CN109450519B - 一种星载全数字化usb应答机 - Google Patents

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Abstract

一种星载全数字化USB应答机，属于卫星通信技术领域，应用于航天器测控分系统中。本发明采用ASIC芯片实现USB应答机全数字化基带信号处理，其中的载波解调、副载波解调、下行载波调制和副载波调制均采用数字化实现，基带ASIC模块参数可配置，参数更改简单，调试方便，工程易实现，通用性强，灵活性高；同时采用遥控FPGA实现遥控指令译码、上行数据帧解扰和CRC校验，遥控和遥测接口采用数字化格式，便于集成，简化调试；并采用MEU管理执行单元集成AD、LC801E单片机、串口、CAN总线、OC驱动等各类接口，减小体积，降低重量，集成度高，且可实现在轨自主管理和软件升级；该发明结构简单，集成度高，特别适用于小卫星。

Description

一种星载全数字化USB应答机
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域，应用于航天器测控分系统中。
背景技术
USB应答机作为测控分系统的重要组成部分，它在卫星与测控地面站之间提供双向射频传输信道，配合测控地面站共同完成对卫星的跟踪测量、遥控、遥测等任务。
USB应答机为模拟体制测控应答机，工作在S频段统一载波测控系统(即USB测控系统，Unified S-Band TT&C System)，是采用副载波调制的频分系统，遥控信号、测距信号和遥测信号分别调制在不同的副载波上，然后再调制到统一的载波上，不同分系统共用一个载波频率和信道设备，可以完成对航天器的跟踪、测距、测速、测角、遥控和遥测等多种功能。
现有的USB应答机多采用模拟电路实现产品功能和性能指标要求，但传统的模拟USB应答机研制周期长，主要表现在调试难度大、受频率器件影响大、体积大、且频点一旦确定后无法更改。
在保证航天高可靠性的前提下，采用数字方式实现USB应答机功能是一种迫切的需求，其相对于模拟应答机具有明显优势：全数字化实现基带信号处理功能、设备参数可配置、集成遥控单元功能、集成MEU管理执行单元，设备调试简单，通用性强，灵活性高，可实现在轨自主管理和软件升级。
现有的为基于SRAM型FPGA的USB应答机数字化实现方法，该类型FPGA在轨单粒子效应敏感，可靠性低。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种星载全数字化USB应答机，该应答机采用ASIC芯片实现全数字化基带信号处理，且锁频环频率控制初始字、锁定判决门限、调制指数、位同步速率、AD、DA时钟频率可设置。
本发明的技术解决方案是：一种星载全数字化USB应答机，包括射频接收通道、射频发射通道、基带ASIC模块、遥控FPGA模块和MEU管理执行单元；
射频接收通道接收上行射频信号，进行滤波、低噪放大、AD转换处理后，将处理后的上行中频信号输出至基带ASIC模块；所述上行射频信号包括遥控信号和测距音信号；
基带ASIC模块实时生成ASIC自身遥测信息并捕获、跟踪、解调所述上行中频信号，解调出遥控基带信息和测距音信息，并将测距音信息发送给射频发射通道，将所述遥控基带信息输出至所述遥控FPGA模块，将所述ASIC自身遥测信息输出至遥控FPGA模块；
所述遥控FPGA模块实时生成FPGA自身遥测信息并接收所述遥控基带信息，并进行指令译码和数据解扰，生成遥控数据和遥控直接指令，然后将所述遥控数据输出给星务管理系统进行后续处理，同时输出FPGA自身遥测信息和遥控直接指令给MEU管理执行单元；所述遥控FPGA模块同时接收星务管理系统输出的星上遥测数据，并输出至基带ASIC模块，所述基带ASIC模块将星上遥测数据输出至射频发射通道；
