CN110620599B - 一种微小型无人机数据链终端设备 - Google Patents

一种微小型无人机数据链终端设备 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供了一种微小型无人机数据链终端设备，其特征在于，包括机载终端设备，所述机载终端设备包括：基带模块，所述基带模块接收射频模块的上行射频信号，并对其解扩、解调处理，同步时钟信号采集，下行信号的调制及射频发送以及与射频模块进行射频配置；射频模块，所述射频模块接收时钟管理模块的射频本振信号、将接收数字基带的下行数字信号转化为下行射频信号输出，将接收的上行射频信号转化为上行数字信号输出至基带模块；电源管理模块，所述电源管理模块用于为所述机载终端提供电源。

Description

一种微小型无人机数据链终端设备
技术领域
本发明属于数据链通信领域，涉及微小型无人机数据链通信装置。
背景技术
高集成化芯片技术的进步和发展，使得无人机数据链越来越趋向于小型化和集成化。技术的进步和提高，功能和性能的增加，都使得无人机数据链产品的复杂程度越来越高，各种无人机数据链终端设备也向着集成化、轻量化、小型化方向发展。微小型无人机数据链终端设备的研制也使得微小型无人机的研制和应用成为可能。
微小型无人机数据链终端设备主要包含两部分，机载终端设备和地面终端设备，其中机载终端设备主要实现无人机侦察图像数据和整机遥测数据的接收、编码调制、扩频调制、数模转换、上变频及功率放大后进行下行发射，同时完成上行遥控指令的接收、低噪声放大、下变频、模数转换及解扩解调后的传输，最终实现无人机的飞行控制；地面终端设备主要完成下行图像数据和遥测数据的接收、解析、网络分发和显示等功能。整个数据链同时具备抗干扰和抗截获的能力。
由于以上设备的研制专业性强、方法复杂、技术难度大，对技术人员系统设计能力、硬件设计能力、软件设计能力以及环境试验能力都有较高的要求，因此有必要进行专业设计和研究，开发一套适合于军用作战的微小型无人机的数据链终端设备，提高微小型无人机的战场侦察能力和作战能力。
发明内容
本发明的目的在于研制适用于微小型无人机数据链终端设备，提高设备的集成化、小型化和轻量化，最终实现机载终端设备20g的应用需求。
本发明的一种微小型无人机数据链终端设备，其特征在于，包括机载终端设备，所述机载终端设备包括：基带模块，所述基带模块接收射频模块的上行射频信号，并对其解扩、解调处理，同步时钟信号采集，下行信号的调制及射频发送以及与射频模块进行射频配置；射频模块，所述射频模块接收时钟管理模块的射频本振信号、将接收数字基带的下行数字信号转化为下行射频信号输出，将接收的上行射频信号转化为上行数字信号输出至基带模块；电源管理模块，所述电源管理模块用于为所述机载终端提供电源。
优选地，所述机载终端的电源管理模块包括：一次电源接口单元、DC/DC单元、电源滤波电路单元，电源滤波电路单元将一次电源滤波处理后转换为机载终端中各模块需要的二次电源。
优选地，所述DC/DC单元包括消涌电路、EMI滤波器以及电路转换子单元。
优选地，所述机载终端的射频模块包括：接收机、频率源、发射机、数据接口，其中，
所述频率源分别向接收机和发射机发送基准参考时钟信号，用于接收机和发射机中混频器本振信号及ADC与DAC采样时钟信号；
所述接收机接收射频接口的上行射频信号，经过低噪声放大、下变频、滤波放大及模数转换处理，将上行数字信号发送至数据接口单元；
所述数据接口单元与基带接口之间进行数字信号交互；负责将数字基带送来的数字信号进行串并转换、多路复接、电平变换后最终转换为射频模块发射机和接收机能够识别的波形数据信号输出至所述发射机和接收机；
所述发射机接收数据接口单元发送的波形数据信号，进行数模转换、滤波放大、上变频处理后输出至射频接口。
优选地，所述频率源采用外部驯服的TCXO；当系统工作在校准模式时，地面时统送给机载频率源一个精确的IRIG-B信号及1pps信号；当系统工作在其他模式时，机载导航模块代替地面时统提供IRIG-B和1pps数据，若机载导航也无效的情况下，机载频率源工作为TCXO模式。
优选地，所述射频模块还包括控制器、辅助接口以及电源管理单元；其中，
所述控制器用于控制发射机与接收机的增益及中心频率；
所述辅助接口包括用于频率源配置的辅助时钟接口、用于时间校准的外部1PPS接口以及用于寄存器配置的外部数据接口中的一种或者几种；
