CN113438013B - 卫星数据传输与广播数据分发一体化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星数据传输与广播数据分发一体化装置，其中电源模块经EMI滤波器滤波，DC/DC变换器变换后产生其他模块所需要的二次电源；编码调制模块完成前端高速数据的接收和广播分发数据的接收，经编码、加扰、调制、滤波以及高速DAC产生中频信号；中频信号经放大滤波后进入通道选择模块，根据指令进入上变频模块，经混频、放大、滤波后输出；接口模块完成整个装置的遥控数据的接收，并控制各个模块的工作状态，采集各个模块的数字量遥测和模拟量遥测，将其打包通过CAN总线发送至上位机；内部连接器负责包括各路二次电源、遥测信号、遥控信号在内的内部信号的传输。本发明实现了卫星多模式多频段多速率数传功能和数据分发功能。

Description

卫星数据传输与广播数据分发一体化装置

技术领域

本发明涉及卫星数传通信技术领域，特别涉及一种卫星多模式多频段多速率数据传输和广播数据分发技术。

背景技术

卫星数传分系统完成卫星载荷数据、平台监控数据等对地数据传输功能。数传发射装置完成数传基带数据的接收、编码、调制等功能，是卫星数传分系统的重要组成部分。

随着技术的发展，卫星需要完成对地、对中继以及星间通信的任务需求。在功耗、重量等的限制下，卫星设备对功能集成度要求越来越高。因此数传发射装置需要具备对地、对中继、星间通信的功能，以适应型号的要求。并且针对可能的战时需求，需要将目标信息广播分发给不同的接收终端；对卫星数传发射装置的提出了数据广播分发功能新需求。现有数传发射机单台产品只具备一种数据传输功能，只能完成单频段、单速率和单种调制模式的传输，不能满足新任务需求。

发明内容

针对现有数传发射机单台产品只具备一种数据传输功能，只能完成单频段、单速率和单种调制模式的传输，本发明提出了一种卫星数据传输与广播数据分发一体化装置。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种卫星数据传输与广播数据分发一体化装置，包括电源模块、编码调制模块、接口模块、通道选择模块、上变频模块和内部连接器；外部输入一次电源进入所述电源模块，经EMI滤波器滤波，DC/DC变换器变换后产生其他模块所需要的二次电源；所述编码调制模块完成前端高速数据的接收和广播分发数据的接收，经编码、加扰、调制、滤波以及高速DAC产生中频信号；中频信号经放大滤波后进入所述通道选择模块，根据指令进入所述上变频模块，经混频、放大、滤波后输出；所述接口模块完成整个装置的遥控数据的接收，并控制各个模块的工作状态，采集各个模块的数字量遥测和模拟量遥测，将其打包通过CAN总线发送至上位机；所述内部连接器负责包括各路二次电源、遥测信号、遥控信号在内的内部信号的传输。

优选的，所述电源模块包括熔断丝保护电路、浪涌抑制器、EMI滤波器、DC/DC变换器和输出滤波模块；输入地一次电源进入所述熔断丝保护电路，然后依次经所述浪涌抑制器和所述EMI滤波器后分别进入三款所述DC/DC变换器，分别产生+12V、+5V、-12V二次电源，最后各自通过所述输出滤波模块输出至所需该电源的各个模块。

优选的，所述编码调制模块包括接口芯片、SRAM型FPGA、反熔丝FPGA、FLASH、时钟电路、数模转换器、中频滤波器、温补放大器、隔离电路和SMA连接器；所述接口芯片将差分信号转换为单端信号，接收到的AOS数据和时钟送往所述SRAM型FPGA；所述SRAM型FPGA对数据进行处理后输出至所述数模转换器进行数模转换；所述数模转换器输出的模拟信号经所述中频滤波器滤除镜像信号，送至所述温补放大器，所述温补放大器对中频信号进行功率补偿和放大；中频信号经所述隔离电路后由所述SMA连接器输出；所述反熔丝FPGA将存储在所述FLASH中的配置信息加载至所述SRAM型FPGA，并通过所述内部连接器完成与所述接口模块的遥控遥测通信。

优选的，所述接口模块包括OC指令电路、电平转换电路、AD采集电路、FPGA、接口电路和PROM；所述接口电路按照CAN总线协议完成CAN总线信号的收发，并将遥控信号转发给所述FPGA，遥测信号通过CAN总线发送至所述上位机；所述FPGA将配置信息存储在所述PROM中；所述OC指令电路根据所述FPGA信息产生OC指令，并通过所述内部连接器送至其他模块；所述电平转换电路完成所述FPGA指令电平的变换，产生TTL指令和串口通信指令，通过所述内部连接器送至其他模块；所述AD采集电路按照所述FPGA的控制完成模拟量和温度量的采集，将模拟遥测转换的数字信号传输给所述FPGA。