所述MEU管理执行单元实时生成MEU自身遥测信息并接收FPGA自身遥测信息、ASIC自身遥测信息和遥控直接指令，所述MEU自身遥测信息、FPGA自身遥测信息和ASIC自身遥测信息通过总线输出至星务管理系统进行后续处理，所述遥控直接指令输出至所述基带ASIC模块、遥控FPGA模块和星上其他执行系统，操控所述基带ASIC模块、遥控FPGA模块和星上其他执行系统进行对应指令操作；
所述射频发射通道接收所述测距音信息、基带ASIC模块输出的星上遥测数据，进行DA转换、滤波放大、功放处理后生成下行射频信号并向地面发送。
进一步地，所述遥控直接指令输出至所述基带ASIC模块、遥控FPGA模块和星上其他执行系统，操控所述基带ASIC模块、遥控FPGA模块和星上其他执行系统进行对应操作，具体为：所述MEU管理执行单元解析所述遥控直接指令，生成控制脉冲，输出至基带ASIC模块、遥控FPGA模块和星上其他执行系统进行对应操作。
进一步地，所述射频接收通道包括AGC处理模块，所述AGC处理模块包括AGC遥测支路，所述MEU管理执行单元采集所述AGC遥测支路的电压，生成上行射频信号强弱指示，并将所述上行射频信号强弱指示发送给星务管理系统。
进一步地，所述星上遥测数据包括所述ASIC自身遥测信息、FPGA自身遥测信息、MEU自身遥测信息和上行射频信号强弱指示。
进一步地，所述MEU管理执行单元还接收星务管理系统发送的用于操控基带ASIC模块、遥控FPGA模块和星上其他执行系统的星务间接指令；所述基带ASIC模块实时自身是否锁定，并将锁定状态发送给MEU管理执行单元；设定上行射频信号强弱指示的门限阈值，根据上行射频信号强弱指示和基带ASIC模块的锁定状态判断是否输出基带ASIC模块和遥控FPGA模块的复位指令；若上行射频信号强弱指示低于门限阈值，或基带ASIC模块锁定状态为锁定，不进行操作；若上行射频信号强弱指示不低于门限阈值，且基带ASIC锁定状态为未锁定，则输出基带ASIC模块和遥控FPGA模块的复位指令；所述基带ASIC模块为锁定状态时，基带ASIC模块稳定捕获、跟踪所述上行中频信号。
进一步地，所述射频接收通道包括第一本振器、第一混频器、第二本振器、第二混频器和分频器，所述将上行信号处理为中频上行数据，变频方式为：所述上行射频信号和第一本振器产生的第一本振信号经过第一混频器，输出第一下变频信号，所述第一下变频信号和第二本振器产生的第二本振信号经过第二混频器，输出上行中频信号；所述第一本振信号由基带ASIC模块晶振提供的时钟信号经过锁相倍频产生，所述第二本振信号为由基带ASIC模块晶振提供的时钟信号先经过分频器，再经过锁相倍频后产生。
进一步地，所述的射频发射通道包括第三本振器、第三混频器、第四本振器、第四混频器和分频器，所述将接收到的测距音信息和星上遥测数据处理为下行射频信号，具体为：所述下行中频信号和第三本振器产生的第三本振信号经过第三混频器，输出第一上变频信号，所述第一上变频信号和第四本振器产生的第四本振信号经过第四混频器，输出下行射频信号；所述第三本振信号由基带ASIC模块晶振提供的时钟信号先经过分频器，再经过锁相倍频后产生，所述第四本振信号由基带ASIC模块晶振提供的时钟信号经过锁相倍频产生。
进一步地，所述基带ASIC模块包括PROM配置芯片，根据任务需求的不同设定所述PROM配置芯片中的配置信息，所述配置信息包括锁频环频率控制初始字、测距音信号调制指数、星上遥测数据调制指数、锁定判决门限、位同步速率、AD转换和DA转换的时钟频率；所述锁频环频率为基带ASIC模块生成的本地中频载波频率，所述锁定判决门限为基带ASIC模块判断锁频环和锁相环是否锁定的阈值，所述位同步速率为遥控基带信息和星上遥测数据的码速率；所述AD转换和DA转换的时钟频率分别为射频接收通道和射频发射通道上的AD转换器和DA转换器的时钟频率。
