CN113220274A - 一种基于射频数字可定义的系统架构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于射频数字可定义的系统架构，属于空间电子的技术领域，该系统架构包括：通用硬件层，所述通用硬件层包括通用控制模块和各个不同类型的系列模块，各个不同类型的系列模块根据应用功能的需求进行选择配置，并通过通用控制模块对选择配置后的系列模块进行控制；基础软件层，所述基础软件层包括通用控制模块和各个不同类型的系列模块所需的基础软件；应用软件层，所述应用软件层包括多个根据应用功能需求所定义的应用软件，各所述应用软件储存于通用控制模块，并通过通用控制模块加载于选择配置后的系列模块，以达到实现星载电子信息载荷功能可定义、可扩展，且在实现多功能应用的同时降低系统的复杂度、成本、开发周期的目的。

Description

一种基于射频数字可定义的系统架构及其设计方法

技术领域

本发明属于空间电子的技术领域，具体而言，涉及一种基于射频数字可定义的系统架构及其设计方法。

背景技术

随着航天技术的发展，诸如频谱监测、电子信号测量、ADS-B信息采集、物联网通信等技术应用的实现也逐步通过电子信息载荷系统统一集成于卫星平台中，从而为各类用户提供全天候服务的能力。

一般的，随着系统应用和系统传感器数量增加，传统的星载电子信息载荷每增加一个功能，其系统总体架构、新增功能模块、各模块之间的数据流、系统控制软件等通常需要重新进行设计，使得整个电子信息载荷复杂度、成本、开发周期迅速上升，同时也带来系统可靠性的降低的影响。

为了保障电子信息载荷系统的可靠性，通常会采用模块备份或整机备份的方式，但这又增加了系统的物料成本、重量与发射成本。

发明内容

鉴于此，为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种基于射频数字可定义的系统架构及其设计方法以达到通过该系统设计方法对载荷进行设计，实现星载电子信息载荷功能可定义、可扩展，且能够在实现多功能应用的同时降低系统的复杂度、成本、开发周期的目的。

本发明所采用的技术方案为：一种基于射频数字可定义的系统架构，该系统架构包括：

通用硬件层，所述通用硬件层包括通用控制模块和各个不同类型的系列模块，各个不同类型的系列模块根据应用功能的需求进行选择配置，并通过通用控制模块对选择配置后的系列模块进行控制；

基础软件层，所述基础软件层包括通用控制模块和各个不同类型的系列模块所需的基础软件；

应用软件层，所述应用软件层包括多个根据应用功能需求所定义的应用软件，各所述应用软件储存于通用控制模块，并通过通用控制模块加载于选择配置后的系列模块。

进一步地，各个不同类型的系列模块分别为：天线类系列模块、射频类系列模块、数字类系列模块、电源类系列模块、路由类系列模块，所述路由类系列模块包括射频路由矩阵、中频路由矩阵和电源路由矩阵；

所述通用控制模块、数字类系列模块、中频路由矩阵、射频类系列模块、射频路由矩阵和天线类系列模块依次通信连接，且电源类系列模块通过电源路由矩阵分别对通用控制模块、数字类系列模块、中频路由矩阵、射频类系列模块和射频路由矩阵供电。

进一步地，所述天线类系列模块包括多个不同类的天线，各所述天线与射频路由矩阵通信连接。

进一步地，所述射频类系列模块包括多个射频模块，各所述射频模块的一端分别与频路由矩阵通信连接，另一端分别与中频路由矩阵通信连接；各所述射频模块均设有多个射频通道，且同一射频模块的各个射频通道之间可通过射频路由矩阵切换。

进一步地，所述数字类系列模块包括多个信号采集处理模块，各所述信号采集处理模块的一端分别与中频路由矩阵通信连接，另一端分别与通用控制模块通信连接。

进一步地，所述基础软件包括星地/星间链路处理软件、重构链路收发处理软件和系统控制软件，所述系统控制软件运行于通用控制模块，星地/星间链路处理软件和重构链路收发处理软件运用于任意一信号采集处理模块；

各所述应用软件通过通用控制模块加载至任意一信号采集处理模块。

进一步地，所述信号采集处理模块包括：第一FPGA芯片、分别与第一FPGA芯片连接的第二FPGA芯片和DSP芯片，所述第一FPGA芯片连接有多个集成收发芯片，且各个集成收发芯片分别通信连接至中频路由矩阵；

