CN113114334A - 一种基于vpx架构的可变频段1：1热备调制解调装置 - Google Patents

一种基于vpx架构的可变频段1：1热备调制解调装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于VPX架构的可变频段1：1热备调制解调装置，涉及卫星通信技术领域。它由两块调制解调单元、时钟管理单元、主控单元和电源等部件组成。它通过主控单元改变调制解调单元、时钟管理单元的工作参数和上报工作状态；通过对硬件的部分元器件更换和选装来实现中频频段的可变。本发明整套电路集成在6U VPX标准机箱内，具有集成化程度高、性能稳定可靠、重量轻、功耗低、结构简单等特点，相对于传统调制解调装置在系统中具有较强的兼容性，同时具有工作模式、调制解调方式和数据速率灵活可变等优点。

Description

一种基于VPX架构的可变频段1：1热备调制解调装置
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，特别是指一种基于VPX架构的可变频段1：1热备调制解调装置，可用作卫星通信系统中基于FDMA的信道传输的通用调制解调器。
背景技术
卫星通信系统拥有通信距离远、传输容量大、通信质量高的优点。当前卫星通信蓬勃发展，大量的固定站、车载船载站、移动便携站等地球站陆续投入使用。调制解调器作为卫星通信系统的主要设备之一也获得较大发展，已有多种型号设备投入使用。各个型号设备可能存在调制解调方式、编译码方式和组帧方式的差异，这些差异影响了不同型号的设备在卫星链路上互通性比较差。早期装备的调制解调器以符合IESS-308标准的设备为主，支持BPSK、QPSK等调制解调方式，支持卷积、卷积级联RS编译码和LDPC等编译码方式；近些年LDPC编译码以其优良的性能逐步获得广泛的应用，近期研制的多款设备均要求支持LDPC编译码。从保护用户早期投资以及系统平滑升级过渡角度出发，新研设备通常要具备向下兼容的特性，即要能够与之前装备的设备互连互通。由于功能的增加会带来FPGA逻辑资源的增加，简单的增加FPGA的逻辑资源不但会增加成本，还会给整合开发增加难度。
卫星通信系统的建设与常规通信系统建设类似，都属于网络基础设施建设。一个突出特点是前期投入资金比较大，但是完成天线、射频和基建等基础建设之后，再进行升级扩容的投入则相对较少。地球站内的多个调制解调器可以采用频分、码分、时分等多需共用射频设备，由于卫星转发器工作频段不同以及地球站站型各异，导致各个地球站射频链路不尽相同，可以功能互通的调制解调器会因为中频频段不同而存在多个型号，由于各个型号的硬件不同，因而不能互相替换。这种情况对研制、生产、维修等各个环节都带来不利影响。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种基于VPX架构的可变频段1：1热备调制解调装置,可作为通用信号处理装置，其通过对FPGA软件重载方式解决与不同设备的不同调制解调方式、编译码方式和组帧方式的互通性；通过对硬件的部分元器件更换和选装支持多频段（L中频和C中频）实现与不同地球站射频链路的对接，具有集成度高、速率灵活可变的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于VPX架构的可变频段1：1热备调制解调装置，包括主控单元1、时钟管理单元2、第一调制解调单元3、第二调制解调单元4和电源模块5；
所述主控单元1用于发送和接收外部的远控信息，将远控信息解析后转换成控制信息输出至第一调制解调单元3、第二调制解调单元4和时钟管理单元2，并接收第一调制解调单元3、第二调制解调单元4和时钟管理单元2输出相对应的状态信息，发送至远控设备；还用于发送和接收外部业务IP数据，将第一调制解调单元3或第二调制解调单元4输入的LVDS数据转换为IP数据发送至外部输出，并将输入的外部IP数据转换为LVDS数据输出至第一调制解调单元3或第二调制解调单元4；
第一调制解调单元3和第二调制解调单元4是完全相同的两个单元；信号调制时，将LVDS数据在控制信息的控制下进行数字信号处理和中频调制，转换为中频信号，并在控制信息的控制下根据调制解调装置的工作模式对中频信号进行滤波后输出至外部；信号解调时，在控制信息的控制下接收外部输入中频信号，并进行中频正交解调和基带数字信号处理转换成LVDS数据，输出至主控单元1；第一调制解调单元3和第二调制解调单元4还将自身工作状态信息输出至主控单元1。