进一步地，还包括电源管理模块，所述电源管理模块包括一次电源、浪涌电路、EMI滤波器和DC/DC电压转换器，所述一次电源产生+42V一次电源，依次经过浪涌电路、EMI滤波器和DC/DC电压转换器后产生电压分别为+12V、-12V和+5.2V二次电源，经电源滤波处理后供其它模块使用。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用ASIC芯片实现USB应答机全数字化基带信号处理，载波解调、副载波解调、下行载波调制和副载波调制均采用数字化实现，数字基带ASIC模块调试简单，通用性强，灵活性高。
(2)本发明基带ASIC模块参数可配置，锁频环频率控制初始字、测距音调制指数、星上遥测数据调制指数、锁定判决门限、位同步速率、AD转换、DA转换的时钟频率可配置，参数更改简单，调试方便，工程易实现。
(3)本发明采用遥控FPGA实现遥控指令译码、上行数据帧解扰和CRC校验，遥控和遥测接口采用数字化格式，便于集成，简化调试。
(4)本发明采用MEU管理执行单元集成AD、8051单片机、串口、CAN总线、OC驱动等各类接口，减小体积，降低重量，集成度高，且可实现在轨自主管理和软件升级。
(5)本发明结构简单，集成度高，特别适用于小卫星。
本发明已在高景一号02组卫星测控分系统中成功实现在轨应用和性能考核，在轨遥测参数显示设备功能正常，性能稳定。本发明易于工程实现，具有较大实用价值。
附图说明
图1为本发明USB应答机的组成框图；
图2为基带ASIC模块组成框图。
具体实施方式
下面结合说明书附图进行进一步说明。
如图1所示，一种星载全数字化USB应答机包括：射频接收通道、射频发射通道、基带ASIC模块、遥控FPGA模块、管理执行单元(Management Execution Unit，MEU)、电源管理模块；射频接收通道采用二次变频方案实现上行射频信号下变频、实现上行射频信号的AGC控制；射频发射通道采用二次变频方案实现下行中频信号的上变频；基带ASIC模块完成上行中频遥控信号的捕获解调、遥测信号的调制下发、测距音信号的跟踪转发等功能，输出下行调制中频信号；遥控FPGA模块完成直接指令译码输出给MEU、完成上行数据帧解扰和CRC校验后输出给星务管理模块、接收星务遥测数据输出给ASIC芯片；MEU管理执行单元完成遥控直接指令处理、应答机和MEU自身遥测(包括模拟量和数字量)采集、接收星务间接指令及在轨自主管理功能；电源管理模块完成一次电源、二次电源管理及抗浪涌电路功能。
所述的射频接收通道采取二次变频，一本振采用锁相倍频方式，二本振由数字基带模块晶振提供的高稳时钟信号经分频器及锁相倍频后产生，同时AGC自动增益控制对二混频输出的中频信号进行采样，并将采样来的信号转变成控制电压来实现对第一级中频放大电路的增益控制，以此来保证接收射频通道输出信号功率稳定。
所述的射频发射通道采取二次变频，一本振是数字基带模块晶振输出的分路信号产生，二本振为锁相倍频信号。
所述的基带ASIC模块接收ADC送来的上行中频信号数据流，完成遥控信号和测距音信号的捕获、跟踪工作，解调出遥控基带信息和测距音信息并将测距音信息转发给射频发射通道。采集遥测信息并进行PM调制，发送给射频发送通道。
