CN110086500A - 基于asic芯片的全数字化usb应答机装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于ASIC芯片的全数字化USB应答机装置，采用ASIC为核心处理芯片的基础上，集合遥控处理FPGA和MEU智能管理模块于一体，其特征在于，包括接收通道、发射通道、数字基带模块、MEU智能管理模块。
Description
技术领域
本发明技术所属卫星测控领域，具体涉及一种基于ASIC芯片的全数字化USB应答机装置。
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。
随着宇航技术的快速发展，对于小型化、重量轻、功能完备及低功耗的需求日益增加。相比于传统USB应答机，全数字化USB应答机具有以下明显优势：
1)可实现遥控副载波解调、遥测副载波调制功能，遥控和遥测接口为PCM形式；
2)遥控PCM数据速率设置灵活，遥测PCM数据速率自适应；
3)采用小型集成化设计，缩小体积功耗；
4)采用模块化设计，降低调试难度；
本发明中设计的全数字化USB应答机，在采用高可靠性的ASIC芯片基础上，集合了遥控处理及MEU智能管理等功能，除实现控指令输出、应急注数及CAN总线通信外，可实现自主管理及软件在轨更新等功能。
发明内容
本发明的目的为了克服现有技术限制，提出一种基于ASIC为核心处理芯片的全数字化USB应答机实现方法，满足体积小、功耗低、重量轻、周期短、配置灵活、功能集中等要求。
本发明在采用ASIC为核心处理芯片的基础上，集合遥控处理FPGA和MEU智能管理模块于一体，完成遥控处理及MEU智能管理等功能，包括接收通道、发射通道、数字基带模块、MEU智能管理模块；
所述接收通道由七个部分构成：高频电路，一中放，二混频及二中放，一本振，二本振、功分电路和AGC电路；
1)高频电路：高频电路的主要功能是接收来自天线的微弱信号，进行射频滤波、低噪声放大、镜像滤波后，在混频器内与一本振电路送来的本振信号进行混频，并将经变频后的中频信号送至一中放电路中的放大器；
2)一中放：一中放的主要功能是将由高频电路送来的一中频信号进行宽带滤波及多级线性放大，通过PIN压控衰减网络在AGC起作用时对放大电路进行增益控制；
3)二混频及二中放：二混频的主要功能是将一中频信号和二本振电路送来的本振信号进行混频，经过二次变频后的中频信号经放大滤波后送数字基带；
4)一本振：通过锁相倍频电路将数字基带送出的基准频率信号进行M1次倍频，作为一混频电路的本振信号；
5)二本振：通过锁相倍频电路将基准频率信号进行M2次倍频，作为二混频电路的本振信号；
6)功分电路：利用放大器、功分器实现对基准频率信号的放大和分路，分路后的信号分别送给一本振和二本振电路；
7)AGC自动增益控制：自动增益控制的主要功能是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一中放放大电路的增益控制，以此来保证接收通道的始终畅通和送到数字基带的信号功率比较稳定；
所述发射通道主要由六个部分构成：一混频电路、二混频电路、功率放大电路、一本振电路、二本振电路、晶振电路；
1)一混频电路：一混频电路主要由中频混频器、滤波器和放大器组成，其作用是将来自基带的中频信号与本振信号进行混频，滤波后输出一混频信号；
2)二混频电路：二混频电路由射频混频器、带通滤波器和放大器组成；混频器的作用是将一混频输出中频信号与二本振输出的射频本振经混频后，输出S频段下行射频信号；由于混频器输出的信号成分很多，就要求在混频器后有一个带通滤波器将无用的信号滤去，选出所需的频率信号；
3)功率放大电路：由于二混频信号幅度为9dBm～13dBm，达不到最终输出500mW功率的要求，因此需进行功率放大以达到输出的幅度要求；
4)一本振：将晶振输出的40MHz时钟信号分频，以20M作为锁相频综的时钟参考信号；锁相频综输出一路作为二混频电路的本振信号；
