CN116232426A - 一种星载C/Ku频段测控应答机一体化设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种星载C/Ku频段测控应答机一体化设计方法，设计一个C频段的收发通道模块、Ku频段的收发通道模块、中频数字处理模块；由中频数字处理模块根据C频段、Ku频段上电默认频点要求分别对C、Ku频段收发通道的本振频率进行设置；接收信号时，C、Ku频段两路上行信号分别经过C频段接收模块、Ku频段接收模块下变频为接收中频信号后同时送给同一个中频数字处理模块，中频数字处理模块对调制在中频信号上的遥控信号和测距信号根据工作模式进行解调，输出遥控PCM码流；发射信号时，中频数字处理模块将遥测信号和测距信号调制在发射中频信号分别转发给C、Ku频段发射通道；C、Ku频段发射通道模块将发射中频信号分别上变频产生C频段、Ku频段两路下行信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种卫星应答机的一体化设计方法，属于卫星测量控制技术领域。
背景技术
亚太6E卫星是东三E平台的首发星，瞄准国际先进中小型卫星平台技术水平，遵循“高性能、高效率、高性价比”的设计理念。C/Ku频段测控应答机是亚太6E卫星测控分系统的核心单机，C/Ku频段测控应答机的一体化研制对于完善五院、集团公司测控应答机的型谱、开拓测控应答机未来的国际市场具有重要意义。该一体化设计方法可以实现应答机的快速研制生产，建立通用化单机体系和标准规范体系，为提升我国应答机总体研制水平奠定基础。
C/Ku频段测控应答机采用C/Ku射频双通道、单数字处理模块、单频率源的一体化设计思路，同时实现C和Ku频段与地面进行测控通信，在轨根据任务需要时还可上注C、Ku频段的上下行频点，实现测控频段范围内频点任意可设置。
文献《On-Board TTC Transponder for Secure Communications》中提到一种Ka、X应答机，该应答机射频通道模块可更换，只支持Ka或X频段单通道工作，工作频率固定，无法实现频点任意可设。
文献《Advances in Deep-Space Transponder》中提到一种S/X/Ka深空应答机，该应答机只支持应答机单独相干工作模式，不支持多种工作模式。
发明内容
本发明的目的是为了满足星地C和Ku双频段卫星同时测控的需求，提出一种C/Ku频段测控应答机的一体化设计方法。
本发明的技术方案是：一种星载C/Ku频段测控应答机一体化设计方法，包括：
设计一个C频段的接收通道模块、发射通道模块；一个Ku频段的接收通道模块、发射通道模块；一个中频数字处理模块；
由中频数字处理模块根据C频段、Ku频段上电默认频点要求分别对C、Ku频段接收通道和发射通道的本振频率进行设置；
接收信号时，C、Ku频段两路上行信号分别经过C频段接收模块、Ku频段接收模块下变频为接收中频信号后同时送给同一个中频数字处理模块，由中频数字处理模块对调制在中频信号上的遥控信号和测距信号根据工作模式的要求进行FM鉴频解调或PM跟踪解调，输出遥控PCM码流；
发射信号时，由中频数字处理模块将遥测信号和测距信号调制在发射中频信号分别转发给C、Ku频段发射通道；C、Ku频段发射通道模块将发射中频信号分别上变频产生C频段、Ku频段两路下行信号。
优选的，采用一个频率源同时给中频数字处理模块及C、Ku频段的接收通道模块、发射通道模块实现整机时钟同步。
优选的，C频段接收通道模块、发射通道模块、中频数字处理模块共同使用Ku频段接收通道模块、发射通道模块的频率源实现双频段同源设计。
一种一体化星载C/Ku频段测控应答机，包括：C频段接收通道模块、C频段发射通道模块、Ku频段接收通道模块、Ku频段发射通道模块和中频数字处理模块；
中频数字处理模块在上电时根据C频段、Ku频段上电默认频点要求分别对C、Ku频段接收通道和发射通道的本振频率进行设置；
C频段接收通道模块用于将C频段上行信号与C频段接收本振信号进行一次下混频，中频滤波及AGC放大，然后输出接收中频信号给中频数字处理模块；
Ku频段接收通道模块用于将Ku频段上行信号与Ku频段接收本振信号进行一次下混频，中频滤波及AGC放大，然后输出接收中频信号给中频数字处理模块；