所述第一FPGA芯片和第二FPGA芯片分别与通用控制模块连接，且第二FPGA芯片与DSP芯片连接。

进一步地，所述信号采集处理模块还包括：二次电源，所述二次电源分别与第一FPGA芯片、第二FPGA芯片、DSP芯片和电源路由矩阵连接。

进一步地，所述电源类系列模块包括多个不同的电源模块，各所述电源模块分别与电源路由矩阵电连接，且通过电源路由矩阵对各所述电源模块的通路进行切换。

在本发明中还提供了一种基于射频数字可定义的系统架构的设计方法，该设计方法应用于上述所述的基于射频数字可定义的系统架构，该设计方法包括：

分别构建通用硬件层、基础软件层和应用软件层，所述通用硬件层根据应用功能的需求进行选择配置；

其中，将基础软件层运行于通用硬件层，且将应用软件层加载于通用硬件层。

本发明的有益效果为：

1.经本发明所提供的基于射频数字可定义的系统架构，系统架构的好处在于不额外增加备份电源模块、信号采集处理模块、射频收发模块的情况下，使得星载电子信息载荷系统的可靠度相比传统设计方法得到了大幅提升，同时，采用的系统设计方法具备模块化、系列化、低成本的特征，频段和功能的扩展仅通道和模块数量的增加，无需改变原先已有通道和模块设计，使得星载综合电子信息载荷系统功能灵活可定义、可扩展，降低了研发周期与成本。

附图说明

图1是本发明所提供的基于射频数字可定义的系统架构的整体架构图；

图2是本发明所提供的基于射频数字可定义的系统架构的通用硬件层架构图；

图3是本发明所提供的基于射频数字可定义的系统架构中信号采集处理模块的架构图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，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模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

实施例1

在本实施例中具体提供了一种基于射频数字可定义的系统架构，旨在实现卫星载荷在不增加备份模块或备份载荷系统的情况下，系统的可靠性可以得到提升。在本实施例中，以星载电子信息载荷系统为例，基于该系统架构进行设计的星载电子信息载荷系统，其具有灵活、可重构、高可靠、低成本的优点。

该星载电子信息载荷系统的系统架构采用“三层次”系统架构设计，其包括：通用硬件层、基础软件层和应用软件层，在通用硬件层、基础软件层和应用软件层的相互配合下，通过模块化、系列化、组合化和可重构的方式完成对电子信息载荷系统的设计，进而实现该星载电子信息载荷系统具有灵活、可重构、高可靠以及低成本的优点。

通过该“三层次”系统架构设计可实现星载电子信息载荷系统的通用硬件互为备份、系统功能灵活配置、系统功能灵活扩展和系统应用软件灵活可重构。

对于通用硬件层的架构设计

通用硬件层包括通用控制模块和各个不同类型的系列模块，各个不同类型的系列模块根据应用功能的需求进行选择配置并通过通用控制模块对选择配置后的系列模块进行控制，由通用控制模块和选择配置的系列模块满足该星载电子信息载荷系统的功能需求。

在本实施例中，如图1所示，星载电子信息载荷系统的通用硬件层架构由“五大类系列模块”和通用控制模块构成，其中，“五大类系列模块”包括：天线类系列模块、射频类系列模块、数字类系列模块、电源类系列模块、路由类系列模块，而通用控制模块则用于对各个对应系列模块进行控制。

①天线类系列模块

天线类系列模块包括多个不同类的天线，各所述天线与射频路由矩阵通信连接，各个不同类的天线是指：不同形状、不同增益、不同波束宽度或不同极化等的天线，即对应图2中的天线1～天线k，由这一系列的天线构成了“天线硬件资源池”，在进行系统设计时根据星载电子信息载荷系统应用功能的需求进行选择配置对应的天线并由射频路由矩阵切换对应的通道，以满足系统设计的功能需求。

②射频类系列模块

射频类系列模块包括多个射频模块，在本实施例中，射频类系列模块由射频模块1～射频模块L构成，各所述射频模块的一端分别与频路由矩阵通信连接，另一端分别与中频路由矩阵通信连接。各所述射频模块均设有多个射频通道，这些射频通道从“射频硬件资源池”(不同频段、不同增益等的收发通道、变频通道共同构成)中进行选择，并由射频路由矩阵切换至对应的射频通道。

例如：射频模块1的多个射频通道分别为射频通道1、射频通道2...射频通道n，且射频通道1、射频通道2...射频通道n分别配置有备用通道，一方面，当射频通道1失效后，则可由射频通道1的备份通道工作；另一方面，当其中任意一个射频通道(如：射频通道1和其备份通道)失效后，由于同一射频模块的各个射频通道之间可通过射频路由矩阵切换，可通过射频路由矩阵切换到其他可用射频通道(如：射频通道2...射频通道n)，以满足其他频段的功能需求，保障电子信息载荷系统射频通道的正常工作。

③数字类系列模块

数字类系列模块包括多个信号采集处理模块，在实施例中，由同种规格的信号采集处理模块1～信号采集处理模块M构成，以实现各个信号采集处理模块互为冗余，各所述信号采集处理模块的一端分别与中频路由矩阵通信连接，另一端分别与通用控制模块通信连接。