进一步的，所述主控单元1包括数字信号处理器FPGA30，数字信号处理器FPGA30连接有第一数据电平转换模块、第二数据电平转换模块以及SPI总线控制器32，并通过业务数据以太网PHY器件33连接有业务数据网络变压器34，通过远控信息以太网PHY器件35连接有远控信息网络变压器36；所述第一数据电平转换模块包括第一路前向数据电平转换器24、第一路反向数据电平转换器25和第一远控信息电平转换器26；所述第二数据电平转换模块包括第二路前向数据电平转换器27、第二路前向数据电平转换器28和第二远控信息电平转换器29；
所述数字信号处理器FPGA30接收远控设备输出的远控信息，将远控信息解析后根据实际使用将控制信息输出至时钟管理单元2以及第一调制解调单元3或第二调制解调单元4；同时收集第一调制解调单元3或第二调制解调单元4、时钟管理单元2的状态信息汇总输出至远控设备；主控单元除控制两调制解调单元之间的主备在线切换之外，还控制业务数据的选通，并将相应的业务数据流切换至相应的单元；数字信号处理器FPGA30还将接收的前向LVDS同步数据经过转换成IP数据，并输出至业务终端；并接收业务终端发送的IP数据，经过转换变成反向LVDS同步数据。
进一步的，所述第一调制解调单元3和第二调制解调单元4均包括第一数字信号处理器FPGA11，所述第一数字信号处理器FPGA11连接有输入支路、输出支路、第二数字信号处理器FPGA19、单片机20、前向数据电平转换器21、反向数据电平转换器22、远控信息RS485电平转换器23，所述输入支路包括顺次连接的中频输入接口6、低通滤波器7、高通滤波器8、射频变压器9、正交解调器及A/D转换器10，所述输出支路包括顺次连接的正交调制器及D/A变换器13、射频变压器14、高通滤波器15、低通滤波器16、中频输出接口17；第一数字信号处理器FPGA11还连接有第一存储器12，第二数字信号处理器FPGA19还连接有第二存储器18；
所述数字信号处理器FPGA11接收主控单元1输出的控制信息，把控制信息转发给单片机20，同时收集状态信息输出至主控单元1；
所述单片机20把控制信息转化为特定格式的控制信号通过数字信号处理器FPGA11转发输送给正交解调器及A/D转换器10和正交调制器及D/A变换器13。
本发明与背景技术相比具有如下优点：
1. 本发明兼容性强，可以应用于不同中频频段的卫星地球站。
2. 本发明各部件集成化程度高，功耗低，整机调试工作量小，性能稳定可靠，能够在较恶劣的环境-20℃～60℃条件下正常工作。
3. 本发明采用标准外形结构，结构简单，内部紧凑，成本低，具有推广应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例中可变频段1：1热备调制解调装置的原理方框图。
图2是图1中调制解调单元的电原理图。
图3是图1中主控单元的电原理图。
具体实施方式
参照图1至图3，一种基于VPX架构的可变频段1：1热备调制解调装置，其由主控单元1、时钟管理单元2、第一调制解调单元3、第二调制解调单元4、电源模块5组成，图1是本发明的原理方框图，实施例按图1连接线路。其中主控单元1端口6与外部数据端口C连接，通过网口用于与外部数据交互，主控单元1把外部网络数据转为LVDS数据，主控单元1的LVDS数据端口1与调制解调单元3的数据端口2连接，主控单元1端口7通过网口与外部站控设备端口连接，用于实施对装置的控制和检测。主控单元1负责控制信息的分发和收集，主控单元1通过端口2与调制解调单元3、通过端口4与调制解调单元4、通过端口5与时钟管理单元2交互控制信息和状态信息，实现工作模式、调制解调参数、中频频率、接收电平和信噪比、时钟偏移等控制信息和状态信息的交互。主控单元1其作用是控制信息和业务数据的转换和分发。实施例采用现场可编程门阵列FPGA XC7Z045-2FFG900I、Flash存储器MT25QL01GABA、LVDS接口转换器DS90LV032ATMTC、以太网PHY器件88E1111-B2-BAB1I000、NAND FLASH存储器MTFC16GAKAEJP-4MIT制作。
