CN116094601A - 一种光电混合信号处理与传输设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电混合信号处理与传输设备及方法，涉及航天测控技术领域，所述设备包括射频光发射机、光电混合旋转关节、射频光接收机；所述射频光发射机，用于将来自测控数传天线输出的多路射频信号与低频信号转换为光信号；所述光电混合旋转关节，用于将所述光信号传输至所述射频光接收机；所述射频光接收机，用于从所述光信号中恢复出多路射频信号与低频信号，并将多路射频信号转换为中频信号。本发明可在一套系统中完成微波射频信号、光信号与数字信号的宽带传输功能；具有高集成度、高可靠性、强扩展性，能够减少设备与接口数量。

Description

一种光电混合信号处理与传输设备及方法

技术领域

本发明涉及载人航天技术与测技术领域，特别是一种光电混合信号处理与传输设备及方法。

背景技术

随着运动平台测控系统的发展，测控系统必须覆盖更多射频和微波频段，并提供精确处理的信息。在微波领域对2-30GHz的微波信号处理、转换以及传输等，电子学都遇到了其前所未有的“电子瓶颈”问题。基于光子技术的微波频率测量系统从根本上突破了电子器件带宽和动态范围的限制，大幅度增加了测频范围。同时，光子技术具有天然的低功耗、高集成度优势，可将传统的高密度电学互连架构缩减为单光纤传输，从机理上可缩减传输通道，提高集成度，甚至产生新的设备形态。此外，光子设备的响应时间远高于电子设备，使得系统的实时性得以改善。发展无线电的光电混合信号处理技术，使其可以在较高频率进行信号数字化，并比以往任何时候都更高的分辨率，使其对系统性可做更快的处理和评估。单个光电混合信号处理与传输设备可替代以往的多个同类设备，减少系统的尺寸、重量、功耗和成本。

此外，实现运动平台航天测控系统关键设备自主保障，推动民族测控通信设备的产业化发展，因而研发一种光电混合信号处理与传输设备的需求十分迫切，势在必行。

发明内容

针对现有运动平台测控系统采用纯射频信号传输带来的信号路数多、隔离度与采样率较低、传输距离近、空间占用大等问题，本发明提供了一种光电混合信号处理与传输设备及方法。

本发明公开了一种光电混合信号处理与传输设备，其包括射频光发射机、光电混合旋转关节、射频光接收机；

所述射频光发射机，用于将来自测控数传天线输出的多路射频信号与低频信号转换为光信号；

所述光电混合旋转关节，用于将所述光信号传输至所述射频光接收机；

所述射频光接收机，用于从所述光信号中恢复出多路射频信号与低频信号，并将多路射频信号转换为中频信号。

进一步地，所述射频光发射机由低噪声放大器、光发射模块、低频转换模块、波分复用器组成；

所述低噪声放大器，用于对每路射频信号进行放大，并将放大后的多路射频信号送入光发射模块；

所述光发射模块，用于将多路射频信号调制到光载波上，形成多路射频光信号；

所述低频转换模块，用于将多路低频信号调制到光载波上，形成多路数字光信号，并对多路射频光信号与数字光信号分配的光波长加以区分；

所述波分复用器，用于将多路射频光信号与多路数字光信号耦合到同一根光纤中，并将耦合后的光信号输入到光电混合旋转关节。

进一步地，射频光接收机包括光接收模块、低频转换模块、解波分复用器、射频数字化模块；

所述解波分复用器，用于从光电混合旋转关节输出的耦合后的光信号中恢复出的多路射频光信号与数字光信号，并将恢复出的多路射频光信号输入所述光接收模块，将恢复出的数字光信号输入低频转换模块；

所述光接收模块，用于将所多路射频光信号经过光电转换恢复成原始的多路射频信号；

所述低频转换模块，用于将数字光信号转换为多路低频信号，并将其送入后端测控基带；

所述射频数字化模块，用于对接收到的多路射频信号进行变频、采样与数字化，并将得到的中频信号送入后端测控基带。

进一步地，还包括后端测控基带；

所述后端测控基带，用于将接收到的多路低频信号传输至低频转换模块；

所述低频转换模块，用于将多路低频信号进行并串转换合成为数字合成信号，并将数字合成信号调制到光载波上，形成数字光信号；

所述光电混合旋转关节，用于将接收到的所述数字光信号送入低频转换模块；

所述低频转换模块，用于对所述数字光信号进行光电转换，恢复出数字合成信号，通过并串转换，将数字合成信号恢复出多路TTL电平标准的低频信号，并将恢复出的多路低频信号发送至测控数传天线。