每一块信号采集处理模块均采用基于软件无线电的多通道收发架构进行设计，使得各信号采集处理模块均能实现任意功能的宽带中频信号采集、宽带中频信号生成、宽带数字信号处理。

如图3所示，在具体设计时，信号采集处理模块包括：第一FPGA芯片、分别与第一FPGA芯片连接的第二FPGA芯片和DSP芯片，第一FPGA芯片和DSP芯片实现不同应用功能的信号处理，第二FPGA芯片用于接收来自通用控制模块的应用重构数据，实现对信号采集处理模块的功能加载。

将第一FPGA芯片连接有多个集成收发芯片，且各个集成收发芯片分别通信连接至中频路由矩阵，集成收发芯片实现统一中频信号的采集、生成；所述第一FPGA芯片和第二FPGA芯片分别与通用控制模块连接，且第二FPGA芯片与DSP芯片连接，所述信号采集处理模块还包括：二次电源，所述二次电源分别与第一FPGA芯片、第二FPGA芯片、DSP芯片和电源路由矩阵连接，以确保该信号采集处理模块的正常供电和正常应用。

由于各个信号采集处理模块之间互为冗余，当任意一个信号采集处理模块失效后，其运行的功能可通过重构的方式加载至未失效的信号采集处理模块，从而保障功能正常运行。

④电源类系列模块

电源类系列模块包括多个不同的电源模块，在本实施例中，由输出不同电压、电流的电源模块1～N构成，各所述电源模块分别与电源路由矩阵电连接，且通过电源路由矩阵对各所述电源模块的各个通路进行切换，同时，在系统设计时可根据天线类系列模块、路由类系列模块、射频类系列模块、数字类系列模块以及通用控制模块对电源的需求进行选择配置，以满足各个系列模块正常工作的供电需求。

在实际应用时，对任意一个独立的电源模块设有多个电源通路，例如：当前电源模块设有4个输出5V的直流电压通路，当某一个5V直流电压通路出现失效时，则通过电源路由矩阵实现切换至该电源模块中其他的5V直流电压通路，仍然能够满足天线类系列模块、路由类系列模块、射频类系列模块、数字类系列模块以及通用控制模块对电源的需求，保障用电模块的正常供电。

⑤路由类系列模块

路由类系列模块包括射频路由矩阵、中频路由矩阵和电源路由矩阵，所述通用控制模块、数字类系列模块、中频路由矩阵、射频类系列模块、射频路由矩阵和天线类系列模块依次通信连接，且电源类系列模块通过电源路由矩阵分别对通用控制模块、数字类系列模块、中频路由矩阵、射频类系列模块和射频路由矩阵供电。

射频路由矩阵实现天线类系列模块的射频接口与射频类系列模块的射频接口之间的任意路由切换；数字路由矩阵实现射频类系列模块的中频接口与数字类系列模块的中频接口之间的任意路由切换；电源路由矩阵实现电源类系列模块的电源信号与其他各系列模块的电源接口之间的任意路由切换。

在射频路由矩阵、中频路由矩阵和电源路由矩阵实现整个星载电子信息载荷系统的灵活性。

对于基础软件层的架构设计

基础软件层包括通用控制模块和各个不同类型的系列模块所需的基础软件；在本实施例中，基础软件包括星地/星间链路处理软件、重构链路收发处理软件和系统控制软件，所述系统控制软件运行于通用控制模块，星地/星间链路处理软件和重构链路收发处理软件运用于任意一信号采集处理模块j∈[1,M]。

对于应用软件层的架构设计

应用软件层包括多个根据应用功能需求所定义的应用软件，在本实施例中，分别为应用软件1～应用软件H，各所述应用软件储存于通用控制模块中，并通过通用控制模块加载于对应的信号采集处理模块中，即：信号采集处理模块j∈[1,M]。

在实际应用时，对于任意应用软件i∈[1,H]，可通过通用控制模块加载于任意的信号采集处理模块j∈[1,M]，以满足不同的应用功能需求，从而实现软件的“灵活可重构”。

在某卫星的电子信息载荷系统设计中，利用了基于上述所提供的基于射频数字可定义的系统架构，实现了频谱监测、信号测量、ADS-B信息采集、物联网通信等多个功能、多个频段的系统集成设计，大大降低了研发周期(降低6个月)与成本(降低40％)，同时在不增加备份模块的情况下，电子信息载荷系统的可靠性得到了提升(五年末期可靠度从0.75提升到了0.9)。