中频数字处理模块对调制在接收中频信号上的遥控信号和测距信号根据工作模式的要求进行解调，输出遥控PCM码流；
中频数字处理模块将遥测信号和测距信号调制在发射中频信号分别转发给C、Ku频段发射通道；C、Ku频段发射通道模块将发射中频信号分别上变频产生C频段、Ku频段两路下行信号。
优选的，C频段接收通道模块、Ku频段接收通道模块产生的接收中频信号分别通过一个带通滤波器进行带通滤波，将接收中频信号输出功率控制在一定范围内送给中频数字处理模块。
优选的，所述带通滤波器的带宽为6～12MHz。
优选的，所述中频数字处理模块包括双路模拟数字变换器A/D、FPGA、数字模拟变换器D/A1和D/A2；
双路模拟数字变换器A/D接收两路从C频段接收通道模块、Ku频段接收通道模块输出的中频信号，对两路接收中频信号进入双路A/D采样，分别将C、Ku频段的接收中频信号变成C、Ku频段的数字信号，双路数字信号同时输送给FPGA；
FPGA对接收到的A/D送来的数字信号，根据工作模式的要求，同时进行C频段、Ku频段对应模式的解调；将获得两路信号中的测距信号和遥测PSK信号一起调制后，分别送至数字模拟变换器D/A1和D/A2；
数字模拟变换器D/A1和D/A2对接收的调制信号进行数模转换，并分别发送至C频段发射通道模块、Ku频段发射通道模块。
优选的，所述的FPGA包括C频段解调模块、C频段调制模块，Ku频段解调模块、Ku频段调制模块、频综设置模块；
频综设置模块在上电时根据C频段、Ku频段上电默认频点要求分别对C、Ku频段接收通道和发射通道的本振频率进行设置，或者在轨根据遥控指令进行所述本阵频率设置；
C频段解调模块、Ku频段解调模块分别接收双路模拟数字变换器A/D输出的数字信号，根据工作模式要求进行对应的FM鉴频解调或PM跟踪解调，将对应频段的数字中频信号通过正交下变频进行频谱搬移，形成对应频段的基带信号，当解调完成时，由C遥控副载波解调模块/Ku遥控副载波解调模块对对应频段的基带信号进行遥控副载波的解调，输出遥控PCM码流；同时转发测距信号至对应的C频段调制模块/Ku频段调制模块；
C频段调制模块/Ku频段调制模块将转发的测距信号与接收的遥测PSK信号一起调制后分别发送至数字模拟变换器D/A1和D/A2。
优选的，所述中频数字处理模块根据上行遥控指令识别工作模式即对应的解调模式，所述的解调模式包括FM鉴频解调、PM跟踪解调，识别解调模式后调用C频段解调模块、Ku频段解调模块执行对应的解调，实现统一载波体制下FM解调模式与PM解调模式的切换。
优选的，中频数字处理模块在上电时根据C频段、Ku频段上电默认频点要求分别对C、Ku频段接收通道和发射通道的本振频率进行设置包括：
根据C频段/Ku频段上行输入频率计算上行本振工作频点，中频数字处理模块对C频段/Ku频段接收本振进行频率设置；根据C频段/Ku频段下行输出频率计算C频段/Ku频段下行本振工作频点，中频数字处理模块对C频段/Ku频段发射本振进行频率设置。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明可以同时满足星地C和Ku频段同时测控的需求，即在统一载波体制下使用C和Ku频段同时完成卫星的跟踪与测量，支持在轨注入C和Ku频段上下行信号频率，满足通用化的测控需求。
本发明用一个中频处理模块软件配置项实现了C频段和Ku频段双频段的同时测控，实现了统一载波体制下FM鉴频解调模式和PM跟踪解调模式的切换，由同一个中频数字处理模块实现FM解调或PM解调模式的切换。
本发明用C和Ku两个频段收发通道同时工作实现了双频段同时遥控、遥测、测距；采用同一个中频数字处理模块实现双频段同时测控，中频数字处理同时进行C、Ku收发通道模块的收发本振频点设置，提升了产品的通用化设计；整机设计一个频率源同时给中频数字处理模块及C、Ku频段的收发通道模块实现整机时钟同步；整机支持在轨注入上、下行工作频点；该一体化设计方法极大缩短了产品的研制周期，提升了产品的可靠性。
附图说明
图1为本发明的C/Ku频段测控应答机的一体化设计方法原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的C、Ku频段一体化设计方法，设计思路为通过设计一个C频段的接收通道模块、发射通道模块；一个Ku频段的接收通道模块、发射通道模块；一个中频数字处理模块完成下述功能：