进一步地，所述光电混合旋转关节包括多路电旋转连接器和1路光旋转连接器，能够向任意方向传输所述光信号与电信号；

所述光旋转连接器，用于在旋转状态下传输1路单模光信号；

所述电旋转连接器，用于在旋转状态下传输微波射频信号与数字信号。

进一步地，所述射频光接收机中的电连接器，用于将交流信号与直流信号传输至光电混合旋转关节中的电旋转连接器；

所述射频光发射机中的电连接器，用于将光电混合旋转关节中的电旋转连接器传来的交流信号与直流信号传输至测控数传天线。

本发明还公开了一种基于光电混合信号处理与传输设备的方法，其包括：

所述射频光发射机将来自测控数传天线输出的多路射频信号与低频信号转换为光信号；

所述光电混合旋转关节将所述光信号传输至所述射频光接收机；

所述射频光接收机从所述光信号中恢复出多路射频信号与低频信号，并将多路射频信号转换为中频信号。

进一步地，所述低噪声放大器对每路射频信号进行放大，并将放大后的多路射频信号送入光发射模块；

所述光发射模块将多路射频信号调制到光载波上，形成多路射频光信号；

所述低频转换模块将多路低频信号调制到光载波上，形成多路数字光信号，并对多路射频光信号与数字光信号分配的光波长加以区分；

所述波分复用器将多路射频光信号与多路数字光信号耦合到同一根光纤中，并将耦合后的光信号输入到光电混合旋转关节。

进一步地，所述解波分复用器从光电混合旋转关节输出的耦合后的光信号中恢复出的多路射频光信号与数字光信号，并将恢复出的多路射频光信号输入所述光接收模块，将恢复出的数字光信号输入低频转换模块；

所述光接收模块将所多路射频光信号经过光电转换恢复成原始的多路射频信号；

所述低频转换模块将数字光信号转换为多路低频信号，并将其送入后端测控基带；

所述射频数字化模块对接收到的多路射频信号进行变频、采样与数字化，并将得到的中频信号送入后端测控基带。

进一步地，所述后端测控基带将接收到的多路低频信号传输至低频转换模块；

所述低频转换模块将多路低频信号进行并串转换合成为数字合成信号，并将数字合成信号调制到光载波上，形成数字光信号；

所述光电混合旋转关节将接收到的所述数字光信号送入低频转换模块；

所述低频转换模块对所述数字光信号进行光电转换，恢复出数字合成信号，通过并串转换，将数字合成信号恢复出多路TTL电平标准的低频信号，并将恢复出的多路低频信号发送至测控数传天线。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用微波光子技术、利用波分复用与光采样电量化技术，分别完成上百路射频信号的直接合并传输与数字变换，可在一套系统中完成微波射频信号、光信号与数字信号的宽带传输功能；具有高集成度、高可靠性、强扩展性，能够减少设备与接口数量。

2、本发明射频光发射机与射频光接收机中的激光器、光电转换、电光转换芯片均为国产化器件，光电混合旋转关节中的电旋转连接器与光旋转连接器均为国产化部件。

3、本发明采用了光电混合旋转关节，具有体积小、重量轻、安装维护简单的特点，可大大节省天线中心体内部的占用空间，采用了光电混合传输技术，可提高信号路间隔离度与相位一致性，有利于系统角跟踪性能提高，本可广泛应用于航天测控通信系统。

附图说明

图1为本发明一种光电混合信号处理与传输设备组成原理框图；

图2为本发明射频光发射机组成原理框图；

图3为本发明射频光接收机组成原理框图；

图4为本发明射频数字化模块组成原理框图；

图5为本发明光电混合旋转关节组成原理框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。下面结合附图对本发明进一步说明。