实施例2

在本发明中还提供了一种基于射频数字可定义的系统架构的设计方法，该设计方法应用于上述所述的基于射频数字可定义的系统架构，该设计方法包括：

分别构建通用硬件层、基础软件层和应用软件层；在构建通用硬件层时，其通用硬件层主要由“五大类系列模块”和通用控制模块构成，“五大类系列模块”包括：天线类系列模块、射频类系列模块、数字类系列模块、电源类系列模块、路由类系列模块，通用控制模块实现对各个对应系列模块进行控制。在实际应用中，根据应用功能的需求分别对天线类系列模块、射频类系列模块、数字类系列模块、电源类系列模块进行选择配置，选择出的天线、射频模块、信号采集处理模块以及电源模块在结合通用控制模块、射频路由矩阵、中频路由矩阵和电源路由矩阵的情况下，形成能够满足当前应用功能需求的星载电子信息载荷系统的系统架构；

将基础软件层中的基础软件运行于通用硬件层中通用控制模块和信号采集处理模块，且通过通孔控制模块将应用软件层中的应用软件加载于通用硬件层中的信号采集处理模块。

通过上述方式所设计的基于射频数字可定义的系统架构，其具有多功能、可重构、高可靠、低成本的优点。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于射频数字可定义的系统架构，其特征在于，该系统架构包括：

通用硬件层，所述通用硬件层包括通用控制模块和各个不同类型的系列模块，各个不同类型的系列模块根据应用功能的需求进行选择配置，并通过通用控制模块对选择配置后的系列模块进行控制；

基础软件层，所述基础软件层包括通用控制模块和各个不同类型的系列模块所需的基础软件；

应用软件层，所述应用软件层包括多个根据应用功能需求所定义的应用软件，各所述应用软件储存于通用控制模块，并通过通用控制模块加载于选择配置后的系列模块。

2.根据权利要求1所述的基于射频数字可定义的系统架构，其特征在于，各个不同类型的系列模块分别为：天线类系列模块、射频类系列模块、数字类系列模块、电源类系列模块、路由类系列模块，所述路由类系列模块包括射频路由矩阵、中频路由矩阵和电源路由矩阵；

所述通用控制模块、数字类系列模块、中频路由矩阵、射频类系列模块、射频路由矩阵和天线类系列模块依次通信连接，且电源类系列模块通过电源路由矩阵分别对通用控制模块、数字类系列模块、中频路由矩阵、射频类系列模块和射频路由矩阵供电。

3.根据权利要求2所述的基于射频数字可定义的系统架构，其特征在于，所述天线类系列模块包括多个不同类的天线，各所述天线与射频路由矩阵通信连接。

4.根据权利要求2所述的基于射频数字可定义的系统架构，其特征在于，所述射频类系列模块包括多个射频模块，各所述射频模块的一端分别与频路由矩阵通信连接，另一端分别与中频路由矩阵通信连接；各所述射频模块均设有多个射频通道，且同一射频模块的各个射频通道之间可通过射频路由矩阵切换。

5.根据权利要求2所述的基于射频数字可定义的系统架构，其特征在于，所述数字类系列模块包括多个信号采集处理模块，各所述信号采集处理模块的一端分别与中频路由矩阵通信连接，另一端分别与通用控制模块通信连接。

6.根据权利要求5所述的基于射频数字可定义的系统架构，其特征在于，所述基础软件包括星地/星间链路处理软件、重构链路收发处理软件和系统控制软件，所述系统控制软件运行于通用控制模块，星地/星间链路处理软件和重构链路收发处理软件运用于任意一信号采集处理模块；

各所述应用软件通过通用控制模块加载至任意一信号采集处理模块。

7.根据权利要求6所述的基于射频数字可定义的系统架构，其特征在于，所述信号采集处理模块包括：第一FPGA芯片、分别与第一FPGA芯片连接的第二FPGA芯片和DSP芯片，所述第一FPGA芯片连接有多个集成收发芯片，且各个集成收发芯片分别通信连接至中频路由矩阵；

所述第一FPGA芯片和第二FPGA芯片分别与通用控制模块连接，且第二FPGA芯片与DSP芯片连接。

8.根据权利要求7所述的基于射频数字可定义的系统架构，其特征在于，所述信号采集处理模块还包括：二次电源，所述二次电源分别与第一FPGA芯片、第二FPGA芯片、DSP芯片和电源路由矩阵连接。

9.根据权利要求2所述的基于射频数字可定义的系统架构，其特征在于，所述电源类系列模块包括多个不同的电源模块，各所述电源模块分别与电源路由矩阵电连接，且通过电源路由矩阵对各所述电源模块的通路进行切换。

10.一种基于射频数字可定义的系统架构的设计方法，该设计方法应用于如权利要求1-9任意一项所述的基于射频数字可定义的系统架构，该设计方法包括：

分别构建通用硬件层、基础软件层和应用软件层，所述通用硬件层根据应用功能的需求进行选择配置；

其中，将基础软件层运行于通用硬件层，且将应用软件层加载于通用硬件层。

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