5)二本振：通过锁相倍频电路将20M基准频率信号进行倍频，作为二混频电路的本振信号，一本振鉴相频率步进为2MHz，倍频次数取值1100～1150，一本振信号输出频率可以在2200MHz～2300MHz之间调整；
6)晶振电路：利用晶体、放大器、功分器、热敏电阻实现对基准频率信号的温度补偿、放大和分路，分路后的信号分别送给数字基带和接收通道，以及本模块的一本振和二本振电路；
所述数字基带模块包括：ASIC芯片、遥控处理芯片、AD、DA、接收滤波器、发射滤波器；
所述ASIC芯片在参考时钟的驱动下，完成时钟锁相工作，并产生ADC、DAC及自身的工作时钟；ASIC芯片接收ADC送来的上行中频信号数据流，完成1路遥控加1路测距音信号的捕获、跟踪工作，解调出遥控PCM信息和测距音信息并将测距音信息转发给发射通道；采集遥测信息并进行PM调制，送往地面测控站；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，遥测信号调制指数可配置，锁定判决门限可配置，位同步速率可配置，AD、DA时钟频率可配置。另一方面可接收MEU智能管理模块间接指令；
所述遥控处理模块将ASIC芯片解调出的遥控信号进行处理，并完成对上注数据的解扰、CRC校验，同时输出自身遥测、遥控数据等给MEU智能管理模块传给星务管理单元；
所述MEU智能管理模块集成了AD、单片机、串口、CAN总线、OC驱动接口，智能管理软件主要完成遥控指令译码输出、星地应答机单自身遥测采集、星务间接指令输出功能。
本发明基于ASIC为核心处理芯片，同时配备遥控处理芯片。应答机接收到地面发送的直接指令信号后，由ASIC芯片解调输出遥控数据传输给遥控处理FPGA进行处理。若遥控处理FPGA识别数据为注数帧，则对数据进行解扰和CRC校验，将解扰后的数据经过RS422传送至星务管理单元；若识别数据为指令帧，则译码产生直接指令，并将指令数据送至MEU模块，由MEU模块实现指令发送。MEU模块具备CAN总线通信功能、模拟采集模数转换功能、自主检测功能及软件在轨更新功能。自主检测功能在判断应答机为异常情况下，能够进行自主复位，从而避免在轨应用过程中单机因单粒子或其他原因引起的软件异常情况，进一步提高系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例中基带模块原理框图；
图2为本发明实施例中MEU模块功能框图。
具体实施方式
本发明实施例的一种基于ASIC芯片的全数字化USB应答机装置，采用ASIC为核心处理芯片的基础上，集合遥控处理FPGA和MEU智能管理模块于一体，包括接收通道、发射通道、数字基带模块、MEU智能管理模块；
接收通道部分：
接收通道主要由七个部分构成：高频电路，一中放，二混频及二中放，一本振，二本振、功分电路和AGC电路。各部件功能如下：
1)高频电路：高频电路的主要功能是接收来自天线的微弱信号，进行射频滤波、低噪声放大、镜像滤波后，在混频器内与一本振电路送来的本振信号进行混频，并将经变频后的中频信号送至一中放电路中的放大器。高频电路包括隔离器、腔体滤波器和接收前端。接收前端射频接口驻波比<1.5，噪声系数<1.5，加上前面隔离器、滤波器等引入的插损，预计噪声系数为2.9。
2)一中放：一中放的主要功能是将由高频电路送来的一中频信号进行宽带滤波及多级线性放大。同时，通过PIN压控衰减网络在AGC起作用时对放大电路进行增益控制，该电路输出的405.xxxMHz左右的中频信号给二混频电路。
3)二混频及二中放：二混频的主要功能是将一中频信号和二本振电路送来的本振信号进行混频，经过二次变频后的70MHz左右的中频信号经放大滤波后送数字基带。
4)一本振：通过锁相倍频电路将数字基带送出的基准频率信号进行M1次倍频，作为一混频电路的本振信号。一本振鉴相频率2MHz，一本振信号输出频率可以在1620MHz～1705MHz之间调整。