优选的，所述通道选择模块包括SPDT和SP4T；所述内部连接器将电源送至所述通道选择模块，并将控制指令转发至所述通道选择模块，输入的中频信号经所述SPDT和所述SP4T，在指令的控制下路由到5个输出通道的任一通道。

优选的，所述电源模块、编码调制模块、接口模块、通道选择模块和所述上变频模块止口搭接，由螺杆将各个子模块串接成一体。

优选的，所述通道选择模块根据外部控制信号将外部输入中频调制信号，路由到5路上变频通道的任意一路；所述编码调制模块输出的中频信号经高频电缆连接至所述通道选择模块的中频信号输入端；所述通道选择模块的输出端X对地通道、X星间通道、Ku通道、Ka中继通道、S广播通道分别通过高频电缆连接至所述上变频模块的X对地通道、X星间通道、Ku通道、Ka中继通道、S广播通道的输入端。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用电源模块、接口模块、编码调制模块、通道选择模块和上变频模块止口搭接一体化设计，实现卫星多模式多频段多速率数传传输功能和数据分发功能，可实现多种调制方式的数字调制功能，可实现BPSK、QPSK扩频调制功能，并可实现多种编码方式，从而实现X频段对地、Ka频段对中继、X频段星间、Ku频段动中通数据传输和S频段广播数据分发功能。

附图说明

图1为本发明一种卫星数据传输与广播数据分发一体化装置的组成框图；

图2为本发明一实施例中电源模块的组成框图；

图3为本发明一实施例中编码调制模块的组成框图；

图4为本发明一实施例中接口模块的组成框图；

图5为本发明一实施例中通道选择模块的组成框图；

图6为本发明一实施例中上变频模块的组成框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种卫星数据传输与广播数据分发一体化装置，包括电源模块、编码调制模块、接口模块、通道选择模块、上变频模块和内部连接器；外部输入一次电源进入电源模块，经EMI滤波器滤波，DC/DC变换器变换后产生其他模块所需要的二次电源；编码调制模块完成前端高速数据的接收和广播分发数据的接收，经编码、加扰、调制、滤波以及高速DAC产生中频信号；中频信号经放大滤波后进入通道选择模块，根据指令进入上变频模块，经混频、放大、滤波后输出；接口模块完成整个装置的遥控数据的接收，并控制各个模块的工作状态，采集各个模块的数字量遥测和模拟量遥测，将其打包通过CAN总线发送至上位机；内部连接器负责包括各路二次电源、遥测信号、遥控信号在内的内部信号的传输。

具体地，编码调制模块接收来自前端单机不同速率的AOS数据和广播分发数据，接收来自内部连接器的遥控指令，对收到的数据完成空帧填充、根据指令进行LDPC、RS、交织、差分、卷积等相应的信道编码和星座映射、数字成形滤波、抛物线插值抽取滤波、数字调制和扩频调制、数模转换、中频滤波、放大后输出调制的中频信号；接口模块通过CAN总线接收遥控命令，对指令进行解析，控制通道选择和上变频模块的开关，并将部分遥控命令通过内部连接器转发给编码调制模块；完成整个装置电流的采集和监视，完成装置单粒子锁定检测保护；接收其他模块模拟量和编码调制模块的数字量遥测信息，将遥测信息处理打包后通过CAN总线发送给星上计算机。接口模块发出的遥控指令通过内部连接器分别传输至编码调制模块、通道选择模块、上变频模块，接口模块通过内部连接器分别采集电源模块、编码调制模块、通道选择模块、上变频模块的遥测信息；通道选择模块根据外部控制信号将外部输入中频调制信号，路由到5路上变频通道的任意1路。

在一个实施例中，电源模块、编码调制模块、接口模块、通道选择模块和上变频模块止口搭接，由螺杆将各个子模块串接成一体。

本实施例中，采用成熟模块式结构，设备本体由电源模块、编码调制模块、接口模块、通道选择模块和上变频模块5个子模块组成，由4个M5螺杆将各个子模块串接成一体。壳体外表面黑色阳极氧化，安装面为本色导电氧化。为满足抗辐射要求，各模块外壳体壁厚度为3mm。