所述电源管理单元用于为所述射频模块供电。
优选地，所述射频模块的接收机是一个直接变频系统，含有低噪声放大器(LNA)、混频器(Mixer)、匹配正交放大器(TIA)、频带内整形滤波器(LPF)、模数采样电路(ADC)、抽取滤波器(CIC)、数字增益放大器(DGA)、高内插率数字FIR滤波器(Rx FIR)以及辅助检测功能的LMT饱和检测(LMT Peak Overload Detector)、ADC溢出检测(ADC Peak OverloadDetector)、CIC溢出检测(Low Average Power Detector)、DGA溢出检测(DigitalOverload Detector)。
优选地，所述机载终端的基带模块包括：FPGA处理芯片、PROM存储单元、总线接口以及时钟管理单元，其中，
所述总线接口用于与无人机上其他系统的数据接口。例如飞控模块、载荷单元等，采用RS-232串口及同步串口等形式。
所述时钟管理单元向所述FPGA处理芯片发送时钟控制信号，用于FPGA的主处理时钟信号；
所述FPGA处理芯片用于上下行数字信号处理，包括上行信号解扩、解调及下行信号调制，同时为高速ADC和DAC提供采样时钟信号；
所述PROM用于存储FPGA程序。
优选地，所述基带模块还包括：直接指令接口、高速ADC接口、高速DAC接口，其中：
所述直接指令接口用于FPGA处理芯片与外部之间直接指令信号的交互；
所述高速ADC及高速DAC用于完成上下行信号的数模及模数转换功能。
优选地，所述基带模块还包括频率源时钟接口、通道配置接口、总线接口、辅助时钟、电源管理等模块。
本发明实施例的微小型无人机数据链终端设备，还包括地面测控终端设备，所述地面测控终端设备与所述机载终端设备结构相同。
微小型无人机数据机载终端设备重20g、地面终端设备重50g，主要实现微小型无人机下行图像数据和遥测数据的传输以及上行无人机遥控指令的接收、解析等功能。微小型无人机数据链设备的研制大大地降低了无人机的重量和体积，实现了军用背包无人机的研制，提高了无人机战场环境适应性。
附图说明
图1为本发明实施例的微小型无人机数据链终端设备的系统框图；
图2为本发明实施例的基带模块的框图；
图3为本发明实施例的电源管理模块的框图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种微小型无人机数据链终端设备，主要功能如下表所示：
表1机载终端设备主要功能
Figure GDA0002274751820000051
本发明的微小型无人机数据链终端设备包括机载终端设备，如图1所示，所述机载终端设备包括：
基带模块，所述基带模块接收射频模块的上行射频信号，并对其解扩、解调处理，同步时钟信号采集，下行信号的调制及射频发送以及与射频模块进行射频配置。
射频模块，所述射频模块接收时钟管理模块的射频本振信号、将接收数字基带的下行数字信号转化为下行射频信号输出，将接收的上行射频信号转化为上行数字信号输出至基带模块。
电源管理模块，所述电源管理模块用于为所述机载终端提供电源。
根据本发明的一个实施例，如图3所示，所述机载终端的电源管理模块包括：一次电源接口单元、DC/DC单元、电源滤波电路单元，电源滤波电路单元将一次电源滤波处理后转换为机载终端中各模块需要的二次电源。
其中，所述DC/DC单元包括消涌电路、EMI滤波器以及电路转换子单元。
本发明实施例的电源管理模块的创造性在于：
1、在安全可靠的前提下，电源效率高、体积小、集成度高；
2、系统涉及FPGA、射频、总线等总计7档二次电，数字模拟分开设计后多达十余个网络标号，结构复杂，涉及芯片数量多；
3、电源模块的设计保证了在银行卡大小的电路板上电路的完整性和信号的纯净性。
小型化、模数混合PCB设计导致信号间串扰严重，而射频接收端输入信号非常微弱，极易受到干扰而最终在测控指标上体现为误码率提高、测距、测速精度下降等。电源和地的互联造成的信号串扰是造成上述问题的一个重要原因。
虽然目前DC/DC集成化程度已经很高，但为了尽量提高系统性能，避免串扰，时钟管理、射频模块接收端供电、射频发射端供电、射频时钟端供电均采用独立LDO，并在各电源管脚旁就近加入大量滤波电路。因而，供电电路所占PCB面积占所有PCB面积的比重非常大。
测控系统功能庞杂，总功耗近3W，而整个测控单机仅银行卡大小，散热问题突出，硬件结构设计中必须综合考虑热传导和对流等措施增强散热性能。
