CN113348777B - 一种探月工程用遥测信道编码装置及编码方法 - Google Patents

Abstract

一种探月工程用遥测信道编码装置及方法，本发明提供的探月工程用遥测信道编码装置包括：主控单元、电源控制模块、数据存储器、晶体振荡器、数模转换电路、模拟量输出接口、可编程逻辑器件；所述主控单元通过写操作提供并行遥测数据；电源控制模块提供可靠的稳压电源，可编程逻辑器件完成控制逻辑设计，数据存储器存储数据，晶体振荡器提供频率参考源，数模转换电路将可编程逻辑器件输出的数字量转换成模拟量，模拟量输出接口对BPSK副载波进行滤波处理。本发明的方案可以灵活切换编码方式和码速率。

Description

一种探月工程用遥测信道编码装置及编码方法

技术领域

本发明涉及一种遥测信道编码装置，特别是一种基于FPGA的遥测编码、编码方式及遥测下传码速率的整帧切换方法。

背景技术

在探月工程的数字通信系统中，RS编码和卷积编码已经广泛运用于深空通信、卫星通信等通信系统中。由于遥测信道会受到噪声影响，遥测数据在传输过程中有可能会出现误码。纠错编码是提高数据传输可靠性的常用技术。RS编码是一种分组码，对突发错误和随机错误都有很强的纠错能力；卷积编码是一种非分组、由记忆的纠错码。

为适应探月工程遥测下传的编码方式、码速率的不同需求，通过FPGA实现两种编码方式(RS编码、RS与卷积编码)和两种码速率(512bps、4096bps)，用户可以任意选择编码方式和码速率，FPGA进行实时整帧切换，具有很高的灵活性。

发明内容

本发明解决的问题是如何保证遥测编码的实现，而又能灵活进行遥测编码方式、码速率的整帧切换；为解决所述问题，本发明提供一种探月工程用遥测信道编码装置及编码方法。

本发明提供的探月工程用遥测信道编码装置包括：主控单元、电源控制模块、数据存储器、晶体振荡器、数模转换电路、模拟量输出接口、可编程逻辑器件；所述主控单元通过写操作提供并行遥测数据；电源控制模块提供可靠的稳压电源，可编程逻辑器件完成控制逻辑设计，数据存储器存储数据，晶体振荡器提供频率参考源，数模转换电路将可编程逻辑器件输出的数字量转换成模拟量，模拟量输出接口对BPSK副载波进行滤波处理。

进一步，可编程逻辑器件包括：RS编码模块、加扰模块、卷积编码模块、编码接口模块、切换模块、缓存控制模块和BPSK调制模块；RS编码模块进行RS编码；加扰模块对数据进行伪随机化；卷积编码模块进行卷积编码；编码接口模块控制RS编码模块、加扰模块、卷积编码模块的接口时序和数据流转换；切换模块响应切换命令，产生编码方式标志位和速率阈值；缓存控制模块对读/写缓存请求进行排队处理；BPSK调制模块对数模转换进行控制，并产生整帧标识。

进一步，所述数据存储器划分为不同区域，分别存储遥测数据、RS编码数据、卷积编码数据；BPSK调制模块根据编码方式标志位的状态读取相应区域的数据进行BPSK调制输出。

进一步，遥测数据添加3字节虚拟帧头后进行RS编码，RS编码完成后将虚拟帧头替换成帧头“0x1ACF，0xFC1D”后进行加扰和卷积编码；虚拟帧头内容是“0x00，0x00，0x00”；配置RS编码时钟和卷积编码时钟分别为125KHz和1MHz。

进一步，数据存储器的第一缓存区存储遥测数据，容量为220字节；遥测数据添加3字节虚拟帧头后进行RS编码，产生32字节RS校验码；“帧头+加扰后的遥测原码+加扰后的RS校验码”存储至第二缓存区，容量为256字节；所述第二缓存区的256字节数据进行卷积编码后存储至第三缓存区，容量为512字节。

进一步，采用多条件分支判断的方法，极端情况下，六个读/写缓存请求同时到来，则根据优先级依次执行。处于等待状态的读/写缓存请求置位相应的悬挂寄存器，执行完成后清除悬挂标记。