基带ASIC模块读取PROM配置芯片中的内容，实现锁频环频率控制初始字可配置，测距音调制指数可配置，星上遥测数据调制指数可配置，锁定判决门限可配置，位同步速率可配置，AD转换、DA转换时钟频率可配置。可接收MEU管理执行模块间接指令。ASIC芯片在参考时钟的驱动下，完成时钟锁相工作，并产生AD转换、DA转换及自身的工作时钟。
所述的遥控FPGA模块将ASIC芯片解调出的遥控基带信息进行处理，完成直接指令译码、上注数据的解扰和CRC校验后输出给星务管理模块，同时输出自身遥测、直接指令给MEU管理执行单元。
所述的MEU管理执行单元单芯片集成AD、8051单片机、串口、CAN总线、OC驱动等接口。MEU管理执行单元完成遥控直接指令处理、应答机和MEU自身遥测(包括模拟量和数字量)采集、接收星务间接指令及在轨自主管理功能。
如图1所示，本发明实施例由射频接收通道、射频发射通道、基带ASIC模块、遥控FPGA模块、MEU管理执行单元、电源管理模块组成。
射频接收通道采取二次变频，一本振采用锁相倍频方式，锁相倍频器输出频率以10M为步进，输入信号由40MHz晶振产生，一中频的频率为120～130MHz，对于不同频点，主要通过锁相倍频器的10MHz步进补偿。由于鉴相频率为10MHz，因此输出信号存在±5MHz的不确定性，即一混频信号中心频率在120～130MHz之间；倍频次数可调，以保证二混频输出信号的频点在70MHz左右变化。二本振主要由基带模块晶振提供的40MHz信号经分频器及锁相倍频后产生，信号范围为190～200MHz。二本振锁相倍频电路鉴相频率为2MHz，通过调整倍频次数输出不同频率的二本振信号。由于鉴相频率为2MHz，因此输出信号存在±1MHz的不确定性，即二混频信号中心频率在69～71MHz之间。对于接收信号中心频率的变化，数字基带可通过调整数字频率合成器软件参数来适应。通过二次变频，保证了二中频的频率固定，有利于高灵敏度的实现。同时将自动增益控制放在一中频部分，提高了接收机的动态范围，保证了二中频的幅度固定，便于解调。
射频发射通道采取二次变频，一本振是数字基带模块40MHz晶振输出的分路信号产生，混频后的信号频率在55～60MHz之间，兼顾考虑到带外抑制和时延要求，采用RC滤波器进行滤波。二本振为锁相倍频信号，其步进为5MHz，倍频次数取值447～458，二本振信号输出频率可以在2235～2290MHz之间调整。
基带ASIC模块主要完成PM解调、副载波解调、PM调制、副载波调制，如图2所示。输入中频窄带信号经AD采样后，进入PM解调模块实现对载波的捕获和跟踪。首先通过锁频环跟踪载波频率变化，修正本地频率控制字，调整本地载波频率使得与输入信号载波频率保持一致。其次，锁相环跟踪残余频差与相位变化，并通过相位旋转消除相位偏差。之后，通过幅度调整之后输出遥控副载波和测距音副载波。遥控副载波输入至BPSK副载波解调模块，通过锁相环之后进行位同步，得到最佳的抽样判决时刻，并由副载波锁定判决模块判定副载波解调环路是否正常工作，输出PCM码流、同步时钟及门控信号。测距音副载波输入至下行PM调制模块，和经过BPSK调制的输入遥测数据一起作为PM调制的副载波，经DA输出后送给发射通道，实现了全数字化信号处理。发射机工作状态包括相干发射和非相干发射，上下行相干转发频比为上行/下行为221/240，USB应答机下行载频的频率源由ASIC芯片(高稳晶振给ASIC芯片提供信号源)提供，相干转发状态由ASIC芯片根据遥控指令和应答机工作状态决定。数字基带ASIC芯片选用航天九院772所BM2869RH芯片，该芯片采用体硅0.13μmCMOS工艺，电路规模数约为200万门，器件采用32μm硅铝丝键合，银浆粘接，器件封装采用208引线陶瓷QFP封装，采用焊料环熔封工艺密封。AD转换芯片选用AD公司的AD10200芯片，适合高精度测距应用，该器件在以往型号应答机中广泛应用。DA转换芯片选用中电24所生产的SDA9762，质量等级为B1级，该器件在以往型号应答机中广泛应用。