本发明的时钟管理单元2端口2和端口5分别与第一第二调制解调单元的端口3连接，其作用就是向两块调制解调单元提供高精度高稳定度的成型采样时钟，确保调制解调单元的正常工作；时钟管理单元2端口4和端口7分别与第一第二调制解调单元的端口5连接，其作用是将中频输入端口A输入的L频段中频信号经端口8连接至分路器并输出送至两块调制解调单元；时钟管理单元2端口3和端口6分别与第一第二调制解调单元的端口4连接，其作用是将两块调制解调单元发出的中频信号连接至合路器经端口9连接至中频输出端口B；实施例采用市售恒温抗震晶振DMJ01B28-KZ-100MHz、中频分合路模块GFH-D4L制作。
本发明的第一调制解调单元3端口2与主控单元1的端口1连接，其作用是将主控单元1网口转换为LVDS数据与调制解调单元交互，调制解调单元3端口1与主控单元1的端口2连接，其作用是响应主控单元1下发的控制信息和完成调制解调单元3的状态信息上报，调制解调单元3输出端口4脚与时钟管理单元2端口3连接，其作用是将中频调制处理后的L频段中频信号输出；调制解调单元3输入端口5脚与时钟管理单元2端口4连接，其作用是将中频输入信号完成中频解调处理；存储器12存储数字信号处理器FPGA11需要加载的波形文件，根据控制信息加载需要的波形文件，数字信号处理器FPGA11进行基带处理后输出数字信号至正交调制器及D/A变换器13把数字信号模拟化处理，然后模拟化信号经射频变压器14变成中频信号进入高通滤波器15、低通滤波器16，经过滤波的中频信号在中频输出接口17输出，频率范围为950MHz-1450MHz；同时经过中频输入接口6输入的中频信号，进入低通滤波器7、高通滤波器8后经射频变压器9变成模拟化的信号，进入正交解调器及A/D转换器10变成数字信号进入数字信号处理器FPGA11转发至FPGA19进行基带处理；第一调制解调单元3端口1和第二调制解调单元4端口1分别与主控单元1端口2、端口4连接，其作用是将主控单元1输出的控制信息经RS485电平转换器23完成485电平信号与TTL电平信号的转换，从而实现控制信息的下发和状态信息的上报；单片机处理器20与数字信号处理器FPGA11的交互实现了将控制信息中与中频相关参数的进行特定的翻译，实现更方便的实现配置正交调制器及D/A变换器13和正交解调器及A/D转换器10；实施例数字信号处理器FPGA11采用XC7Z045-2FFG900I、存储器12采用MT29F4G08ABADAWP-IT、正交调制器及D/A变换器13采用AD9364BBCZ、数字信号处理器FPGA19采用XC7K410T-2FFG676I、存储器18采用MT25QL256ABA、正交调制器及D/A变换器13采用AD9364BBCZ、正交解调器及A/D转换器10采用AD9364BBCZ、射频变压器9和14采用TCM1-63AX+、高通滤波器8和15采用HFCN-880+、低通滤波器7和16采用LFCN-1450+、中频输出接口17和输入接口采用SSMA-KHD、单片机处理器20采用GD32F103ZET6、RS485电平转换器23采用MAX3160EAP、LVDS数据电平转换器21和22采用SCAN90004TVS。
通过将高通滤波器8和15更换为HFCN-2000+、低通滤波器7和16更换为LFCN-4000+的方法可实现将本装置支持的输出和输入中频的频率范围为2000MHz-4000MHz，实现C频段的接入。
本发明电源模块5其作用提供各级部件直流工作电压，实施例采用国产标准VPX6U5HP电源，其输出＋V1电压为＋5伏、输出＋V2电压为+12伏。
本发明简要工作原理如下：
本发明主控单元与外部进行业务数据交互，把外部IP数据转换为LVDS数据或把LVDS数据转换为外部IP数据；调制解调单元调制部分把主控单元送来的LVDS数据进行数字信号处理，中频调制等转换为中频信号输出，解调部分对输入的中频信号进行中频正交解调，基带数字信号处理转换为LVDS信号，送至主控单元。其内部主要由主控单元1、时钟管理单元2、第一调制解调单元3、第二调制解调单元4、电源模块5组成。各部分均采用了模块化设计技术，构成具有独立功能的相应单元。
本发明的安装结构如下：整机采用标准7U机箱，机箱内部采用标准6U VPX板卡，并采用模块化的实现方案，每个模块都采用独立的电路来实现；整机外形尺寸为482±4mm宽×310±2mm高×456±4 mm 深，在机箱两侧可以安装滑动导轨，机箱采用VPX板卡前置前插，机箱后部安装有电源插座、中频输入端口A插座、中频输出端口B插座、外部业务数据端口C插座、以及远控接口D插座，组装成本发明。
