CN112564763B - 通用数字化卫星载荷硬件平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通用数字化卫星载荷硬件平台，包括卫星天线、多通道射频收发模块、数字处理模块、星上高速总线、业务扩展模块和电源模块，多通道射频收发模块与卫星天线相连，多通道射频收发模块的上下变频频率可调以用于调节射频频率覆盖范围从而满足不同的功能需求；多通道射频收发模块与数字处理模块相连，数字处理模块内设置有软件重构单元，数字处理模块与星上高速总线，业务扩展模块与数字处理模块相连。本发明将具有差异性的需求用通用的硬件设计方法实现，这样可以使卫星载荷的开发成本大大降低，缩短开发周期，并具有更好的自动化测试性。并且平台的扩展性强，还具有软件重构能力，可靠性高。

Description

通用数字化卫星载荷硬件平台

技术领域

本发明涉及卫星载荷领域，具体的涉及一种通用数字化卫星载荷硬件平台。

背景技术

北斗载荷基带处理模块在北斗卫星组网中得到了广泛应用。由于不同载荷基带模块的应用场景不同，实现功能有差异，所以目前根据不同的功能模块，划分了多个类型的载荷单机，每类载荷单机都设计了单独的硬件平台。

卫星载荷硬件平台目前在实际工程应用中有三个突出的问题有待解决：物料成本高、产品周期长、可扩展性差。

卫星载荷产品由于其应用的特殊环境和功能，需要具有极高的可靠性要求。卫星载荷硬件是要应用在复杂太空环境中的产品，太空中主要有以下三种辐射源：地球辐射带捕获电子、地球辐射带捕获质子和太阳耀斑质子，要对抗复杂恶劣的空间环境需要的硬件器件成本非常高，如果每个功能单机使用单独的硬件平台，会使硬件成本居高不下。并且不同的硬件设计造成硬件制造、测试的不一致性，加大了硬件设备制造的复杂度和周期。

目前国家在推广低地球轨道星座部署，由数百、上千颗低轨卫星组成，用于完成特定任务的卫星集群。卫星数量庞大对成本、开发周期、可扩展性的优化需求十分迫切。此外现有的卫星载荷硬件平台在复杂太空环境中还会因为单粒子翻转导致系统失效。

以往受限于射频模块的频率范围和带宽，以及数字处理模块的抗辐射能力，不同载荷需要独立的硬件设计，导致载荷硬件种类过多，造成硬件设计成本过高，设计、制造的复杂度高周期长。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种通用数字化卫星载荷硬件平台，能够解决现有卫星载荷硬件平台类型多、各个硬件平台不能统一、可扩展性差的问题。

根据本发明实施例的一种通用数字化卫星载荷硬件平台，包括：卫星天线，用于收发射频信号；多通道射频收发模块，所述多通道射频收发模块与卫星天线相连以用于将完成射频信号和中频数字信号的转换，所述多通道射频收发模块的上下变频频率可调以用于调节射频频率覆盖范围从而满足不同的功能需求；数字处理模块，所述多通道射频收发模块与数字处理模块相连以用于传输中频数字信号，所述数字处理模块内设置有软件重构单元以用于实现卫星载荷软件的重构，星上高速总线，所述数字处理模块与星上高速总线相连以用于与卫星其他系统传输数据；业务扩展模块，所述业务扩展模块与数字处理模块相连以用于新增能够满足不同功能需求的业务模块；电源模块，所述电源模块用于供电。

根据本发明实施例的通用数字化卫星载荷硬件平台，至少具有如下技术效果：本发明实施方式中卫星天线接收射频信号后送入多通道射频收发模块，多通道射频收发模块件将射频信号经过放大、滤波、ADC采样后得到中频数字信号传输给数字处理模块，数字处理模块接收中频数字信号通过星上高速总线反馈给卫星上其他设备，然后接收反馈数据生成DAC数字信号，送到多通道射频收发模块转为射频信号发出。

