CN116470935B - 一种基于国产器件的冗余备份高可靠遥测发射机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于电子通信技术领域的一种基于国产器件的冗余备份高可靠遥测发射机。数字基带处理电路分别与主通道上变频电路、主功率放大器、第一下变频电路、第二下变频电路、备用通道上变频电路、备用功率放大器相连；主通道上变频电路与主功率放大器相连，主功率放大器与第一耦合器相连；功分器分别与第一耦合器、第一下变频电路、第二下变频电路相连；备用通道上变频电路与备用功率放大器相连；第一耦合器与备用功率放大器均接输出端。本发明可以在不改变发射机外部接口与使用方式的情况下通过通道冗余备份消除发射机大多数单点工作部件，并且可以实现故障自检测，提高发射机的整机可靠性。

Description

一种基于国产器件的冗余备份高可靠遥测发射机

技术领域

本发明涉及电子通信技术领域，尤其涉及一种基于国产器件的冗余备份高可靠遥测发射机。

背景技术

数字化遥测发射机是飞行器飞行试验时的必配产品，其作为测量系统下行链路中最为关键的节点，汇集了飞行器工作状态的所有测量信息。作为测量系统最为核心的工作环节，直接影响着遥测数据获取的质量与效果，决定了遥测任务的成败。遥测发射机功能复杂、角色关健，但其内部在供电、数据传输、基带处理、软件处理、射频链路等环节，均存在电路与元器件级单点故障模式，任一环节失效均会导致遥测任务失败。

现有发射机电路结构是串行连接的方式，每部分电路都是一个单点，只有增加冗余备份才能改变全部是单点的状态。目前在有些重要飞行器中采用双发射机方案进行冗余备份，这种飞行器遥测系统需要安装两台发射机，一台为主发射机，一台为备份发射机，开机时主发射机工作，备份发射机关闭，当地面站接收数据异常并判断发射机发生故障时，地面站发射遥控指令关闭主发射机启动备份发射机。这种备份方式系统复杂度较高，并且过程需要人为控制延迟较大。

目前常用的遥测发射机的调制器以FPGA为硬件处理平台，使用数字电路实现调制输出中频调制信号，配合射频上变频和功率放大电路就构成一个完整遥测发射机。发射机电路主要包括基带电路、射频上变频器、功率放大器以及电源转换管理模块组成。目前常用的超外差上变频器采用两次上变频电路，基带输出的中频信号先与第一本振混频滤波变到到高中频，再与第二本振混频滤波到射频，然后输入到功率放大器。发射机的本振采用频率可以设置的锁相环频率合成器。功率放大器分3级，预放大器、初级功率放大器、末级功率放大器。由于超外差结构为串行链式结构，结构长，使用分立元件多，每部分电路都存在单点故障隐患，导致只要任一部分电路出现故障，整个发射机就会失效。

进年来国外针对我国进行核心电子元器件的封锁与停售，引进受限次数不断增多，受限产品范围不断扩大，引进形势日益严峻。此外，部分型号产品质量问题在定位到进口元器件后，因未能自主掌握器件内部工作原理而无法进一步排查，使得产品质量问题无法归零到根本原因。为应对上述诸多不利局面，国内各科技集团积极推进飞行器遥测领域的自主可控工作。当前火箭遥测发射机距离全国产化要求仍有显著差距，因此，非常有必要完成全国产化设计工作，设计一种基于国产器件的冗余备份高可靠遥测发射机，在发射机设备内部通过架构优化、电路改进、多模冗余等手段，消除单点失效隐患，提升其可靠性。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于国产器件的冗余备份高可靠遥测发射机，其特征在于，包括数字基带处理电路、主通道上变频电路、主功率放大器、第一耦合器、功分器、第一下变频电路、第二下变频电路、备用通道上变频电路和备用功率放大器；

其中，数字基带处理电路分别与主通道上变频电路、主功率放大器、第一下变频电路、第二下变频电路、备用通道上变频电路、备用功率放大器相连；主通道上变频电路与主功率放大器相连，主功率放大器与第一耦合器相连；功分器分别与第一耦合器、第一下变频电路、第二下变频电路相连；备用通道上变频电路与备用功率放大器相连；第一耦合器与备用功率放大器均接输出端。