由中频数字处理模块根据C频段、Ku频段上电默认频点要求分别对C、Ku频段接收通道和发射通道的本振频率进行设置；
接收信号时，C、Ku频段两路上行信号分别经过C频段接收模块、Ku频段接收模块下变频为接收中频信号后同时送给同一个中频数字处理模块，由中频数字处理模块对调制在中频信号上的遥控信号和测距信号根据工作模式的要求进行FM鉴频解调或PM跟踪解调，输出遥控PCM码流；
发射信号时，由中频数字处理模块将遥测信号和测距信号调制在发射中频信号分别转发给C、Ku频段发射通道；C、Ku频段发射通道模块将发射中频信号分别上变频产生C频段、Ku频段两路下行信号。
按照上述涉及思路得到的一体化星载C/Ku频段测控应答机包括C频段接收通道模块、C频段发射通道模块、Ku频段接收通道模块、Ku频段发射通道模块和中频数字处理模块，
C、Ku接收通道模块和发射通道模块(统称收发通道模块)的本振频率可控，结合中频数字处理模块可实现C、Ku频段频点任意可设；
C频段上、下行频率设置：根据上行输入频率计算上行本振工作频点，最终中频数字处理模块对C频段接收本振进行频率设置；根据C频段下行输出频率计算C频段下行本振工作频点，最终用中频数字处理模块对C频段发射本振进行频率设置。
Ku频段上、下行频率设置：根据上行输入频率计算上行本振工作频点，最终中频数字处理模块对Ku频段接收本振进行频率设置；根据Ku频段下行输出频率计算Ku频段下行本振工作频点，最终用中频数字处理模块对Ku频段发射本振进行频率设置。
C频段接收模块包括C下变频及中频滤波AGC放大功能，C频段接收通道模块是将C频段上行信号与C频段接收本振信号进行一次下混频，中频滤波及AGC放大，然后输出接收中频信号给中频数字处理模块；Ku接收模块功能与C频段接收模块功能相同，设计一致，Ku频段上行信号经过Ku接收模块，输出接收中频信号给中频数字处理模块；C和Ku接收、发射本振信号频率可设置，进而保证C和Ku频段的上下行频率可设。两路中频信号各通过一个带宽6～12MHz的带通滤波器，该带宽能够保证两路中频信号的主载波、遥控副载波、以及测距信号都能够完整地通过然后通过接收模块，将接收中频信号输出功率控制在一定范围内送给中频数字处理模块。
中频数字处理模块主要包括双路模拟数字变换器A/D、FPGA、数字模拟变换器D/A1和D/A2；双路模拟数字变换器A/D接收两路从C、Ku接收模块输出的中频信号，对两路接收中频信号进入双路A/D采样，分别将C、Ku频段的接收中频信号变成C、Ku频段的数字信号，双路数字信号同时输送给FPGA。根据工作模式的要求，FPGA对接收到的A/D送来的数字信号同时送给C频段解调模块(包括FM鉴频解调模块/PM跟踪解调模块)、Ku频段解调模块(包括FM鉴频解调模块/PM跟踪解调模块)。C频段数字中频信号通过正交下变频进行频谱搬移，形成C频段基带信号，当C频段完成FM鉴频解调/PM跟踪解调时，对C频段基带信号进行遥控副载波的解调，然后输出遥控PCM码流，同时对解调的测距信号进行转发，由C频段调制模块将测距信号和遥测PSK信号一起调制后送给D/A1。Ku频段数字中频信号通过正交下变频进行频谱搬移，形成Ku频段基带信号，当Ku频段完成FM鉴频解调/PM跟踪解调时，对Ku频段基带信号进行遥控副载波的解调，并输出遥控PCM码流，同时对解调的测距信号进行转发，由Ku频段调制模块将测距信号和遥测PSK信号一起调制后送给D/A2。
C频段收发通道模块、Ku频段收发通道模块、中频数字处理模块采用Ku的频率源来实现同源设计。
C频段发射通道模块包括C频段上变频、中频滤波放大功能，将D/A1送出的发射中频信号上变频至C频段然后滤波输出；Ku频段发射通道模块包括Ku频段上变频、中频滤波放大功能，将D/A2送出的发射中频信号上变频至Ku频段滤波输出。
本发明用一个中频数字处理模块实现双频段同时工作，多种模式的解调：中频数字处理模块根据上行遥控指令识别相应的解调模式，并调用C频段、Ku频段相应的FM鉴频解调模块/PM跟踪解调模块，因此可实现统一载波体制下FM解调模式与PM解调模式的切换。
实施例