射频收发模块采用上下变频频率可调的多通道射频收发模块，可以根据不同的功能需要实现不同的射频频率调节，射频频率覆盖范围宽，超宽的射频频率不仅可以覆盖目前已知的绝大部分卫星接收、发射频率，并且可以支持3G/4G/5G的通信应用，可以满足各种功能需求，无需针对不同的需求制造不同的硬件平台，成本低。此外数字处理模块具有软件重构功能，可以实现地面控制系统对卫星载荷软件的重构，能够保证系统正确加载和刷新，保证系统在太空环境中稳定运行。

并且配置有业务扩展模块，用户可以按照通用平台规范设计适合自己需求的业务单板，通过业务扩展模块无缝接入到平台内，使得平台具有更好的扩展性，并且能适用在更多的应用场景。可以使卫星载荷的开发成本大大降低，缩短开发周期，并具有更好的自动化测试性。

根据本发明的一些实施例，所述多通道射频收发模块包括功分器、一个或多个N通道射频收发芯片，低噪声放大器、滤波模块，所述卫星天线通过功分器连接N通道射频收发芯片，所述功分器的通过依次连接的若干路低噪声放大器和滤波模块与N通道射频收发芯片的模拟端相连，每一个通道对应一路低噪声放大器和滤波模块，所述N通道射频收发芯片通过ADC数字总线和DAC数字总线连接数字处理模块。

根据本发明的一些实施例，所述N通道射频收发芯片为四通道射频收发芯片。

根据本发明的一些实施例，所述数字处理模块包括一个或多个FPGA、DSP、SDRAM、反熔丝和重构flash，所述FPGA通过ADC数字总线和DAC数字总线连接多通道射频收发模块，所述反熔丝分别与FPGA和DSP与相连以用于实现重构，所述反熔丝与flash相连以用于读取重构数据，所述FPGA与DSP相连，所述DSP与SDRAM相连。

根据本发明的一些实施例，所述FPGA、DSP和反熔丝通过EMIF总线互相连接，所述FPGA通过RAPID IO口连接DSP，所述FPGA通过串口连接反熔丝。

根据本发明的一些实施例，所述FPGA的型号为Kintex-7。

根据本发明的一些实施例，所述多通道射频收发模块、数字处理模块、业务扩展模块和电源模块通过底板PCB互联。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例中通用数字化卫星载荷硬件平台的原理框图；

图2为本发明实施例中多通道射频收发模块的硬件原理图；

图3为本发明实施例中数字处理模块的硬件原理图。

附图标号

多通道射频收发模块100、功分器110、低噪声放大器120、滤波电路130、四通道射频收发芯片140、数字处理模块200、FPGA210、DSP220、SDRAM230、反熔丝240、重构flash250、业务扩展模块300、电源模块400、星上高速总线500、卫星天线600。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参考图1，一种通用数字化卫星载荷硬件平台，包括：卫星天线600、多通道射频收发模块100、数字处理模块200、业务扩展模块300、电源模块400和星上高速总线500，多通道射频收发模块100、数字处理模块200、业务扩展模块300和电源模块400通过底板PCB互联，组成一个通用的硬件平台。

射频收发模块100、数字处理模块200的数量可以根据需要进行增减，如果需要扩展处理资源，可以通过插入多个多通道射频收发模块100或多个数字处理模块200实现多种不同应用场景。业务扩展模块300是对于具有不同应用需求的卫星业务，扩展出具有不同功能的业务模块，只要按照统一的平台规范设计，可以完全兼容到通用平台中。电源模块400接收卫星平台电源输入，完成电源二次转换，通过背板给各模块提供工作需要电压。

参考图2，多通道射频收发模块100包括功分器110、两个四通道射频收发芯片140、低噪声放大器120、滤波电路130，卫星天线600通过功分器110连接N通道射频收发芯片，为了实现上下变频率可调，本发明中四通道射频收发芯片140的型号为ADRV9026,ADRV9026Z含有两个完全相同的频率合成器，用于为RF信号路径生成需要的LO信号：一个用于接收器，一个用于发射器。锁相环(PLL)频率合成器采用小数N设计，融入了完全集成式电压控制振荡器(VCO)和环路滤波器。在TDD模式下，频率合成器会根据Rx和Tx帧的需要开启和关闭。在FDD模式下，Tx PLL和Rx PLL可以同时激活。