总之，本发明由两块调制解调单元、时钟管理单元、主控单元和电源等部件组成。它通过主控单元改变调制解调单元、时钟管理单元的工作参数和上报工作状态；通过对硬件的部分元器件更换和选装来实现中频频段的可变（L中频和C中频）。本发明整套电路集成在6U VPX标准机箱内，具有集成化程度高、性能稳定可靠、重量轻、功耗低、结构简单等特点，相对于传统调制解调装置在系统中具有较强的兼容性，同时具有工作模式、调制解调方式和数据速率灵活可变等优点。

Claims (3)

1.一种基于VPX架构的可变频段1：1热备调制解调装置，其特征在于，包括主控单元(1)、时钟管理单元(2)、第一调制解调单元(3)、第二调制解调单元(4)和电源模块(5)；
所述主控单元(1)用于发送和接收外部的远控信息，将远控信息解析后转换成控制信息输出至第一调制解调单元(3)、第二调制解调单元(4)和时钟管理单元(2)，并接收第一调制解调单元(3)、第二调制解调单元(4)和时钟管理单元(2)输出相对应的状态信息，发送至远控设备；还用于发送和接收外部业务IP数据，将第一调制解调单元(3)或第二调制解调单元(4)输入的LVDS数据转换为IP数据发送至外部输出，并将输入的外部IP数据转换为LVDS数据输出至第一调制解调单元(3)或第二调制解调单元(4)；
第一调制解调单元(3)和第二调制解调单元(4)是完全相同的两个单元；信号调制时，将LVDS数据在控制信息的控制下进行数字信号处理和中频调制，转换为中频信号，并在控制信息的控制下根据调制解调装置的工作模式对中频信号进行滤波后输出至外部；信号解调时，在控制信息的控制下接收外部输入中频信号，并进行中频正交解调和基带数字信号处理转换成LVDS数据，输出至主控单元(1)；第一调制解调单元(3)和第二调制解调单元(4)还将自身工作状态信息输出至主控单元(1)。
2.根据权利要求1所述的一种基于VPX架构的可变频段1：1热备调制解调装置，其特征在于，所述主控单元(1)包括数字信号处理器FPGA(30)，数字信号处理器FPGA(30)连接有第一数据电平转换模块、第二数据电平转换模块以及SPI总线控制器(32)，并通过业务数据以太网PHY器件(33)连接有业务数据网络变压器(34)，通过远控信息以太网PHY器件(35)连接有远控信息网络变压器(36)；所述第一数据电平转换模块包括第一路前向数据电平转换器(24)、第一路反向数据电平转换器(25)和第一远控信息电平转换器(26)；所述第二数据电平转换模块包括第二路前向数据电平转换器(27)、第二路前向数据电平转换器(28)和第二远控信息电平转换器(29)；
所述数字信号处理器FPGA(30)接收远控设备输出的远控信息，将远控信息解析后根据实际使用将控制信息输出至时钟管理单元(2)以及第一调制解调单元(3)或第二调制解调单元(4)；同时收集第一调制解调单元(3)或第二调制解调单元(4)、时钟管理单元(2)的状态信息汇总输出至远控设备；主控单元除控制两调制解调单元之间的主备在线切换之外，还控制业务数据的选通，并将相应的业务数据流切换至相应的单元；数字信号处理器FPGA(30)还将接收的前向LVDS同步数据经过转换成IP数据，并输出至业务终端；并接收业务终端发送的IP数据，经过转换变成反向LVDS同步数据。
3.根据权利要求1所述的一种基于VPX架构的可变频段1：1热备调制解调装置，其特征在于，所述第一调制解调单元(3)和第二调制解调单元(4)均包括第一数字信号处理器FPGA(11)，所述第一数字信号处理器FPGA(11)连接有输入支路、输出支路、第二数字信号处理器FPGA(19)、单片机(20)、前向数据电平转换器(21)、反向数据电平转换器(22)、远控信息RS485电平转换器(23)，所述输入支路包括顺次连接的中频输入接口(6)、低通滤波器(7)、高通滤波器(8)、射频变压器(9)、正交解调器及A/D转换器(10)，所述输出支路包括顺次连接的正交调制器及D/A变换器(13)、射频变压器(14)、高通滤波器(15)、低通滤波器(16)、中频输出接口(17)；第一数字信号处理器FPGA(11)还连接有第一存储器（12），第二数字信号处理器FPGA(19)还连接有第二存储器(18)；
所述数字信号处理器FPGA(11)接收主控单元(1)输出的控制信息，把控制信息转发给单片机(20)，同时收集状态信息输出至主控单元(1)；
所述单片机(20)把控制信息转化为特定格式的控制信号通过数字信号处理器FPGA(11)转发输送给正交解调器及A/D转换器（10）和正交调制器及D/A变换器(13)。
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