主功率放大器工作正常时，备用功率放大器关闭；主功率放大器工作异常时，备用功率放大器打开，且主功率放大器关闭。

主功率放大器工作异常的判据为第一下变频电路和第二下变频电路均发生故障。

主功率放大器和备用功率放大器均与时序控制电路连接。

射频信号经过备用功率放大器到达输出端，再依次经过切换开关、隔离器、滤波器、第二耦合器后进行输出。

本发明的有益效果在于：

1、本发明可以在不改变发射机外部接口与使用方式的情况下通过通道冗余备份消除发射机大多数单点工作部件，并且可以实现故障自检测，提高发射机的整机可靠性；

2、本发明利用零中频正交上变频方案，减少了电路中串联部件。

附图说明

图1为遥测发射机功能组成框图；

图2为本发明基于国产器件的冗余备份高可靠遥测发射机的系统框图；

图3为零中频结构发射机结构图；

图4为零中频接收机原理框图；

图5为冗余备份型功率放大器模块组成原理框图；

图6为基于B9361的通道备份遥测发射机原理框图；

图7为基于DDS的PCM/FM调制实现框图；

图8为PCM/FM故障自检测的程序结构图。

具体实施方式

本发明提出一种基于国产器件的冗余备份高可靠遥测发射机，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

发射机电路主要包括基带电路、射频通道、功率放大器以及电源转换管理模块组成。系统功能组成框图如图1所示。传统的超外差结构遥测发射机的上变频电路采用两次变频电路，调制器输出的中频信号与本振信号进行混频，经过滤波上变频到射频信号。这种电路结构中本振电路采用输出信号频率可以设置的锁相环频率合成器，利用滤波器滤除混频产生的杂波和限制信号带宽。功率放大器一般分为3级，预放大器、初级功率放大器、末级功率放大器。由于超外差结构为串行链式结构，结构长，使用分立元件多，每部分电路都存在单点故障隐患，导致只要任一部分电路出现故障，整个发射机就会失效。因此可以从优化发射机结构、减少分立元件使用、引入冗余备份设计消除单点故障隐患出发，对传统超外差结构遥测发射机进行优化改进。

根据分析，发射机的单点多集中在基带处理之后的通道部分，如果对基带处理核心芯片FPGA之后的电路增加冗余备份，就可以消除90％的单点部件。另外FPGA是一片集成芯片，可靠性较高，发射机故障多集中在FPGA后的上变频和功率放大部分。因此，本实施例选择只对发射机通道部分进行冗余备份的方案。

增加备份电路后，需要确定主部件与备份电路的工作时序问题，是选择只有一个部件工作的冷热备份方式，还是选择主备件同时工作的方式。主备件同时工作的方式，优点是不存在开关机控制问题，电路结构比较简单，缺点有以下两个：

一、主备件使用不同的本振，经过不同的电路延时，发射信号的相位、频率和幅度都会有所不同，直接相加会相互干扰；

二、因为发射机功耗主要为功率放大器消耗，主备件同时工作整机功耗较大，几乎等同于两台发射机。

本实施例选择冷热备份方式，正常主部件工作，备份部件关闭，检测到故障时关闭主部件打开备份部件工作。这种方式需要有可靠的故障检测手段，监测发射信号的质量并能判断是否正常。

目前对于发射机故障的检测是根据地面站接收数据的异常情况进行判断，如果依靠地面站进行发射机故障检测，发生故障时要关闭主部件启动备份部件，需要地面站发射遥控指令，这样就增加了系统工作的复杂度，并且过程需要人为控制延迟较大。根据本方案的设计原则，不改变系统工作方式，不增加遥测遥控系统设备和操作步骤，因此需要发射机能够自行检测故障。