参阅图1。在以下描述的实施例中，一种光电混合信号处理与传输设备由射频光发射机、光电混合旋转关节、射频光接收机三部分组成，三者之间通过光纤互连，低频转换模块具有双向收发的能力；射频光发射机由低噪声放大器、光发射模块、低频转换模块、波分复用器组成；射频光接收机包括光接收模块、低频转换模块、解波分复用器、与射频数字化模块；光电混合旋转关节包含电旋转连接器与光旋转连接器。射频光发射机接收来自测控数传天线输出的16路射频信号与20路低频信号，光发射机中的低噪声放大器对每路射频信号进行放大，并将放大后的16路射频信号送入光发射模块，光发射模块将16路射频信号调制到光载波上，形成16路射频光信号；光发射机中的低频转换模块将20路低频信号进行TTL电平转换与并串转换合成为1路数字合成信号，并将该1路数字信号调制到光载波上，形成1路数字光信号，通过波分复用器对16路射频光信号与1路数字光信号分配间隙为10nm的光波长加以区分，其中16路射频光信号起始波长为1270nm，结束波长为1420nm，1路数字光信号分配1430nm波长输出；随后光发射模块将16路射频光信号与1路数字光信号送入波分复用器，波分复用器将多路射频光信号与数字光信号合成为1路光信号，并将该光信号通过光纤输入到光电混合旋转关节中；光电混合旋转关节输出的1路光信号经过光纤传输至射频光接收机，光电混合旋转关节由多路电旋转连接器和1路光旋转连接器以及连接两者的结构件组成，具备360度无限制旋转的能力；在射频光接收机中经过解波分复用器从1路光信号中恢复出16路射频光信号与1路数字光信号，解波分复用器将16路射频光信号与1路数字光信号经过光电转换恢复成原始16路射频与1路数字合成信号；随后将恢复出的16路射频信号输出至射频数字化模块，射频数字化模块对接收到的射频信号进行直接采样与数字化形成数字中频信号，并将数字中频信号送入后端的测控基带中进行处理；将恢复出的1路数字合成信号送入低频转换模块，低频转换模块对恢复出的1路数字中频信号进行电光转换与并串转换，恢复出20路低频信号，并将数字信号送入后端的测控基带中进行处理。

后端测控基带产生20路低频信号，送入射频光接收机中的低频转换模块，低频转换模块将20路低频信号进行并串转换合成为1路数字合成信号，并将该1路数字信号调制到光载波上，形成1路发射数字光信号，对1路发射数字光信号分配1440nm波长并通过光纤输出至光电混合旋转关节，光电混合旋转关节将1路发射数字光信号送入射频光发射机中的低频转换模块，低频转换模块对1路发射数字光信号进行光电转换，恢复出1路数字合成信号，通过并串转换，将1路数字合成信号恢复出20路TTL电平标准的低频信号，并将恢复出的20路低频信号发送至测控数传天线；

交流信号包括4路220V和4路380V信号，直流信号包括1路24V信号，交流信号和直流信号通过光电混合旋转关节中的电滑环中的电缆传输至测控数传天线。

参阅图2。本实施方式所述的射频光发射机：包含1个光发射模块、16个低噪声放大器、1个低频转换模块、1个波分复用器；低频转换模块由40个电平转换芯片、1个并串转换模块、1个串并转换模块以及3个型号为HTA8525的双向光模块组成；低频转换模块接收来自于测控数传天线的20路低频信号，通过电平转换芯片，将20路低频信号转换为20路TTL电平信号，通过并串转换芯片将20路TTL电平信号转换为LVDS串行差分信号形式的1路数字合成信号，1路数字合成信号经双向光模块进行电光转换调制在1430nm光波长中，形成1路数字光信号，发往波分复用器；射频光发射机中的低噪声放大器对来自于测控数传天线的16路射频信号进行放大，并将放大后的16路射频信号送入光发射模块，光发射模块将16路射频信号调制到光载波上，形成16路射频光信号；通过波分复用器对16路射频光信号与1路数字光信号分配间隙为10nm的光波长加以区分，其中16路射频光信号起始波长为1270nm，结束波长为1420nm，1路数字光信号分配1430nm波长，波分复用器将16路射频光信号和1路数字光信号合成为1路合成光信号，通过光纤1送至光电混合旋转关节；低频转换模块中的双向光模块接收来自于光纤2的1440nm波长的1路数字光信号并将其通过光电转换为1路数字合成信号，1路数字合成信号通过串并转换模块恢复为20路TTL电平信号，20路TTL电平信号通过电平转换芯片恢复为20路模拟低频信号并送入测控数传天线；射频光发射机提供型号为XC158/18F11K1DP40电连接器，用于直接将光电混合旋转关节中电旋转连接器传来的交流信号与直流信号至测控数传天线。