在一个实施例中，如图2所示，电源模块包括熔断丝保护电路、浪涌抑制器、EMI滤波器、DC/DC变换器和输出滤波模块；输入地一次电源进入熔断丝保护电路，然后依次经浪涌抑制器和EMI滤波器后分别进入三款DC/DC变换器，分别产生+12V、+5V、-12V二次电源，最后各自通过输出滤波模块输出至所需该电源的各个模块。

本实施例中，输入地一次电源(+30±3)V进入熔断丝保护电路，采用双熔断丝并联接法，确保了单机电源的可靠性，其中第一熔断丝F1和第二熔断丝F2为相同规格的熔断丝。一体化装置单机功率大约为28W，根据卫星设计建造规范降额要求，熔断丝额定电路取5A；串联第一保护电阻R1阻值选为0.1Ω，额定功率为3W，大于电阻的耗散功率0.025W。浪涌抑制器选用VPT公司的DVCL28，进行浪涌电流抑制。EMI滤波器选用了LFC/(20-50)-461-135，DC/DC变换器分别为LDCD/(20-50)-12-30F/SP、LDCD/(20-50)-5-50/SP、LDCD/(20-50)-12R-5/SP。一次电源经浪涌抑制器DVCL28、EMI滤波器LFC/(20-50)-461-135后分别进入3款DC/DC变换器，分别产生+12V、+5V和-12V二次电源。

在一个实施例中，如图3所示，编码调制模块包括接口芯片、SRAM型FPGA、反熔丝FPGA、FLASH、时钟电路、数模转换器、中频滤波器、温补放大器、隔离电路和SMA连接器；接口芯片将差分信号转换为单端信号，接收到的AOS数据和时钟送往SRAM型FPGA；SRAM型FPGA对数据进行处理后输出至数模转换器进行数模转换；数模转换器输出的模拟信号经中频滤波器滤除镜像信号，送至温补放大器，温补放大器对中频信号进行功率补偿和放大；中频信号经隔离电路后由SMA连接器输出；反熔丝FPGA将存储在FLASH中的配置信息加载至SRAM型FPGA，并通过内部连接器完成与接口模块的遥控遥测通信。

本实施例中，二次电源变换电路采用DC/DC和LDO产生编码调制模块所需要的供电电源，分别为1.0V、1.2V、1.8V、2.5V、3.3V、5.0V、-3.3V，保证模块正常工作。接口芯片采用SNJ55LVDS32W接收前端单机发送的AOS数据和伴随时钟，将差分信号转换为单端信号；接收到的AOS数据和时钟送往SRAM型FPGA；SRAM型FPGA采用Xilinx公司的K7系列产品，数据在FPGA能分别进行帧头判断、多模式信道编码、星座图映射、多速率成型滤波，数字调制、数据输出至数模转换器进行数模转换；数模转换器输出的模拟信号经中频滤波器滤出镜像信号，送至温补放大器。温补放大器由温补衰减器和中频放大器组成，对中频信号进行功率补偿和放大；中频信号后经隔离电路由SMA连接器送出编码调制模块。数模转换器选用采样率为3Gsps的高速DAC，中频滤波器选用LC滤波器6MB/E系统产品，根据模块时钟频率和信号带宽进行配置；中频放大器选用HEM574L，温补衰减器选用EMC公司的MTVA系列，根据输出功率可以调整温补衰减器的衰减量。隔离电路采用π衰电路组成，SMA连接器采用SMA(B)-KFD1353。反熔丝FPGA选用AX500-1PQ208，将存储在FLASH中的配置信息加载至K7中，并完成与接口模块的遥控遥测通信。FLASH选用欧比特公司的256M并行FLASH产品。时钟电路产生数模转换器的工作时钟，采用温补晶振加锁相源组成，根据传输速率不同进行配置。本实施例采用2G时钟作为数模转换器的工作时钟，中频信号为1.5GHz。

编码调制模块包括两个FPGA软件：配置FPGA和编码调制FPGA。编码调制FPGA工作在K7 FPGA中，主要完成AOS数据接收、编码、调制等功能，可根据工作模式实现LDPC、RS、交织、差分、卷积等不同的信道编码，实现BPSK、OQPSK、QPSK、8PSK、16QAM、16APSK、32APSK等数字调制，实现BPSK、QPSK扩频调制功能，通过抛物线插值抽取滤波器可实现任意数据速率输入数据经同一采样速率数据处理，保证信道带外抑制的同时使用同一中频载波输出，从而实现多速率数据传输和扩频调制功能。配置FPGA软件工作在反熔丝FPGA中，主要由指令解析、遥测采集组帧，SRAM型FPGA配置文件存储、加载及三模冗余，SRAM型FPGA的动态刷新、在轨重构，模块输出功率控制等功能组成。