进一步，每发送完成一帧遥测数据时产生整帧标识，根据整帧标识启动编码过程，且实施编码方式的整帧切换。

进一步，速率阈值为127时，遥测下传码速率为512bps；速率阈值为15时，遥测下传码速率为4096bps；根据码速率切换命令对速率阈值进行赋值。

本发明所提供的探月工程用遥测信道编码装置的编码方法，包括：

步骤一、可编程逻辑器件进行BPSK调制；

步骤二、可编程逻辑器件进行编码；

步骤三、所述可编程逻辑器件进行编码方式和码速率切换。

进一步，步骤一包括：

步骤S1、BPSK调制模块读取编码方式标志位，若为“0”，则执行步骤S3；若为“1”，则执行步骤S2；之后，执行步骤S4；

步骤S2、缓存控制模块读取存储RS编码的第二缓存区；

步骤S3、缓存控制模块读取存储卷积编码的第三缓存区；

步骤S4、缓存控制模块将数据存储器的并行数据转换为串行数据；

步骤S5、缓存控制模块对串行数据进行BPSK调制；

步骤S6、缓存控制模块在BPSK调制完成后，产生整帧标识，并返回步骤S1。

进一步，步骤二包括：

步骤S11、编码接口模块等待整帧标识，在整帧标识有效时，执行步骤S12；

步骤S12、编码接口模块读存储遥测数据的第一缓存区；

步骤S13、RS编码模块对所述遥测数据进行RS编码；

步骤S14、加扰模块对RS编码数据进行加扰处理；

步骤S15、编码接口模块判断编码方式标志位，如果为0，进入步骤S20；如果为1，进入步骤S16；

步骤S16、编码接口模块将数据存储器的并行数据转换为串行数据；

步骤S17、卷积编码模块对串行数据进行卷积编码；

步骤S18、编码接口模块将卷积编码数据从并行数据转换为串行数据；

步骤S19、编码接口模块将步骤S18产生的串行数据写入到第三缓存区，返回步骤S11；

步骤S20、编码接口模块将RS编码数据写入第二缓存区，返回步骤S11。

进一步，步骤三包括：

步骤S21、切换模块读取切换命令，如果为编码方式切换，则进入步骤S24；如果为码速率切换，则进入步骤S22；

步骤S22、切换模块将速率阈值暂存至寄存器；

步骤S23、当前遥测帧发送完成时，切换模块将速率阈值更新，然后返回至步骤S21；

步骤S24、判断整帧标识，在整帧标识有效时，进入步骤S25；

步骤S25、产生编码方式标志位，然后返回步骤S21。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

为探月工程提供稳定、可靠的遥测信道编码装置，使空间飞行器在轨运行期间可将用户最关心的关键数据实时可靠的传回地面。利用本发明的技术方案能够实现编码方式和码速率的灵活配置，对数据传输过程中的突发错误和随机错误具有优良的纠错性能。

附图说明

图1是本发明实施例提供的探月工程用遥测信道编码装置的原理框图；

图2是本发明实施例提供的所提供的探月工程用遥测信道编码装置的FPGA内部信息流图；

图3是本发明实施例提供的所提供的探月工程用遥测信道编码装置的BPSK调制流程图；

图4是本发明实施例提供的所提供的探月工程用遥测信道编码装置的编码流程图；

图5是本发明实施例提供的所提供的探月工程用遥测信道编码装置的切换流程图；

图6是本发明实施例提供的所提供的探月工程用遥测信道编码装置的时序示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

图1是本发明实施例提供的基于FPGA的遥测信道编码装置的原理框图，下面结合图1详细说明。本发明的技术方案有高可靠性的FPGA、SRAM和外围接口器件等，实现对遥测数据的编码、切换和调制处理，在将遥测数据调制下传的同时并行地对每帧遥测数据实施编码，并实时响应切换命令，置遥测编码方式标志位。

如图1所示，本发明提供的探月工程用遥测信道编码装置包括：主控单元101、电源控制模块102、数据存储器103、晶体振荡器104、数模转换电路105、模拟量输出接口106、可编程逻辑器件(FPGA)107；所述主控单元101通过写操作提供并行遥测数据；电源控制模块102提供可靠的稳压电源，可编程逻辑器件107完成控制逻辑设计，数据存储器103存储数据，晶体振荡器104提供频率参考源，数模转换电路105将可编程逻辑器件输出的数字量转换成模拟量，模拟量输出接口106对BPSK副载波进行滤波处理。

参考图2，可编程逻辑器件包括：RS编码模块10、加扰模块11、卷积编码模块12、编码接口模块13、切换模块14、缓存控制模块15和BPSK调制模块16；RS编码模块10进行RS编码；加扰模块11对数据进行伪随机化；卷积编码模块12进行卷积编码；编码接口模块13控制RS编码模块、加扰模块11、卷积编码模块12的接口时序和数据流转换；切换模块14响应切换命令，产生编码方式标志位和速率阈值；缓存控制模块15对读/缓存请求进行排队处理；BPSK调制模块16对数模转换进行控制，并产生整帧标识。