功分器110通过依次连接的若干路低噪声放大器120和滤波电路130与N通道射频收发芯片的模拟端相连，每一个通道对应一路低噪声放大器120和滤波电路130，N通道射频收发芯片通过ADC数字总线和DAC数字总线连接数字处理模块200。卫星天线600接收射频信号后，通过SMA端口经功分器110分路后接入到多通道射频收发模块100。系统工作时钟也通过SMA端口接入后，在板内通过时钟模块，即时钟驱动器分发使用。

功分器110、低噪声放大器120、滤波电路130组成射频前端信号处理电路，主要实现射频信号输入和放大、卫星天线600馈电、卫星天线600馈电保护、射频信号分路、射频信号选频滤波等功能。

本发明采用的多通道射频收发模块100具有很强的通用性，通过两个四通道射频收发芯片140可以使得多通道射频收发模块100具备8路射频输入、8路射频输出。并且其具有数字化可调上下变频频率，射频频率范围能够覆盖6Ghz，带宽200Mhz。超宽的射频频率不仅可以覆盖目前已知的绝大部分卫星接收、发射频率，并且可以支持3G/4G/5G的通信应用。ADC采样后的中频数字信号通过背板上的ADC数字总线送到数字处理模块处理。同样数字处理模块生成的DAC数字信号，也通过背板上的DAC数字总线送到多通道射频收发模块100转为射频信号发出。

参考图3，数字处理模块200包括两个FPGA210、DSP220、SDRAM230，软件重构单元包括反熔丝240和重构flash250，FPGA210通过ADC数字总线和DAC数字总线连接多通道射频收发模块100，反熔丝240分别与FPGA210和DSP220与相连以用于实现重构，反熔丝240与flash相连以用于读取重构数据，FPGA210与DSP220相连，DSP220与SDRAM230相连。FPGA210、DSP220和反熔丝240通过EMIF总线互相连接，FPGA210通过RAPID IO口连接DSP220，FPGA210通过串口连接反熔丝240。

根据对不同卫星载荷业务需求资源的分析，每个数字处理模块200上集成了2片抗辐FPGA，型号为Kintex-7，处理资源是目前主流卫星载荷处理资源的5-10倍。平台中可以集成多块数字处理模块，可以满足已知各类卫星载荷对处理资源的需求。并且Kintex-7FPGA由于其更先进的工艺水平，同等处理能力下功耗减小30％左右。

处理器使用多核DSP。重构Flash250内存储有FPGA和DSP的程序，保证系统正确加载和刷新。反熔丝可以实现地面控制系统对卫星载荷软件的重构，保证系统在太空环境中稳定运行。

还包括星上高速总线500，数字处理模块200通过星上高速总线500与卫星其他系统传输数据。

现有载荷硬件平台和本发明实施例的通用数字化卫星载荷硬件平台的对比如表1所示；

表1

功能性	现有载荷	通用化平台
			不同功能载荷硬件	独立硬件设计	统一平台
规范性	无	规范化
			处理资源	1000万门	7000万门(可扩展)
射频模块频率	1.5Ghz	6Ghz
			射频模块上下变频	固定	可编程
射频模块通道	3-4路	8路
			射频模块通道模式	收发独立	收发一体
通信功能	无	3G/4G/5G
			同等资源功耗	高	低30％
外围接口	不一致	统一化
			可扩展性	无	强
开发成本	高	低
			开发周期	长	短
可测试性	一般	强/统一

通过与现有载荷硬件平台的对比，展示了通用数字化卫星载荷平台的技术优势和独特性。

本发明实施例的通用数字化卫星载荷硬件平台解决了以往硬件设计种类过多的问题，将具有差异性的需求用通用的硬件设计方法实现，这样可以使卫星载荷的开发成本大大降低，缩短开发周期，并具有更好的自动化测试性。用户可以按照通用平台规范设计适合自己需求的业务单板，可以无缝接入到通用平台，使得平台具有更好的扩展性，并且能适用在更多的应用场景。