例如该一体化方法设计的应答机在整机上电后，C频段上行输入信号中心频率为6200MHz，C频段下行输出信号为3600MHz，Ku频段上行输入信号中心频率为13200MHz，Ku频段下行输出信号为12000MHz；基带FPGA按任务需求的上下行频率，计算实际所需的本振控制字，同时控制C频段收发本振、Ku频段收发本振；以统一载波体制的FM调制模式为例，C频段上行输入信号调制在主载波上的遥控副载波信号频率为8kHz，C频段调制频偏为±200kHz，设置接收本振信号频率为6128MHz，经过混频器后，形成72MHz的中频信号；Ku频段上行信号调制在主载波上的遥控副载波信号频率为8KHz，Ku频段调制频偏为±200kHz。设置本振信号频率为13128MHz，经过混频器后，形成72MHz的中频信号；两路72MHz中频信号分别经过中频滤波器、经过AGC放大器进行自动增益控制的放大，输入给数字处理部分。
数字处理电路的双路模拟数字变换器A/D接收从接收通道模块传递过来的中频信号，同时对C频段的中频信号、Ku频段的中频信号进行A/D采样，将中频信号变成数字信号，然后将数字信号输送给FPGA。FPGA对接收到的A/D送来的数字信号同时送给C频段的中频解调模块和Ku频段中频解调模块。
C频段数字中频信号通过下变频至零中频，形成C频段基带信号，对零中频的信号进行鉴频解调处理/跟踪解调得到遥控副载波信号，输出遥控PCM码流；同时进行测距信号的解调，将获得的测距信号和遥测副载波一起调制后送给D/A1，经数模转换后形成频率为72MHz，带宽为10～20MHz的中频调制信号送给发射通道C频段中频信号滤波放大模块。
Ku频段数字中频信号通过下变频至零中频，形成Ku频段基带信号，对零中频的信号进行鉴频解调处理/跟踪解调得到遥控副载波信号，输出遥控PCM码流；同时进行测距信号的解调，将获得的测距信号和遥测副载波一起调制后送给D/A2，经数模转换后形成频率为70MHz，带宽为10～20MHz的中频调制信号送给发射通道Ku频段中频信号滤波放大模块。
C频段发射通道将70MHz中频调制信号滤波放大后送给C频段上变频模块，C频段发射本振设置为5000MHz，经混频后输出的C频段下行信号频率为3600MHz；同时Ku发射通道将70MHz中频调制信号滤波放大后送给Ku频段上变频模块，Ku频段发射本振设置为9300MHz，经混频后输出的Ku频段下行信号频率为12000MHz，满足任务要求。
应答机上电默认上行工作在FM模式，基带处理模块(即中频数字处理模块)自动调用FM鉴频解调模块实现遥控解调；如果任务需求应答机工作在PM模式，通过422指令切换上行工作在PM模式，基带处理模块调用PM跟踪解调模块实现遥控解调。
由于应答机工作上行FM调制模式时，应答机工作在非相干模式，当任务需求在轨设置上下行频点时，通过422指令分别注入C频段和Ku频段需要的上下行频率，由FPGA计算给接收、发射本振需要设置的频率控制字，进而实现在轨注入频点功能；当应答机工作在上行PM调制模式时，应答机工作在相干模式，那么上下行频率要考虑相关转发比的需求，根据转发比的需求控制收通道和发射通道的本振输出频率，从而实现频点的注入。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种星载C/Ku频段测控应答机一体化设计方法，其特征在于包括：
设计一个C频段的接收通道模块、发射通道模块；一个Ku频段的接收通道模块、发射通道模块；一个中频数字处理模块；
由中频数字处理模块根据C频段、Ku频段上电默认频点要求分别对C、Ku频段接收通道和发射通道的本振频率进行设置；
接收信号时，C、Ku频段两路上行信号分别经过C频段接收模块、Ku频段接收模块下变频为接收中频信号后同时送给同一个中频数字处理模块，由中频数字处理模块对调制在中频信号上的遥控信号和测距信号根据工作模式的需求进行FM鉴频解调或PM跟踪解调，输出遥控PCM码流；
发射信号时，由中频数字处理模块将遥测信号和测距信号调制在发射中频信号分别转发给C、Ku频段发射通道模块；C、Ku频段发射通道模块将发射中频信号分别上变频产生C频段、Ku频段两路下行信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：采用一个频率源同时给中频数字处理模块及C、Ku频段的接收通道模块、发射通道模块实现整机时钟同源。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：C频段接收通道模块、发射通道模块、中频数字处理模块共同使用Ku频段接收通道模块、发射通道模块的频率源实现双频段同源设计。