下文中，结合图3至图6，对本发明提供的探月工程用遥测信道编码装置的编码方法进行阐述。

图3是本发明实施例提供的探月工程用遥测信道编码装置的BPSK调制流程图，下面结合图3详细说明。

在应用时，FPGA不间断的从数据存储器103读取数据进行BPSK调制下传。整个系统启动后，执行步骤S1、BPSK调制模块读取编码方式标志位，若为“0”，则执行步骤S3、缓存控制模块读取存储卷积编码的第三缓存区；若为“1”，则执行步骤S2、缓存控制模块读取存储RS编码的第二缓存区；之后，执行步骤S4、缓存控制模块将数据存储器的并行数据转换为串行数据；

步骤S5、缓存控制模块对串行数据进行BPSK调制；

步骤S6、缓存控制模块在BPSK调制完成后，产生整帧标识，并返回步骤S1。

整个系统启动后，编码方式标志位初始化为“0”，遥测编码方式是RS编码。

图4是本发明实施例提供的基于FPGA的遥测信道编码装置的编码流程图，下面结合图4详细说明。

在所述“FPGA不间断的从数据存储器103读取数据进行BPSK调制下传”的读操作的空闲期内，FPGA从数据存储器103读取遥测原码完成整个编码流程。所述编码流程包括：

整个系统启动后，执行步骤S11、编码接口模块等待整帧标识；在整帧标识有效时，执行步骤S12；

步骤S12、编码接口模块读存储遥测数据的第一缓存区；

步骤S13、RS编码模块对所述遥测数据进行RS编码；

步骤S14、加扰模块对RS编码数据进行加扰处理；

步骤S15、编码接口模块判断编码方式标志位，如果为0，进入步骤S20；如果为1，进入步骤S16；

步骤S16、编码接口模块将数据存储器的并行数据转换为串行数据；

步骤S17、卷积编码模块对串行数据进行卷积编码；

步骤S18、编码接口模块将卷积编码数据从并行数据转换为串行数据；

步骤S19、编码接口模块将步骤S18产生的串行数据写入到第三缓存区，返回步骤S11；

步骤S20、编码接口模块将RS编码数据写入第二缓存区，返回步骤S11。

图5是本发明实施例提供的基于FPGA的遥测信道编码装置的切换流程图，下面结合图5详细说明。

主控单元101发送切换命令，FPGA译码后实施编码方式、码速率的切换。编码方式包括RS编码、RS与卷积编码，遥测下传速率包括512bps、4096bps。编码方式与码速率的切换分别执行不同的操作流程。

如图5所示，编码方式与码速率的切换包括：

切换命令到来时，执行步骤S21、切换模块读取切换命令，如果为编码方式切换，则进入步骤S24；如果为码速率切换，则进入步骤S22；

步骤S22、切换模块将速率阈值暂存至寄存器；

步骤S23、当前遥测帧发送完成时，切换模块将速率阈值更新，然后返回至步骤S21；

步骤S24、判断整帧标识，在整帧标识有效时，进入步骤S25；

步骤S25、产生编码方式标志位，然后返回步骤S21。

速率阈值是BPSK调制模块中分频计数器计满回0的判断条件，决定了码速率。阈值为127时码速率为512bps，阈值为15时码速率为4096bps。

图6是本发明实施例提供的基于FPGA的遥测信道编码装置的时序示意图，下面结合图6详细说明。

每发送完成一帧遥测数据的帧头时产生遥测中断，主控单元101的软件响应遥测中断后将遥测原码写入第一缓存区。RS编码时钟和卷积编码时钟分别为125KHz和1MHz，编码过程共耗时t3＝0.5ms，小于“整帧标识”与“遥测中断”之间的时间间隔t2，因此软件在更新第一缓存区时，编码过程已经完成。上述过程可以确保在编码过程中遥测原码不会被更改。遥测下传码速率为4096bps时，t2＝7.8ms；遥测下传码速率为512bps时，t2＝62.5ms。