发射机故障自检测，可根据对发射信号是否解调分析，分为简单故障检测和复杂故障检测。简单故障检测，一般通过对发射功率检测和发射机电流进行检测，根据发射机输出功率和功耗是否有大的变化判断发射机工作是否异常。这种方式无法检测调制信号质量、信号失真情况以及信号频率准确度，当遇到本振失锁或电路故障引起信号失真，无法判断发射机发生故障。

复杂故障检测需要在发射机中增加接收解调电路，将发射信号耦合一部分回来进行解调分析，根据载波解调后，位同步能否锁定，判断发射信号是否正常。如果位同步能够正常锁定，证明载波频率准确度，调制信号质量没有问题，地面站也可以正常接收解调，发射机工作正常。本实施例选择在发射机中增加接收通道，进行准确的故障检测。

如图2所示，为提高发射机可靠性，主要采取以下措施：一、在基带电路后增加一个备份通道；二、增加接收通道，对主通道发射信号进行检测，接收通道也应该避免单点工作；三、正常情况下主通道工作，备用通道功放关闭，基带电路确定主通道异常时，关闭主通道功放打开备用通道功放。

主通道功率放大器后接一个功率耦合电路，耦合一部分发射信号回来供检测，耦合信号经过功分器分为两路送到两个独立的接收下变频电路，两个接收下变频电路输出数字中频信号到基带电路解调分析；在发射机射频部分增加一个备份通道包括备份上变频器和备份功率放大器；主通道和备份通道同时接射频开关，选择输出通路；基带电路根据故障检测情况控制主通道和备份通道以及射频开关的工作情况。为了使检测电路工作可靠，尽量避免单点工作，增加两个独立的接收下变频通道，同时进行检测，只有当两个接收通道同时检测到故障时，才判断发射主通道异常。

本实施例为了提高可靠性需要利用比较简单的发射和接收电路结构，以及使用较大的集成电路芯片实现，减少电路中的元器件数量。为了实现发射机通道备份与故障自检测，需要两个上变频电路模块，分别为主通道上变频模块与备份通道上变频模块，以及需要两个下变频模块作为检测通道。

采用正交变频技术的零中频结构相较于超外差结构，其调制信号直接从零频信号上变频到射频，没有超外差式结构多级变频所需的大量模拟射频器件的使用。图3为零中频结构发射机的原理图。正交上变频结构，把基带电路输出的数字中频信号经过数字滤波，数模转换到模拟信号，直接和本振正交混频到射频。这种架构的变频电路结构简单，利于集成，单点故障隐患更少，因而更适合作为高可靠遥测发射机的上变频电路。

检测通道也采用正交下变频结构，如图4所示。低噪声放大后的射频信号与正交本振混频到零中频信号，经过模数转换和数字滤波输出到基带电路处理。这种架构的接收机相对于传统的超外差接收机电路结构简单，利于集成。

数字基带处理模块主要分为信号输入单元、数字信号处理单元、程序输入存储单元，完成PCM/FM调制解调算法、故障自检测算法、外设芯片寄存器配置三部分功能。信号输入单元，输入的数据流为时钟信号和数据信号两种差分信号，其通过国产RS-422收发器将输入的差分信号转换为单路信号，然后通过电平转换芯片将信号转换为可供FPGA的I/O管脚使用的电平标准，完成遥测信号的输入。数字信号处理单元,采用国产FPGA芯片，可以实现高性能数字信号处理应用。程序存储单元采用国产flash存储芯片。

本实施例设计的PCM/FM调制方案选择基于DDS的正交调制法实现基带零中频调制，解调方案选择基于非相关解调法。故障自检测方法是通过耦合部分发射信号的功率，进行解调分析，来评估发射信号的质量、信号失真情况和频率准确度，从而判断发射通道是否出现故障。当主发射通道出现故障时，会影响调制信号或载波频率准确度，从而导致载波解调性能，解调后的信号码速率不能稳定，从而让位同步环失锁。通过检测位同步器环路是否失锁既可实现对发射通道故障的检测。这种检测方法与发射信号的内容无关，仅需要知道数据速率即可实现对信号的检测。