4.一种一体化星载C/Ku频段测控应答机，其特征在于包括：C频段接收通道模块、C频段发射通道模块、Ku频段接收通道模块、Ku频段发射通道模块和中频数字处理模块；
中频数字处理模块在上电时根据C频段、Ku频段上电默认频点要求分别对C、Ku频段接收通道和发射通道的本振频率进行设置；
C频段接收通道模块用于将C频段上行信号与C频段接收本振信号进行一次下混频，中频滤波及AGC放大，然后输出接收中频信号给中频数字处理模块；
Ku频段接收通道模块用于将Ku频段上行信号与Ku频段接收本振信号进行一次下混频，中频滤波及AGC放大，然后输出接收中频信号给中频数字处理模块；
中频数字处理模块对调制在接收中频信号上的遥控信号和测距信号根据工作模式的要求进行解调，输出遥控PCM码流；
中频数字处理模块将遥测信号和测距信号调制在发射中频信号分别转发给C、Ku频段发射通道；C、Ku频段发射通道模块将发射中频信号分别上变频产生C频段、Ku频段两路下行信号。
5.根据权利要求4所述的应答机，其特征在于：C频段接收通道模块、Ku频段接收通道模块产生的接收中频信号分别通过一个带通滤波器进行带通滤波，将接收中频信号输出功率控制在一定范围内送给中频数字处理模块。
6.根据权利要求5所述的应答机，其特征在于：所述带通滤波器的带宽为6～12MHz。
7.根据权利要求4所述的应答机，其特征在于：所述中频数字处理模块包括双路模拟数字变换器A/D、FPGA、数字模拟变换器D/A1和D/A2；
双路模拟数字变换器A/D接收两路从C频段接收通道模块、Ku频段接收通道模块输出的中频信号，对两路接收中频信号进入双路A/D采样，分别将C、Ku频段的接收中频信号变成C、Ku频段的数字信号，双路数字信号同时输送给FPGA；
FPGA对接收到的A/D送来的数字信号，根据工作模式的要求，同时进行C频段、Ku频段对应模式的解调；将获得两路信号中的测距信号和遥测PSK信号一起调制后，分别送至数字模拟变换器D/A1和D/A2；
数字模拟变换器D/A1和D/A2对接收的调制信号进行数模转换，并分别发送至C频段发射通道模块、Ku频段发射通道模块。
8.根据权利要求7所述的应答机，其特征在于：所述的FPGA包括C频段解调模块、C频段调制模块，Ku频段解调模块、Ku频段调制模块、频综设置模块；
频综设置模块在上电时根据C频段、Ku频段上电默认频点要求分别对C、Ku频段接收通道和发射通道的本振频率进行设置，或者在轨根据遥控指令进行所述本阵频率设置；
C频段解调模块、Ku频段解调模块分别接收双路模拟数字变换器A/D输出的数字信号，根据工作模式要求进行对应的FM鉴频解调或PM跟踪解调，将对应频段的数字中频信号通过正交下变频进行频谱搬移，形成对应频段的基带信号，当解调完成时，由C遥控副载波解调模块/Ku遥控副载波解调模块对对应频段的基带信号进行遥控副载波的解调，输出遥控PCM码流；同时转发测距信号至对应的C频段调制模块/Ku频段调制模块；
C频段调制模块/Ku频段调制模块将转发的测距信号与接收的遥测PSK信号一起调制后分别发送至数字模拟变换器D/A1和D/A2。
9.根据权利要求4所述的应答机，其特征在于：所述中频数字处理模块根据上行遥控指令识别工作模式即对应的解调模式，所述的解调模式包括FM鉴频解调、PM跟踪解调，识别解调模式后调用C频段解调模块、Ku频段解调模块执行对应的解调，实现统一载波体制下FM解调模式与PM解调模式的切换。
10.根据权利要求4所述的应答机，其特征在于：中频数字处理模块在上电时根据C频段、Ku频段上电默认频点要求分别对C、Ku频段接收通道和发射通道的本振频率进行设置包括：
根据C频段/Ku频段上行输入频率计算上行本振工作频点，中频数字处理模块对C频段/Ku频段接收本振进行频率设置；根据C频段/Ku频段下行输出频率计算C频段/Ku频段发射本振工作频点，中频数字处理模块对C频段/Ku频段发射本振进行频率设置。
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