本发明的技术方案采用FPGA对遥测编码、切换控制、BPSK调制进行设计，可根据用户需求灵活配置编码方式和码速率。FPGA内部通过建立有效的时间空间分配机制，以空间换时间，使得时间裕量更加充裕，设计更加简单，从而提高了效率，优化了资源。因此，本发明选用FPGA作为遥测信道编码装置的实现途径，具备良好的纠错能力，使用方便，适应面广，灵活性高，降低了设计成本和技术风险。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种探月工程用遥测信道编码装置，其特征在于，包括：主控单元、电源控制模块、数据存储器、晶体振荡器、数模转换电路、模拟量输出接口、可编程逻辑器件；所述主控单元通过写操作提供并行遥测数据；电源控制模块提供可靠的稳压电源，可编程逻辑器件完成控制逻辑设计，数据存储器存储数据，晶体振荡器提供频率参考源，数模转换电路将可编程逻辑器件输出的数字量转换成模拟量，模拟量输出接口对BPSK副载波进行滤波处理；可编程逻辑器件包括：RS编码模块、加扰模块、卷积编码模块、编码接口模块、切换模块、缓存控制模块和BPSK调制模块；RS编码模块进行RS编码；加扰模块对数据进行伪随机化；卷积编码模块进行卷积编码；编码接口模块控制RS编码模块、加扰模块、卷积编码模块的接口时序和数据流转换；切换模块响应切换命令，产生编码方式标志位和速率阈值；缓存控制模块对读/写缓存请求进行排队处理；BPSK调制模块对数模转换进行控制，并产生整帧标识；所述数据存储器划分为不同区域，分别存储遥测数据、RS编码数据、卷积编码数据；BPSK调制模块根据编码方式标志位的状态读取相应区域的数据进行BPSK调制输出；主控单元、电源控制模块、数据存储器、晶体振荡器与可编程逻辑器件连接，数模转换电路与模拟量输出接口连接，BPSK调制模块与缓存控制模块、切换模块、编码接口模块连接，切换模块与编码接口模块、缓存控制模块、BPSK调制模块连接，缓存控制模块与切换模块、BPSK调制模块、编码接口模块连接。

2.依据权利要求1所述的探月工程用遥测信道编码装置，其特征在于，数据存储器的第一缓存区存储遥测数据，容量为220字节；遥测数据添加3字节虚拟帧头后进行RS编码，产生32字节RS校验码；帧头+加扰后的遥测原码+加扰后的RS校验码存储至第二缓存区，容量为256字节；所述第二缓存区的256字节数据进行卷积编码后存储至第三缓存区，容量为512字节。

3.依据权利要求1所述的探月工程用遥测信道编码装置，其特征在于，采用多条件分支判断的方法，极端情况下，六个读/写缓存请求同时到来，则根据优先级依次执行；处于等待状态的读/写缓存请求置位相应的悬挂寄存器，执行完成后清除悬挂标记。

4.依据权利要求1所述的探月工程用遥测信道编码装置，其特征在于，每发送完成一帧遥测数据时产生整帧标识，根据整帧标识启动编码过程，且实施编码方式的整帧切换。

5.依据权利要求1所述的探月工程用遥测信道编码装置，其特征在于，速率阈值为127时，遥测下传码速率为512bps；速率阈值为15时，遥测下传码速率为4096bps；根据码速率切换命令对速率阈值进行赋值。

6.权利要求1至

中任意一项所提供的探月工程用遥测信道编码装置的编码方法，其特征在于，包括：

步骤一、可编程逻辑器件进行BPSK调制，包括：

步骤S1、BPSK调制模块读取编码方式标志位，若为“0”，则执行步骤S3；若为“1”，则执行步骤S2；

步骤S2、缓存控制模块读取存储卷积编码的第三缓存区，进入步骤S4；

步骤S3、缓存控制模块读取存储RS编码的第二缓存区；

步骤S4、缓存控制模块将数据存储器的并行数据转换为串行数据；

步骤S5、BPSK调制模块对串行数据进行BPSK调制；

步骤S6、BPSK调制模块在BPSK调制完成后，产生整帧标识，并返回步骤S1；

步骤二、可编程逻辑器件进行编码，包括：

步骤S11、编码接口模块等待整帧标识，在整帧标识有效时，执行步骤S12；

步骤S12、编码接口模块读存储遥测数据的第一缓存区；

步骤S13、RS编码模块对所述遥测数据进行RS编码；

步骤S14、加扰模块对RS编码数据进行加扰处理；

步骤S15、编码接口模块判断编码方式标志位，如果为0，进入步骤S20；如果为1，进入步骤S16；

步骤S16、编码接口模块将步骤S14加扰处理后的数据转换为串行数据；

步骤S17、卷积编码模块对串行数据进行卷积编码；

步骤S18、编码接口模块将卷积编码数据从串行数据转换为并行数据；

步骤S19、编码接口模块将步骤S18产生的并行数据写入到第三缓存区，返回步骤S11；

步骤S20、编码接口模块将RS编码数据写入第二缓存区，返回步骤S11；

步骤三、所述可编程逻辑器件进行编码方式和码速率切换，包括：

步骤S21、切换模块读取切换命令，如果为编码方式切换，则进入步骤S24；如果为码速率切换，则进入步骤S22；

步骤S22、切换模块将速率阈值暂存至寄存器；

步骤S23、当前遥测帧发送完成时，切换模块将速率阈值更新，然后返回至步骤S21；

步骤S24、判断整帧标识，在整帧标识有效时，进入步骤S25；

步骤S25、产生编码方式标志位，然后返回步骤S21。

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