5)二本振：通过锁相倍频电路将基准频率信号进行M2次倍频，作为二混频电路的本振信号。二本振鉴相频率2MHz，二本振信号输出频率可以在305.xxMHz之间调整。
6)功分电路。利用放大器、功分器实现对基准频率信号的放大和分路，分路后的信号分别送给一本振和二本振电路。
7)AGC自动增益控制：自动增益控制的主要功能是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一中放放大电路的增益控制，以此来保证接收通道的始终畅通和送到数字基带的信号功率比较稳定。AGC增益控制电路设计的增益控制范围为70dB，可以满足指标要求。
发射通道部分：
发射通道主要由六个部分构成：一混频电路、二混频电路、功率放大电路、一本振电路、二本振电路、晶振电路。各部件功能如下：
1)一混频电路：一混频电路主要由中频混频器、滤波器和放大器组成，其作用是将来自基带的中频信号与本振信号进行混频，滤波后输出一混频信号；
2)二混频电路：二混频电路由射频混频器、带通滤波器和放大器组成。混频器的作用是将一混频输出中频信号与二本振输出的射频本振经混频后，输出S频段下行射频信号。由于混频器输出的信号成分很多，就要求在混频器后有一个带通滤波器将无用的信号滤去，选出所需的频率信号。宽带滤波器输出的信号幅度控制在-15dBm～-11dBm，经过后级的放大电路后，输出幅度和带外抑制特性满足要求的射频信号；
3)功率放大电路：由于二混频信号幅度为9dBm～13dBm，达不到最终输出500mW功率的要求，因此需进行功率放大以达到输出的幅度要求；
4)一本振：将晶振输出的40MHz时钟信号分频，以20M作为锁相频综的时钟参考信号；锁相频综输出一路作为二混频电路的本振信号；
5)二本振：通过锁相倍频电路将20M基准频率信号进行倍频，作为二混频电路的本振信号，一本振鉴相频率步进为2MHz，倍频次数取值1100～1150，一本振信号输出频率可以在2200MHz～2300MHz之间调整；
6)晶振电路：利用晶体、放大器、功分器、热敏电阻等实现对基准频率信号的温度补偿、放大和分路，分路后的信号分别送给数字基带和接收通道，以及本模块的一本振和二本振电路。
数字基带部分，包括：ASIC芯片、遥控处理芯片、AD、DA、接收滤波器、发射滤波器。
ASIC芯片在参考时钟的驱动下，完成时钟锁相工作，并产生ADC、DAC及自身的工作时钟。ASIC芯片接收ADC送来的上行中频信号数据流，完成1路遥控加1路测距音信号的捕获、跟踪工作，解调出遥控PCM信息和测距音信息并将测距音信息转发给发射通道。采集遥测信息并进行PM调制，送往地面测控站。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，遥测信号调制指数可配置，锁定判决门限可配置，位同步速率可配置，AD、DA时钟频率可配置。另一方面可接收MEU智能管理模块间接指令。
遥控处理模块将ASIC芯片解调出的遥控信号进行处理，并完成对上注数据的解扰、CRC校验，同时输出自身遥测、遥控数据等给MEU智能管理模块传给星务管理单元。
MEU智能管理模块
MEU智能管理模块集成了AD、单片机、串口、CAN总线、OC驱动等各类接口，智能管理软件主要完成遥控指令译码输出、星地应答机单自身遥测采集、星务间接指令输出等功能。
接收通道接收上行射频信号后，进行下变频处理送基带模块70MHz±1MHz中频信号。经窄带滤波后送ADC芯片进行处理。
ADC选用AD公司的AD10200芯片。该芯片是面向雷达中频接收机，相控阵接收机，GPS抗干扰接收机等应用推出的一个双通道AD转换模块。该器件内嵌两个宽动态范围ADC，具有信号调理电路，每个ADC通过一个变压器同前端耦合，保证了直接中频采样的最优性能。采样速率可以达到105MSPS，全功率带宽250MHz。其主要特点是动态性能优良，无失真动态范围达80dB；通道间隔离度较大于80dB。每通道功耗约为0.85W，二进制补码输出。该器件在以往型号应答机中被大量选用。