冗余备份型功率放大器模块由固态功放模块、监控模块、电源模块三部分组成。固态功放模块由输入隔离器、主功放模块、备份功放模块、耦合器、切换开关、输出隔离器等组成。电源模块由DC/DC部分、时序控制、加电保护等组成；监控模块实现状态监控和检测等功能。冗余备份型功率放大器模块的组成原理如下图5所示。

冗余备份型功率放大器模块由固态功放模块、监控模块、电源模块三部分组成。功放的工作流程：输入的射频信号经模块的插座进入输入隔离器、经过驱动功放放大到一定功率电平，再进入末级功放模块，放大后经切换开关、隔离器、滤波器、第二耦合器后输出。电源模块由DC/DC部分、加电保护、状态监控和检测部分组成。监控模块给功放模块、电源模块提供开关、控制、保护、状态等功能。

B9361芯片内部接收器的构成为低噪声放大器(LAN)、频带整形滤波器和混频器。完全可编程的128抽头FIR滤波器和抽取滤波器可以进一步调整数字信号，例如通过设置抽头系数可以更改采样率以达到所需的数据速率。发射器也是直接变频系统，主要由数字处理模块、通用型频率合成器和射频模块构成，数字基带信号经过滤波器和可调节采样速率的DAC处理后，进入射频模块进行上变频。B9361的发射通道是正交上变频结构，把基带电路输出的数字中频信号经过数字滤波，数模转换到模拟信号，直接和本振正交混频到射频。B9361的接收通道是正交下变频结构，把低噪声放大后的射频信号与正交本振混频到零中频信号，经过模数转换和数字滤波输出到基带电路处理。

基于B9361的故障自检测通道备份遥测发射机方案的如图6所示，使用了两片B9361，B9361-A实现发射机主通道的上变频电路和一路检测用接收下变频通路，B9361-B实现发射机备份通道的上变频电路和另一路检测用接收下变频通路。主通道功率放大器后接一个功率耦合电路，耦合信号经过功分器分为两路送到两个独立B9361的接收下变频电路，两个接收下变频电路输出数字中频信号到基带电路解调分析，只有当两个接收通道同时检测到故障时，才判断发射主通道异常，关闭主通道功放打开备份通道功放。

发射机基带电路核心器件采用深圳国微公司研制的国产FPGA芯片SMQ4VSX55芯片，其内部可编程资源非常丰富，包含可用于实现常规数字逻辑和分布式RAM的CLB模块，还包含I/O、Block RAM、DSP slice、DCM、PMCD等可编程模块，以及高达512个DSP处理器，可以实现高性能数字信号处理应用。发射机基带信号处理算法主要分为三部分：1、信号调制处理算法；2、信号故障检测算法；3、控制逻辑电路部分。下面分别进行讨论。

PCM/FM调制是对PCM数据流进行FM调制。本发射机采用零中频正交上变频方案，零中频调频信号的表达式如式(1)和(2)所示：

其中D(t)为信息码流，s_I(t)为I路输出、s_Q(t)为Q路输出。

在FPGA中实现上述零中频FM调制，可以使用直接数字频率合成技术(DDS)，利用调制信息改变DDS的频率控制字实现。其实现框图如图7所示。

首先用与PCM数据流伴随发送的数据同步时钟进行采样，将PCM数据输入到FPGA；再对输入的PCM数据用高频时钟进行重采样，提高比特数据的采样率。在映射模块中会将PCM数据的“1”转换为“+1”，“0”转换为“-1”；映射后的数据，通过预调滤波器滤除调制数据的高频分量，限制调制后的信号带宽。该滤波器采用根升余弦FIR滤波器，阶数选取60阶，采用Kaiser窗截取理想低通滤波器冲击响应设计，滤波器带宽取0.7倍的码速率，滚降系数为0.35；阶数即保证了预调滤波器的幅频特性曲线满足设计指标的要求，同时也满足FPGA对资源和时序的要求。由于实际使用该组系数时在FPGA中实线，因此需进行相应的系数量化，量化后的位宽是16位，虚线是量化后的幅频特性曲线，由于量化精度较高，虚线与实线基本重合。