参阅图3。本实施方式所述的射频光接收机：包含1个光接收模块、1个低频转换模块、1个解波分复用器、1个射频数字化模块；低频转换模块由40个电平转换芯片、1个并串转换模块、1个串并转换模块以及3个型号为HTA8525的双向光模块组成；低频转换模块接收来自于后端测控基带发送的20路低频信号，通过电平转换芯片，将20路低频信号转换为20路TTL电平信号，通过并串转换模块将20路TTL电平信号转换为LVDS串行差分信号形式的1路数字合成信号，1路数字合成信号经双向光模块进行电光转换调制在1440nm光波长中，形成1路数字光信号，通过光纤2发往光电混合旋转关节并传输至射频光发射模块中的低频转换模块；射频光接收机中的解波分复用器对来自于光电混合旋转关节中光纤1中的1路合成光信号进行解波分复用，恢复出以10nm为间隔的起始波长为1270nm，结束波长为1420nm的16路射频光信号，同时恢复出1430nm波长的1路数字光信号；16路射频光信号进入光接收模块，经光电转换后恢复出16路射频信号，并将16路射频信号送入射频数字化模块；低频转换模块接收经解波分复用器恢复出的1430nm波长的1路数字光信号并发送至双向光模块，双向光模块将1路数字光信号进行光电转换，转换为LVDS串行差分信号形式的1路数字合成信号，1路数字合成信号通过串并转换模块恢复为20路TTL电平信号，20路TTL电平信号通过电平转换芯片恢复为20路模拟低频信号并送入后端测控基带；射频光接收机提供型号为XC158/18F11K1DP40电连接器，用于直接将交流信号与直流信号传输至光电混合旋转关节中的电旋转连接器。

参阅图4。本实施方式所述的射频数字化模块：由信道盒、信号处理板、万兆网光纤子卡组成。信道盒包含16路接收通道，接收通道接收来自于射频光接收机种的由光接收模块恢复出的16路射频信号，并对16路射频信号依次进行滤波和放大处理，以每两路处理后的射频信号为一组的形式，通过LVDS接口，将处理后的射频信号分别送入信号处理板卡中对应的一个双通道模数转换芯片，处理信号与双通道模数转换芯片的数量比例为2：1。信号处理板卡包含8个型号为ADC12DJ1600的双通道模数转换芯片、一片型号为XC7VX690T-FFG1927的信号处理FPGA、一片型号为XC7A200T的主FPGA、一块FMC接口模块；信号处理板卡中的8个双通道模数转换芯片接收来自信道盒输出的8组共16路射频信号，经过模数转换输出16路数字中频信号，通过LVDS接口将16路数字中频信号送入处理FPGA，主处理FPGA将16路数字中频信号打包复接为1路高速数字中频信号，通过GTH高速串行接口将数字中频信号送入FMC子卡，FMC子卡通过FMC接口将高速数字中频信号送入万兆网子卡，万兆网子卡将高速数字中频信号打包组帧为TCP/IP或UDP协议的数据流，并将数据流转换为光信号，送入光纤接口发至后端测控基带；主FPGA通过SPI接口与主处理FPGA及FMC接口互联，向主FPGA与FMC接口分别发送控制命令与接收状态信息，主FPGA通过RS422接口接收B码信号，并通过SPI接口将B码信号发送至信号处理FPGA。

参阅图5。其中，本实施方式所述的光电混合旋转关节，由一个可传输8路交流与1路直流信号的电旋转连接器，一个可传输2路光信号的光旋转连接器组成，光旋转连接器安装在电旋转连接器内部，通过外壳包裹嵌套为一个整体组件；光旋转连接器用于在旋转状态下传输2路单模光信号，电旋转连接器用于在旋转状态下传输4路220V交流信号、4路380V交流信号以及1路24V直流信号。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的一种光电混合信号处理与传输设备的设计进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (10)