遥控FPGA模块选用ACTEL公司的反熔丝FPGA A54SX72ACQ208B，该芯片有多次在轨飞行经历。遥控FPGA模块完成直接指令译码、上注数据的解扰和CRC校验后输出给星务管理模块，同时输出自身遥测、直接指令给MEU管理执行单元。数据加扰方式采用GJB-1198.1A-2004标准中PCM遥控部分的内容，加扰多项式为：
H(x)＝X8+X6+X4+X3+X2+X1+1，初相全‘1’。
MEU管理执行单元选用九院771所的LSMEU01芯片，该芯片集成AD、8051单片机、串口、CAN总线、OC驱动等各类接口。LSMEU01芯片包含2个12位AD，最大速率200ksps；一个8051处理器；4路CAN 2.0B接口；16路OC指令输出，每路吸收电流能力200mA。MEU管理执行单元完成遥控直接指令处理、应答机和MEU自身遥测(包括模拟量和数字量)采集、接收星务间接指令及在轨自主管理功能。
电源管理模块采用+42V一次电源供电，主要完成一次电源经过抗浪涌电路、EMI滤波器、DC/DC电压转换芯片后产生+12V、-12V、+5.2V二次电源，二次电源分别经过电源滤波处理后供应答机的其它模块使用。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种星载全数字化USB应答机，其特征在于：包括射频接收通道、射频发射通道、基带ASIC模块、遥控FPGA模块和MEU管理执行单元；
射频接收通道接收上行射频信号，进行滤波、低噪放大、AD转换处理后，将处理后的上行中频信号输出至基带ASIC模块；所述上行射频信号包括遥控信号和测距音信号；
基带ASIC模块实时生成ASIC自身遥测信息并捕获、跟踪、解调所述上行中频信号，解调出遥控基带信息和测距音信息，并将测距音信息发送给射频发射通道，将所述遥控基带信息输出至所述遥控FPGA模块，将所述ASIC自身遥测信息输出至MEU管理执行单元；
所述遥控FPGA模块实时生成FPGA自身遥测信息并接收所述遥控基带信息，并进行指令译码和数据解扰，生成遥控数据和遥控直接指令，然后将所述遥控数据输出给星务管理系统进行后续处理，同时输出FPGA自身遥测信息和遥控直接指令给MEU管理执行单元；所述遥控FPGA模块同时接收星务管理系统输出的星上遥测数据，并输出至基带ASIC模块，所述基带ASIC模块将星上遥测数据输出至射频发射通道；
所述MEU管理执行单元实时生成MEU自身遥测信息并接收FPGA自身遥测信息、ASIC自身遥测信息和遥控直接指令，所述MEU自身遥测信息、FPGA自身遥测信息和ASIC自身遥测信息通过总线输出至星务管理系统进行后续处理，所述遥控直接指令输出至所述基带ASIC模块、遥控FPGA模块和星上其他执行系统，操控所述基带ASIC模块、遥控FPGA模块和星上其他执行系统进行对应指令操作；
所述射频发射通道接收所述测距音信息、基带ASIC模块输出的星上遥测数据，进行DA转换、滤波放大、功放处理后生成下行射频信号并向地面发送。
2.根据权利要求1所述的一种星载全数字化USB应答机，其特征在于：所述遥控直接指令输出至所述基带ASIC模块、遥控FPGA模块和星上其他执行系统，操控所述基带ASIC模块、遥控FPGA模块和星上其他执行系统进行对应操作，具体为：所述MEU管理执行单元解析所述遥控直接指令，生成控制脉冲，输出至基带ASIC模块、遥控FPGA模块和星上其他执行系统进行对应操作。