对经过FIR滤波器滤波后的数据流进行幅度调整，获取调制信号的合适频偏，该发射机的频偏为0.35倍的PCM码速率，然后将得到的信号送入DDS频率控制字就完成了FM调制。

发射机电路是否正常可以通过检测发射信号是否异常进行判断。发射信号质量最直接的检测方式是对发射信号进行解调，根据解调结果判断发射信号的是否异常。如前所述，本实施例设计的发射机故障检测方法采用检测发射机末级功放发射信号解调情况。遥测发射机作为遥测系统中通用的部件，在不同的任务使用时仅通过设置调制方式、频率与传输数据速率即可。因此，发射机内部故障检测处理软件在设计时不应与传输信号的内容相关。本实施例设计的检测位方法是检测位同步器锁定指示来判断信号是否正常，这样检测电路与发射信号的内容无关，增加了发射机的通用性。

本发明故障自检测过程包括PCM/FM载波解调以及位同步器锁定检测两个部分组成。图8为一路PCM/FM故障自检测的原理框图。可以正常接收解调，载波解调方案选择基于Costas环的正交相干解调法。检测位同步是否锁定本课题采用锁相环型位同步算法DTTL环(Data Transition Tracking Loop数据转换跟踪环)，当主发射通道出现故障时，会影响调制信号或载波频率准确度，从而导致超出Costas环的调整范围，使其不能追踪调制信号载波频率，解调效果不佳，解调后的信号码速率不能稳定，从而让DTTL环失锁。通过检测DTTL环是否失锁可实现对发射通道故障的检测。

利用本发明遥测发射机性能可以达到以下指标：

发射频率：2.2-2.3GHz可调(步进0.5MHz)；

发射功率：7W可调；

杂波抑制度：±2Rs处优于40dBc；

频率准确度carrfset：优于±1×10-5；

调制误差FSKerr：FSKerr<＝10％

调制方式：PCM/FM；

信息速率：PCM/FM数据速率可调；

调制系数：0.7R；

射频输出阻抗：50Ω；

发射机的自主飞可靠性0.998，挂飞可靠性(MTBF)不小于2500h，置信度0.8。

本发明技术方案采用大规模集成电路，减少发射机中芯片的数量，利用零中频正交上变频方案，减少了电路中串联部件；增加备份通道与故障检测通道，对输出信号进行解调分析、检测故障，发射机内部逻辑电路能够控制通道切换。使用两片国产B9361射频变频芯片，可以实现两路上变频作为发射机主备份通道与两路下变频作为故障检测通道。并可以在不改变发射机外部接口与使用方式的情况下消除发射机大多数单点工作部件，通过实验证明了基于本方案的遥测发射机能够兼容当前发射机，有效提高可靠性。

Claims (3)

1.一种冗余备份遥测发射机，其特征在于，包括数字基带处理电路、主通道上变频电路、主功率放大器、第一耦合器、功分器、第一下变频电路、第二下变频电路、备用通道上变频电路和备用功率放大器；

其中，数字基带处理电路分别与主通道上变频电路、主功率放大器、第一下变频电路、第二下变频电路、备用通道上变频电路、备用功率放大器相连；主通道上变频电路与主功率放大器相连，主功率放大器与第一耦合器相连；功分器分别与第一耦合器、第一下变频电路、第二下变频电路相连；备用通道上变频电路与备用功率放大器相连；第一耦合器与备用功率放大器均接输出端；

主功率放大器工作正常时，备用功率放大器关闭；主功率放大器工作异常时，备用功率放大器打开，且主功率放大器关闭；

主功率放大器工作异常的判据为第一下变频电路和第二下变频电路均发生故障。

2.根据权利要求1所述冗余备份遥测发射机，其特征在于，主功率放大器和备用功率放大器均与时序控制电路连接。

3.根据权利要求1所述冗余备份遥测发射机，其特征在于，射频信号经过备用功率放大器到达输出端，再依次经过切换开关、隔离器、滤波器、第二耦合器后进行输出。