ASIC芯片在参考时钟的驱动下，完成时钟锁相工作，并产生ADC、DAC及自身的工作时钟。ASIC芯片接收ADC送来的上行中频信号数据流，完成1路遥控加1路测距音信号的捕获、跟踪工作，解调出遥控PCM信息和测距音信息并将测距音信息转发给发射通道。采集遥测信息完成BPSK调制，与下行测距音信号合路后进行PM调制，送往地面测控站。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，遥测信号调制指数可配置，锁定判决门限可配置，位同步速率可配置，AD、DA时钟频率可配置。ASIC芯片可通过配置软件实现适应不同频率，不同调制度、不同遥控、遥测码速率、不同遥控副载波的特点。
ASIC芯片解调输出的数据通过内部遥控三线信号(门控、数据、时钟)送遥控处理FPGA芯片。若数据判断为注数数据，则遥控处理FPGA芯片将注数数据通过422芯片输出；若数据判断为指令数据，则遥控处理FPGA芯片将数据进行译码输出给MEU模块，由MEU模块执行指令相应操作。ASIC芯片将芯片内部数字遥测量通过状态遥测时钟和状态遥测数据信号传输给遥控处理FPGA芯片，遥控处理FPGA将其与遥控自身状态遥测打包发送MEU管理模块。MEU管理模块负责指令执行及模拟遥测量采集，模拟遥测量包括温度遥测、AGC遥测，电压遥测等，同时将基带模块遥测量、单机模拟遥测量及MEU自身遥测量进行打包通过CAN总线传送星务管理系统。
MEU智能管理模块主要由771所的LHB559A芯片构成，该芯片集成AD、单片机、串口、CAN总线、OC驱动等各类接口，智能管理软件主要完成遥控指令译码输出、星地应答机单机自身遥测(包括模拟量和数字量)采集、星务间接指令输出等功能。MEU支持软件在轨更新，将可变参数放置于MEU智能管理单元中，上电时由MEU智能管理单元加载相关参数后，开始正常工作。通过地面上注将软件数据传给星务管理单元，由星务管理单元对MEU进行软件配置。该功能需由MEU通用操作系统支持。
MEU智能管理具备自主复位功能，即实现卫星在境外到境内过程中，若单机锁定异常，则对单机进行复位。判定条件为：AGC由小于门限信号电平信号到高于门限电平信号后(模拟卫星由境外到境内的过程)，单机10S后载波未能有效锁定，则MEU模块给基带进行复位操作。该方式可有效防止单机在轨异常工作后不能自主恢复的情况。
Claims (6)
1.一种基于ASIC芯片的全数字化USB应答机装置，采用ASIC为核心处理芯片的基础上，集合遥控处理FPGA和MEU智能管理模块于一体，其特征在于，包括接收通道、发射通道、数字基带模块、MEU智能管理模块；
所述接收通道由七个部分构成：高频电路，一中放，二混频及二中放，一本振，二本振、功分电路和AGC电路；
1)高频电路：高频电路的主要功能是接收来自天线的微弱信号，进行射频滤波、低噪声放大、镜像滤波后，在混频器内与一本振电路送来的本振信号进行混频，并将经变频后的中频信号送至一中放电路中的放大器；
2)一中放：一中放的主要功能是将由高频电路送来的一中频信号进行宽带滤波及多级线性放大，通过PIN压控衰减网络在AGC起作用时对放大电路进行增益控制；
3)二混频及二中放：二混频的主要功能是将一中频信号和二本振电路送来的本振信号进行混频，经过二次变频后的中频信号经放大滤波后送数字基带；
4)一本振：通过锁相倍频电路将数字基带送出的基准频率信号进行M1次倍频，作为一混频电路的本振信号；
5)二本振：通过锁相倍频电路将基准频率信号进行M2次倍频，作为二混频电路的本振信号；
6)功分电路：利用放大器、功分器实现对基准频率信号的放大和分路，分路后的信号分别送给一本振和二本振电路；