3.根据权利要求1所述的一种星载全数字化USB应答机，其特征在于：所述射频接收通道包括AGC处理模块，所述AGC处理模块包括AGC遥测支路，所述MEU管理执行单元采集所述AGC遥测支路的电压，生成上行射频信号强弱指示，并将所述上行射频信号强弱指示发送给星务管理系统。
4.根据权利要求3所述的一种星载全数字化USB应答机，其特征在于：所述星上遥测数据包括所述ASIC自身遥测信息、FPGA自身遥测信息、MEU自身遥测信息和上行射频信号强弱指示。
5.根据权利要求1所述的一种星载全数字化USB应答机，其特征在于：所述MEU管理执行单元还接收星务管理系统发送的用于操控基带ASIC模块、遥控FPGA模块和星上其他执行系统的星务间接指令；所述基带ASIC模块实时自身是否锁定，并将锁定状态发送给MEU管理执行单元；设定上行射频信号强弱指示的门限阈值，根据上行射频信号强弱指示和基带ASIC模块的锁定状态判断是否输出基带ASIC模块和遥控FPGA模块的复位指令；若上行射频信号强弱指示低于门限阈值，或基带ASIC模块锁定状态为锁定，不进行操作；若上行射频信号强弱指示不低于门限阈值，且基带ASIC锁定状态为未锁定，则输出基带ASIC模块和遥控FPGA模块的复位指令；所述基带ASIC模块为锁定状态时，基带ASIC模块稳定捕获、跟踪所述上行中频信号。
6.根据权利要求1所述的一种星载全数字化USB应答机，其特征在于：所述射频接收通道包括第一本振器、第一混频器、第二本振器、第二混频器和分频器，将上行射频信号处理为上行中频信号，变频方式为：所述上行射频信号和第一本振器产生的第一本振信号经过第一混频器，输出第一下变频信号，所述第一下变频信号和第二本振器产生的第二本振信号经过第二混频器，输出上行中频信号；所述第一本振信号由基带ASIC模块晶振提供的时钟信号经过锁相倍频产生，所述第二本振信号为由基带ASIC模块晶振提供的时钟信号先经过分频器，再经过锁相倍频后产生。
7.根据权利要求1所述的一种星载全数字化USB应答机，其特征在于：所述的射频发射通道包括第三本振器、第三混频器、第四本振器、第四混频器和分频器，将接收到的测距音信息和星上遥测数据处理为下行射频信号，具体为：所述下行中频信号和第三本振器产生的第三本振信号经过第三混频器，输出第一上变频信号，所述第一上变频信号和第四本振器产生的第四本振信号经过第四混频器，输出下行射频信号；所述第三本振信号由基带ASIC模块晶振提供的时钟信号先经过分频器，再经过锁相倍频后产生，所述第四本振信号由基带ASIC模块晶振提供的时钟信号经过锁相倍频产生。
8.根据权利要求6或7所述的一种星载全数字化USB应答机，其特征在于：所述基带ASIC模块包括PROM配置芯片，根据任务需求的不同设定所述PROM配置芯片中的配置信息，所述配置信息包括锁频环频率控制初始字、测距音信号调制指数、星上遥测数据调制指数、锁定判决门限、位同步速率、AD转换和DA转换的时钟频率；所述锁频环频率为基带ASIC模块生成的本地中频载波频率，所述锁定判决门限为基带ASIC模块判断锁频环和锁相环是否锁定的阈值，所述位同步速率为遥控基带信息和星上遥测数据的码速率；所述AD转换和DA转换的时钟频率分别为射频接收通道和射频发射通道上的AD转换器和DA转换器的时钟频率。
9.根据权利要求1～7任一项所述的一种星载全数字化USB应答机，其特征在于：还包括电源管理模块，所述电源管理模块包括一次电源、浪涌电路、EMI滤波器和DC/DC电压转换器，所述一次电源产生+42V一次电源，依次经过浪涌电路、EMI滤波器和DC/DC电压转换器后产生电压分别为+12V、-12V和+5.2V二次电源，经电源滤波处理后供其它模块使用。
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