并且平台具备软件重构的能力，在硬件相同的情况下，甚至可以做到上注不同的软件到通用平台，使卫星载荷在多种模式下切换，能够保证系统正确加载和刷新，保证系统在太空环境中稳定运行。

以往受限于射频模块的频率范围和带宽，不同载荷需要独立的硬件设计。本发明中的多通道射频收发模块100有8个通道，频率覆盖6Ghz带宽200Mhz，在同等尺寸、功耗下大大提高了射频模块的使用范围，并且带ADC和DAC采样，可以大大降低对数字处理模块的要求，使数字处理模块更方便平台化。

以往数字处理模块受限于处理资源不够大以及功耗、体积、对外接口不统一等原因，各个载荷硬件差异性较大。本发明中的数字处理模块200，采用了比以往传统载荷处理资源大5倍以上的抗辐照FPGA，并且资源还可以通过增加对应模块实现扩展。由于更先进的工艺技术，功耗较以往下降30％左右。基于以上先进技术基础，使得载荷的数字处理模块200可以做到统一平台化，并且保证了体积、功耗等各方面因素满足要求。平台化定义了统一的外围接口和传输接口，不仅使接口统一，也使各单位可以将自己按规范设计的业务模块无缝接入到平台中。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.一种通用数字化卫星载荷硬件平台，其特征在于，包括：

卫星天线（600），用于收发射频信号；

多通道射频收发模块（100），所述多通道射频收发模块（100）与卫星天线（600）相连以用于将完成射频信号和中频数字信号的转换，所述多通道射频收发模块（100）的上下变频频率可调以用于调节射频频率覆盖范围从而满足不同的功能需求；

数字处理模块（200），所述多通道射频收发模块（100）与数字处理模块（200）相连以用于传输中频数字信号，所述数字处理模块（200）内设置有软件重构单元以用于实现卫星载荷软件的重构；

星上高速总线（500），所述数字处理模块（200）与星上高速总线（500）相连以用于与卫星其他系统传输数据；

业务扩展模块（300），所述业务扩展模块（300）与数字处理模块（200）相连以用于新增能够满足不同功能需求的业务模块；

电源模块（400），所述电源模块（400）用于供电；

所述数字处理模块（200）包括一个或多个FPGA（210）、一个DSP（220）、一个SDRAM（230），所述软件重构单元包括反熔丝（240）和重构flash（250），所述FPGA（210）通过ADC数字总线和DAC数字总线连接多通道射频收发模块（100），所述反熔丝（240）分别与FPGA（210）和DSP（220）与相连以用于实现重构，所述反熔丝（240）与flash相连以用于读取重构数据，所述FPGA（210）与DSP（220）相连，所述DSP（220）与SDRAM（230）相连。

2.根据权利要求1所述的通用数字化卫星载荷硬件平台，其特征在于：所述多通道射频收发模块（100）包括功分器（110）、一个或多个N通道射频收发芯片、低噪声放大器（120）、滤波电路（130），所述卫星天线（600）通过功分器（110）连接N通道射频收发芯片，所述功分器（110）的通过依次连接的若干路低噪声放大器（120）和滤波电路（130）与N通道射频收发芯片的模拟端相连，每一个通道对应一路低噪声放大器（120）和滤波电路（130），所述N通道射频收发芯片通过ADC数字总线和DAC数字总线连接数字处理模块（200）。

3.根据权利要求2所述的通用数字化卫星载荷硬件平台，其特征在于：所述N通道射频收发芯片为四通道射频收发芯片（140）。

4.根据权利要求1所述的通用数字化卫星载荷硬件平台，其特征在于：所述FPGA（210）、DSP（220）和反熔丝（240）通过EMIF总线互相连接，所述FPGA（210）通过RAPID IO口连接DSP（220），所述FPGA（210）通过串口连接反熔丝（240）。

5.根据权利要求4所述的通用数字化卫星载荷硬件平台，其特征在于：所述FPGA（210）的型号为Kintex-7。

6.根据权利要求1所述的通用数字化卫星载荷硬件平台，其特征在于：所述多通道射频收发模块（100）、数字处理模块（200）、业务扩展模块（300）和电源模块（400）通过底板PCB互联。

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