1.一种光电混合信号处理与传输设备，其特征在于，包括射频光发射机、光电混合旋转关节、射频光接收机；

所述射频光发射机，用于将来自测控数传天线输出的多路射频信号与低频信号转换为光信号；

所述光电混合旋转关节，用于将所述光信号传输至所述射频光接收机；

所述射频光接收机，用于从所述光信号中恢复出多路射频信号与低频信号，并将多路射频信号转换为中频信号。

2.根据权利要求1所述的光电混合信号处理与传输设备，其特征在于，

所述射频光发射机由低噪声放大器、光发射模块、低频转换模块、波分复用器组成；

所述低噪声放大器，用于对每路射频信号进行放大，并将放大后的多路射频信号送入光发射模块；

所述光发射模块，用于将多路射频信号调制到光载波上，形成多路射频光信号；

所述低频转换模块，用于将多路低频信号调制到光载波上，形成多路数字光信号，并对多路射频光信号与数字光信号分配的光波长加以区分；

所述波分复用器，用于将多路射频光信号与多路数字光信号耦合到同一根光纤中，并将耦合后的光信号输入到光电混合旋转关节。

3.根据权利要求2所述的光电混合信号处理与传输设备，其特征在于，

射频光接收机包括光接收模块、低频转换模块、解波分复用器、射频数字化模块；

所述解波分复用器，用于从光电混合旋转关节输出的耦合后的光信号中恢复出的多路射频光信号与数字光信号，并将恢复出的多路射频光信号输入所述光接收模块，将恢复出的数字光信号输入低频转换模块；

所述光接收模块，用于将所多路射频光信号经过光电转换恢复成原始的多路射频信号；

所述低频转换模块，用于将数字光信号转换为多路低频信号，并将其送入后端测控基带；

所述射频数字化模块，用于对接收到的多路射频信号进行变频、采样与数字化，并将得到的中频信号送入后端测控基带。

4.根据权利要求3所述的光电混合信号处理与传输设备，其特征在于，

还包括后端测控基带；

所述后端测控基带，用于将接收到的多路低频信号传输至低频转换模块；

所述低频转换模块，用于将多路低频信号进行并串转换合成为数字合成信号，并将数字合成信号调制到光载波上，形成数字光信号；

所述光电混合旋转关节，用于将接收到的所述数字光信号送入低频转换模块；

所述低频转换模块，用于对所述数字光信号进行光电转换，恢复出数字合成信号，通过并串转换，将数字合成信号恢复出多路TTL电平标准的低频信号，并将恢复出的多路低频信号发送至测控数传天线。

5.根据权利要求1所述的光电混合信号处理与传输设备，其特征在于，

所述光电混合旋转关节包括多路电旋转连接器和1路光旋转连接器，能够向任意方向传输所述光信号与电信号；

所述光旋转连接器，用于在旋转状态下传输1路单模光信号；

所述电旋转连接器，用于在旋转状态下传输微波射频信号与数字信号。

6.根据权利要求5所述的光电混合信号处理与传输设备，其特征在于，

所述射频光接收机中的电连接器，用于将交流信号与直流信号传输至光电混合旋转关节中的电旋转连接器；

所述射频光发射机中的电连接器，用于将光电混合旋转关节中的电旋转连接器传来的交流信号与直流信号传输至测控数传天线。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述的光电混合信号处理与传输设备的方法，其特征在于，所述方法包括：

所述射频光发射机将来自测控数传天线输出的多路射频信号与低频信号转换为光信号；

所述光电混合旋转关节将所述光信号传输至所述射频光接收机；

所述射频光接收机从所述光信号中恢复出多路射频信号与低频信号，并将多路射频信号转换为中频信号。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

所述低噪声放大器对每路射频信号进行放大，并将放大后的多路射频信号送入光发射模块；

所述光发射模块将多路射频信号调制到光载波上，形成多路射频光信号；

所述低频转换模块将多路低频信号调制到光载波上，形成多路数字光信号，并对多路射频光信号与数字光信号分配的光波长加以区分；

所述波分复用器将多路射频光信号与多路数字光信号耦合到同一根光纤中，并将耦合后的光信号输入到光电混合旋转关节。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

所述解波分复用器从光电混合旋转关节输出的耦合后的光信号中恢复出的多路射频光信号与数字光信号，并将恢复出的多路射频光信号输入所述光接收模块，将恢复出的数字光信号输入低频转换模块；

所述光接收模块将所多路射频光信号经过光电转换恢复成原始的多路射频信号；

所述低频转换模块将数字光信号转换为多路低频信号，并将其送入后端测控基带；

所述射频数字化模块对接收到的多路射频信号进行变频、采样与数字化，并将得到的中频信号送入后端测控基带。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，

所述后端测控基带将接收到的多路低频信号传输至低频转换模块；

所述低频转换模块将多路低频信号进行并串转换合成为数字合成信号，并将数字合成信号调制到光载波上，形成数字光信号；

所述光电混合旋转关节将接收到的所述数字光信号送入低频转换模块；

所述低频转换模块对所述数字光信号进行光电转换，恢复出数字合成信号，通过并串转换，将数字合成信号恢复出多路TTL电平标准的低频信号，并将恢复出的多路低频信号发送至测控数传天线。

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