解复用模块、舱外光波分复用模块、舱外光电转换模块、舱外电光转换模块和数字收发前端；所述数字处理模块分别与舱内电光转换模块的输入端、舱内光电转换模块的输出端连接，所述舱内电光转换模块的输出端连接到舱内光波分复用模块的输入端，所述舱内光波分复用模块的输出端连接到穿舱光连接器，所述舱内光电转换模块的输入端连接舱内光波分解复用模块的输出端，所述舱内光波分解复用模块的输入端连接穿舱光连接器，所述舱外光波分解复用模块的输入端和舱外光波分复用模块的输出端分别连接穿舱光连接器，所述舱外光电转换模块的输入端连接舱外光波分解复用模块，输出端连接到数字收发前端，所述舱外电光转换模块的输入端连接数字收发前端，输出端连接到舱外光波分复用模块；
所述舱内电光转换模块和舱外电光转换模块的输出的光频率，满足第一通道光频率为Ga，第二通道光频率为Ga+T……第N-1通道光频率为Ga+(N-2)×T，第N通道光频率为Gb；第N+1通道重新从Ga频率开始，等频率间隔T增加，至频率Gb后下一通道继续由Ga频率重新开始，并按此规律重复；其中，Ga、T、N、Gb分别表示通道光频率的起始频率、频率间隔、通道复用数、截止光频率，满足如下关系式：Gb＝Ga+(N-1)×T。
2.根据权利要求1所述的一种适用于空间有源数字阵列的高速数字传输系统，其特征在于，所述数字收发前端包括单端转差分模块、差分转单端模块、模数转换器ADC、数模转换器DAC；在舱外信号输入流向上，所述单端转差分模块将接收模拟信号并传输给模数转换器ADC，所述模数转换器ADC经模数变换和电平转换后输出高速串行数据到舱外电光转换模块；在舱外信号输出流向上，所述舱外光电转换模块输出高速串行数据至数模转换器DAC，所述数模转换器DAC进行电平转换和数模变换，然后通过差分转单端模块输出模拟的波形信号。
3.根据权利要求1所述的一种适用于空间有源数字阵列的高速数字传输系统，其特征在于，所述数字处理模块包括FPGA芯片，所述FPGA芯片经过抗辐照加固处理。
4.根据权利要求1所述的一种适用于空间有源数字阵列的高速数字传输系统，其特征在于，所述舱内光波分复用模块和舱外光波分复用模块是将N个不同光频率的信号复合成一个复合光信号输出，光信号的传输物理通道数变为输入通道的1/N。
5.根据权利要求1所述的一种适用于空间有源数字阵列的高速数字传输系统，其特征在于，所述舱外光电转换模块和舱内光电转换模块为宽带工作模块，其适应的光频率覆盖电光转换模块的输出光信号频率范围为Ga～Gb。
6.根据权利要求1所述的一种适用于空间有源数字阵列的高速数字传输系统，其特征在于，所述舱外光波分复用模块和舱内光波分解复用模块将输入一根光纤中传输的从光频率Ga至光频率Gb的N个光波长，分解至N根光纤输出，每根光纤传输Ga至Gb按事先约定的光频率。
7.根据权利要求1所述的一种适用于空间有源数字阵列的高速数字传输系统，其特征在于，所述穿舱光连接器是多芯光连接器。
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