在一个实施例中，如图4所示，接口模块包括OC指令电路、电平转换电路、AD采集电路、FPGA、接口电路和PROM；接口电路按照CAN总线协议完成CAN总线信号的收发，并将遥控信号转发给FPGA，遥测信号通过CAN总线发送至上位机；FPGA将配置信息存储在PROM中；OC指令电路根据FPGA信息产生OC指令，并通过内部连接器送至其他模块；电平转换电路完成FPGA指令电平的变换，产生TTL指令和串口通信指令，通过内部连接器送至其他模块；AD采集电路按照FPGA的控制完成模拟量和温度量的采集，将模拟遥测转换的数字信号传输给FPGA。

本实施例中，接口电路由芯片PAC82C250、SJA1000等组成，按照CAN总线协议完成CAN总线信号的收发，并将遥控信号转发给FPGA，遥测信号通过CAN总线发送至上位机。FPGA采用反熔丝FPGAA54SX72A，其配置信息存储在PROM中，PROM选用AT28HC256。FPGA主要完成通过CAN总线接收遥控指令，并对指令进行解析，控制通道选择和上变频模块的开关，并将部分遥控命令经过电平转换电路或OC指令电路后通过内部连接器转发给编码调制模块；完成整个装置电流的采集和监视，完成装置单粒子锁定检测保护；接收其他模块模拟量和编码调制模块的数字量遥测信息，将遥测信息处理打包后通过CAN总线发送给星上计算机。OC指令电路主要由芯片LT47322组成，根据FPGA信息产生OC指令，并通过内部连接器送至其他模块。电平转换电路主要由IDT74FCT164245组成，完成FPGA指令电平的变换，产生5VTTL指令和串口通信指令，通过内部连接器送至其他模块。AD采集电路主要由H1546和AD574SE组成，按照FPGA的控制完成模拟量和温度量的采集功能，将模拟遥测转换的数字信号传输给FPGA。电平转换电路主要由DC/DC组成，将5V转换成接口模块所需要的2.5V、3.3V。内部连接器为HMM204FAE9X710551。

在一个实施例中，如图5所示，通道选择模块包括SPDT和SP4T；内部连接器将电源送至通道选择模块，并将控制指令转发至通道选择模块，输入的中频信号经SPDT和SP4T，在指令的控制下路由到5个输出通道的任一通道。

在一个实施例中，如图6所示，上变频模块包括：S频段上变频通道、X对地上变频通道、X星间上变频通道、Ku频段上变频通道、Ka频段上变频通道，通过遥控指令对经通道选择模块选通的上变频通道加电，对未选通的上变频通道断电。各个上变频通道工作原理相同，上变频模块由内部连接器、晶振、锁相频率源、混频器、滤波器、放大器和检波电路组成。内部连接器将电源模块产生的二次电源转发至上变频模块，将接口模块的遥控指令转发至上变频模块，将遥测信息转发至接口模块。晶振参考信号通过锁相倍频的方式产生对应频段的本振信号，本振信号功率为-15dBm±1dB，送入混频器与输入1.5GHz中频信号进行混频后输出；滤波电路采用MEMS滤波器实现；通过放大器对射频信号进行放大使输出功率满足后级发射需求。检波电路通过肖特基二极管对平行耦合线耦合出的部分输出信号进行检波，检波出的直流信号经运算放大器放大至2V～4V电压后输出。

在一个实施例中，通道选择模块根据外部控制信号将外部输入中频调制信号，路由到5路上变频通道的任意一路；编码调制模块输出的中频信号经高频电缆连接至通道选择模块的中频信号输入端；通道选择模块的输出端X对地通道通过高频电缆连接至上变频模块的X对地通道的输入端；通道选择模块的输出端X星间通道通过高频电缆连接至上变频模块的X星间通道的输入端；通道选择模块的输出端Ku通道通过高频电缆连接至上变频模块的Ku通道的输入端；通道选择模块的输出端Ka中继通道通过高频电缆连接至上变频模块的Ka中继通道的输入端；通道选择模块的输出端S广播通道通过高频电缆连接至上变频模块的S广播通道的输入端。