7)AGC自动增益控制：自动增益控制的主要功能是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一中放放大电路的增益控制，以此来保证接收通道的始终畅通和送到数字基带的信号功率比较稳定；
所述发射通道主要由六个部分构成：一混频电路、二混频电路、功率放大电路、一本振电路、二本振电路、晶振电路；
1)一混频电路：一混频电路主要由中频混频器、滤波器和放大器组成，其作用是将来自基带的中频信号与本振信号进行混频，滤波后输出一混频信号；
2)二混频电路：二混频电路由射频混频器、带通滤波器和放大器组成；混频器的作用是将一混频输出中频信号与二本振输出的射频本振经混频后，输出S频段下行射频信号；由于混频器输出的信号成分很多，就要求在混频器后有一个带通滤波器将无用的信号滤去，选出所需的频率信号；
3)功率放大电路：由于二混频信号幅度为9dBm～13dBm，达不到最终输出500mW功率的要求，因此需进行功率放大以达到输出的幅度要求；
4)一本振：将晶振输出的40MHz时钟信号分频，以20M作为锁相频综的时钟参考信号；锁相频综输出一路作为二混频电路的本振信号；
5)二本振：通过锁相倍频电路将20M基准频率信号进行倍频，作为二混频电路的本振信号，一本振鉴相频率步进为2MHz，倍频次数取值1100～1150，一本振信号输出频率可以在2200MHz～2300MHz之间调整；
6)晶振电路：利用晶体、放大器、功分器、热敏电阻实现对基准频率信号的温度补偿、放大和分路，分路后的信号分别送给数字基带和接收通道，以及本模块的一本振和二本振电路；
所述数字基带模块包括：ASIC芯片、遥控处理芯片、AD、DA、接收滤波器、发射滤波器；
所述ASIC芯片在参考时钟的驱动下，完成时钟锁相工作，并产生ADC、DAC及自身的工作时钟；ASIC芯片接收ADC送来的上行中频信号数据流，完成1路遥控加1路测距音信号的捕获、跟踪工作，解调出遥控PCM信息和测距音信息并将测距音信息转发给发射通道；采集遥测信息并进行PM调制，送往地面测控站；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，遥测信号调制指数可配置，锁定判决门限可配置，位同步速率可配置，AD、DA时钟频率可配置。另一方面可接收MEU智能管理模块间接指令；
所述遥控处理模块将ASIC芯片解调出的遥控信号进行处理，并完成对上注数据的解扰、CRC校验，同时输出自身遥测、遥控数据等给MEU智能管理模块传给星务管理单元；
所述MEU智能管理模块集成了AD、单片机、串口、CAN总线、OC驱动接口，智能管理软件主要完成遥控指令译码输出、星地应答机单自身遥测采集、星务间接指令输出功能。
2.如权利要求1所述的一种基于ASIC芯片的全数字化USB应答机装置，其特征在于，所述接收通道的高频电路包括隔离器、腔体滤波器和接收前端；接收前端射频接口驻波比<1.5，噪声系数<1.5，加上前面隔离器、滤波器等引入的插损，预计噪声系数为2.9。
3.如权利要求1所述的一种基于ASIC芯片的全数字化USB应答机装置，其特征在于，所述接收通道的一本振鉴相频率2MHz，一本振信号输出频率可在1620MHz～1705MHz之间调整。
4.如权利要求1所述的一种基于ASIC芯片的全数字化USB应答机装置，其特征在于，所述接收通道的二本振鉴相频率2MHz，二本振信号输出频率可以在305.xxMHz之间调整。
5.如权利要求1所述的一种基于ASIC芯片的全数字化USB应答机装置，其特征在于，所述接收通道的AGC增益控制电路设计的增益控制范围为70dB。
6.如权利要求1所述的一种基于ASIC芯片的全数字化USB应答机装置，其特征在于，所述发射通道的宽带滤波器输出的信号幅度控制在-15dBm～-11dBm，经过后级的放大电路后，输出幅度和带外抑制特性满足要求的射频信号。
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