由于系统采用了TDD设计，因而电源电流在时间上表现出时隙特性，电源需特别增强与时隙相关的频点的滤波。
根据本发明的一个实施例，所述机载终端的射频模块包括：接收机、频率源、发射机、数据接口，其中，
所述频率源分别向接收机和发射机发送基准参考时钟信号，用于接收机和发射机中混频器本振信号及ADC与DAC采样时钟信号；
所述接收机接收射频接口的上行射频信号，经过低噪声放大、下变频、滤波放大及模数转换处理，将上行数字信号发送至数据接口单元；
所述数据接口单元与基带接口之间进行数字信号交互；负责将数字基带送来的数字信号进行串并转换、多路复接、电平变换后最终转换为射频模块发射机和接收机能够识别的波形数据信号输出至所述发射机和接收机；
所述发射机接收数据接口单元发送的波形数据信号，进行数模转换、滤波放大、上变频处理后输出至射频接口。
其中，所述频率源采用外部驯服的TCXO；当系统工作在校准模式时，地面时统送给机载频率源一个精确的IRIG-B信号及1pps信号；当系统工作在其他模式时，机载导航模块代替地面时统提供IRIG-B和1pps数据，若机载导航也无效的情况下，机载频率源工作为TCXO模式。
其中，所述射频模块还包括控制器、辅助接口以及电源管理单元；其中，所述控制器用于控制发射机与接收机的增益及中心频率；
所述辅助接口包括用于频率源配置的辅助时钟接口、用于时间校准的外部1PPS接口以及用于寄存器配置的外部数据接口中的一种或者几种；
所述电源管理单元用于为所述射频模块供电。
在本发明的一个实施例中，所述射频模块的接收机是一个直接变频系统，含有低噪声放大器(LNA)、混频器(Mixer)、匹配正交放大器(TIA)、频带内整形滤波器(LPF)、模数采样电路(ADC)、抽取滤波器(CIC)、数字增益放大器(DGA)、高内插率数字FIR滤波器(RxFIR)以及辅助检测功能的LMT饱和检测(LMT Peak Overload Detector)、ADC溢出检测(ADCPeak Overload Detector)、CIC溢出检测(Low Average Power Detector)、DGA溢出检测(Digital Overload Detector)。
如图2所示，所述机载终端的基带模块包括：FPGA处理芯片、PROM存储单元、总线接口以及时钟管理单元，其中，
所述总线接口用于与无人机上其他系统的数据接口；
所述时钟管理单元向所述FPGA处理芯片发送时钟控制信号，用于FPGA的主处理时钟信号；
所述FPGA处理芯片用于上下行数字信号处理，包括上行信号解扩、解调及下行信号调制，同时为高速ADC和DAC提供采样时钟信号；
所述PROM用于存储FPGA程序。
其中，所述基带模块还包括：直接指令接口、高速ADC接口、高速DAC接口，其中：
所述直接指令接口用于FPGA处理芯片与外部之间直接指令信号的交互；
所述高速ADC及高速DAC用于完成上下行信号的数模及模数转换功能。
在本发明的另一个实施例中所述基带模块还包括频率源时钟接口、通道配置接口、总线接口、辅助时钟、电源管理等模块。
在本发明的另一个实施例中，所述的微小型无人机数据链终端设备还包括地面测控终端设备，所述地面测控终端设备与所述机载终端设备结构相同。
其中，地面终端射频模块与机载设备射频模块设计基本相同，主要区别有：电路板空间较机载设备有所放宽，部分贴片器件选择了稍大封装器件，便于电装和调试；预留功放、预放、低噪放、滤波器、阻抗匹配、隔离器接口，为将来扩展需求保留接口。
在数字基带中，地面终端数字基带设计与机载设备保持一致，仅总线接口方面采用百兆以太网接口取代机载设备的同步SPI接口进行载荷数据的通信。
以太网实现方面，采用了Wiznet公司的W5100多功能网络接口芯片。其内部集成有10/100兆以太网控制器，以太网介质传输层(MAC)，物理层(PHY)，全硬件TCP/IP协议栈支持TCP，UDP，IPV4，ICMP，ARP，IGMP和PPPoE协议，16KB存储器。通过直接并行总线、间接并行总线和SPI总线对W5100进行存储空间读取即可实现4独立端口、全双工、半双工、自动应答、MDI/MDIX以太网数据交换。