本卫星数据传输与广播数据分发一体化装置可实现BPSK、OQPSK、QPSK、8PSK、16QAM、16APSK、32APSK等多种调制方式的数字调制功能，可实现BPSK、QPSK扩频调制功能，并可实现卷积编码、差分编码、RS编码、交织编码、LDPC编码等多种编码方式，从而实现X频段对地10Mbps、50Mbps、450Mbps数据传输，Ka频段对中继20Mbps、300Mbps、450Mbps、600Mbps数据传输，X频段星间10Mbps、50Mbps、450Mbps高速数据传输，Ku频段37.5Mbps、75Mbps动中通数据传输，S频段2Kbps、8Kbps、64Kbps、256Kbps、1024Kbps广播数据分发功能。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种卫星数据传输与广播数据分发一体化装置，其特征在于：包括电源模块、编码调制模块、接口模块、通道选择模块、上变频模块和内部连接器；外部输入一次电源进入所述电源模块，经EMI滤波器滤波，DC/DC变换器变换后产生其他模块所需要的二次电源；所述编码调制模块完成前端高速数据的接收和广播分发数据的接收，经编码、加扰、调制、滤波以及高速DAC产生中频信号；中频信号经放大滤波后进入所述通道选择模块，根据指令进入所述上变频模块，经混频、放大、滤波后输出；所述接口模块完成整个装置的遥控数据的接收，并控制各个模块的工作状态，采集各个模块的数字量遥测和模拟量遥测，将其打包通过CAN总线发送至上位机；所述内部连接器负责包括各路二次电源、遥测信号、遥控信号在内的内部信号的传输；所述通道选择模块根据外部控制信号将外部输入中频调制信号，路由到5路上变频通道的任意一路；所述编码调制模块输出的中频信号经高频电缆连接至所述通道选择模块的中频信号输入端；所述通道选择模块的输出端X对地通道、X星间通道、Ku通道、Ka中继通道、S广播通道分别通过高频电缆连接至所述上变频模块的X对地通道、X星间通道、Ku通道、Ka中继通道、S广播通道的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种卫星数据传输与广播数据分发一体化装置，其特征在于：所述电源模块包括熔断丝保护电路、浪涌抑制器、EMI滤波器、DC/DC变换器和输出滤波模块；输入地一次电源进入所述熔断丝保护电路，然后依次经所述浪涌抑制器和所述EMI滤波器后分别进入三款所述DC/DC变换器，分别产生+12V、+5V、-12V二次电源，最后各自通过所述输出滤波模块输出至所需该电源的各个模块。

3.根据权利要求2所述的一种卫星数据传输与广播数据分发一体化装置，其特征在于：所述编码调制模块包括接口芯片、SRAM型FPGA、反熔丝FPGA、FLASH、时钟电路、数模转换器、中频滤波器、温补放大器、隔离电路和SMA连接器；所述接口芯片将差分信号转换为单端信号，接收到的AOS数据和时钟送往所述SRAM型FPGA；所述SRAM型FPGA对数据进行处理后输出至所述数模转换器进行数模转换；所述数模转换器输出的模拟信号经所述中频滤波器滤除镜像信号，送至所述温补放大器，所述温补放大器对中频信号进行功率补偿和放大；中频信号经所述隔离电路后由所述SMA连接器输出；所述反熔丝FPGA将存储在所述FLASH中的配置信息加载至所述SRAM型FPGA，并通过所述内部连接器完成与所述接口模块的遥控遥测通信。

4.根据权利要求3所述的一种卫星数据传输与广播数据分发一体化装置，其特征在于：所述接口模块包括OC指令电路、电平转换电路、AD采集电路、FPGA、接口电路和PROM；所述接口电路按照CAN总线协议完成CAN总线信号的收发，并将遥控信号转发给所述FPGA，遥测信号通过CAN总线发送至所述上位机；所述FPGA将配置信息存储在所述PROM中；所述OC指令电路根据所述FPGA信息产生OC指令，并通过所述内部连接器送至其他模块；所述电平转换电路完成所述FPGA指令电平的变换，产生TTL指令和串口通信指令，通过所述内部连接器送至其他模块；所述AD采集电路按照所述FPGA的控制完成模拟量和温度量的采集，将模拟遥测转换的数字信号传输给所述FPGA。

5.根据权利要求4所述的一种卫星数据传输与广播数据分发一体化装置，其特征在于：所述通道选择模块包括SPDT和SP4T；所述内部连接器将电源送至所述通道选择模块，并将控制指令转发至所述通道选择模块，输入的中频信号经所述SPDT和所述SP4T，在指令的控制下路由到5个输出通道的任一通道。

6.根据权利要求1所述的一种卫星数据传输与广播数据分发一体化装置，其特征在于：所述电源模块、编码调制模块、接口模块、通道选择模块和所述上变频模块止口搭接，由螺杆将各个子模块串接成一体。

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