微小型无人机数据机载终端设备重20g、地面终端设备重50g，主要实现微小型无人机下行图像数据和遥测数据的传输以及上行无人机遥控指令的接收、解析等功能。微小型无人机数据链设备的研制大大地降低了无人机的重量和体积，实现了军用背包无人机的研制，提高了无人机战场环境适应性。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种微小型无人机数据链终端设备，其特征在于，包括机载终端设备，所述机载终端设备包括：
基带模块，所述基带模块接收射频模块的上行射频信号，并对其解扩、解调处理，同步时钟信号采集，下行信号的调制及射频发送以及与射频模块进行射频配置；
射频模块，所述射频模块接收时钟管理模块的射频本振信号、将接收数字基带的下行数字信号转化为下行射频信号输出，将接收的上行射频信号转化为上行数字信号输出至基带模块；
电源管理模块，所述电源管理模块用于为所述机载终端提供电源；
所述机载终端的电源管理模块包括：一次电源接口单元、DC/DC单元、电源滤波电路单元，电源滤波电路单元将一次电源滤波处理后转换为机载终端中各模块需要的二次电源；
所述机载终端的射频模块包括：接收机、频率源、发射机、数据接口，其中，
所述频率源分别向接收机和发射机发送基准参考时钟信号，用于接收机和发射机中混频器本振信号及ADC与DAC采样时钟信号；
所述接收机接收射频接口的上行射频信号，经过低噪声放大、下变频、滤波放大及模数转换处理，将上行数字信号发送至数据接口单元；
所述数据接口单元与基带接口之间进行数字信号交互；负责将数字基带送来的数字信号进行串并转换、多路复接、电平变换后最终转换为射频模块发射机和接收机能够识别的波形数据信号输出至所述发射机和接收机；
所述发射机接收数据接口单元发送的波形数据信号，进行数模转换、滤波放大、上变频处理后输出至射频接口；
所述机载终端的基带模块包括：FPGA处理芯片、PROM存储单元、总线接口以及时钟管理单元，其中，
所述总线接口用于与无人机上其他系统的数据接口；
所述时钟管理单元向所述FPGA处理芯片发送时钟控制信号，用于FPGA的主处理时钟信号；
所述FPGA处理芯片用于上下行数字信号处理，包括上行信号解扩、解调及下行信号调制，同时为高速ADC和DAC提供采样时钟信号；
所述PROM用于存储FPGA程序。
2.如权利要求1所述的微小型无人机数据链终端设备，其特征在于，所述DC/DC单元包括消涌电路、EMI滤波器以及电路转换子单元。
3.如权利要求1所述的微小型无人机数据链终端设备，其特征在于，所述频率源采用外部驯服的TCXO；当系统工作在校准模式时，地面时统送给机载频率源一个精确的IRIG-B信号及1pps信号；当系统工作在其他模式时，机载导航模块代替地面时统提供IRIG-B和1pps数据，若机载导航也无效的情况下，机载频率源工作为TCXO模式。
4.如权利要求1所述的微小型无人机数据链终端设备，其特征在于，所述射频模块还包括控制器、辅助接口以及电源管理单元；其中，
所述控制器用于控制发射机与接收机的增益及中心频率；
所述辅助接口包括用于频率源配置的辅助时钟接口、用于时间校准的外部1PPS接口以及用于寄存器配置的外部数据接口中的一种或者几种；
所述电源管理单元用于为所述射频模块供电。
5.如权利要求1所述的微小型无人机数据链终端设备，其特征在于，所述射频模块的接收机是一个直接变频系统，含有低噪声放大器(LNA)、混频器(Mixer)、匹配正交放大器(TIA)、频带内整形滤波器(LPF)、模数采样电路(ADC)、抽取滤波器(CIC)、数字增益放大器(DGA)、高内插率数字FIR滤波器(Rx FIR)以及辅助检测功能的LMT饱和检测(LMT PeakOverload Detector)、ADC溢出检测(ADC Peak Overload Detector)、CIC溢出检测(LowAverage Power Detector)、DGA溢出检测(Digital Overload Detector)。
6.如权利要求1所述的微小型无人机数据链终端设备，其特征在于，所述基带模块还包括：直接指令接口、高速ADC接口、高速DAC接口，其中：
所述直接指令接口用于FPGA处理芯片与外部之间直接指令信号的交互；
所述高速ADC及高速DAC用于完成上下行信号的数模及模数转换功能。
7.如权利要求1-6任一项所述的微小型无人机数据链终端设备，其特征在于，还包括地面测控终端设备，所述地面测控终端设备与所述机载终端设备结构相同。
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