一种基于嵌入式技术的数字中频测控平台的制作方法
【专利摘要】一种基于嵌入式技术的数字中频测控平台，包括FPGA、模数转换模块、数模转换模块、ARM嵌入式处理器、嵌入式web?server模块、匹配隔离模块、存储单元、测温电路等模块。其中FPGA是数字中频测控平台的核心器件，完成了数字中频信号的发射和接收，包括：与ARM接口模块、参数配置管理模块、发送和接收FIFO、帧生成及统计模块、帧接收及统计模块、码型变换模块、副载波调制/解调模块、载波调制/解调模块、数字上和下变频模块、幅度控制模块、波形存储模块和时标管理模块。本发明所所提供的基于嵌入式技术的数字中频测控平台设计方法实现了卫星测控中频信号的数字化处理，系统结构精简、体积小、便携性好，适于测试人员随身携带，可作为卫星测试的综合基带设备。
【专利说明】一种基于嵌入式技术的数字中频测控平台
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于嵌入式技术的数字中频测控平台，属于卫星测试【技术领域】。【背景技术】
[0002]数字中频测控平台是用于卫星测试的综合基带设备，实现了 UCB (UnifiedC-band)和USB (Unified S-band)测控体制下,地面测试设备与卫星在视频或中频方式下的互连，是卫星测试中必不可少的上下行通道。
[0003]随着航天技术发展，通信卫星的地面测控测试系统要求可靠性高、功能多、系统高度集成化和小型化，而目前应用于卫星测试的基带设备存在功能冗余、连接关系复杂、信号中继环节多、部分参数设置繁琐复杂，操作不便，并且成本高昂。并且目前常用的地面测试综合基带设备以工控机为运行平台，信号的调制解调功能由连接在工控机PCI总线上的信号处理板完成。这种工控机结构的基带设备存在两个问题:首先，设备自身体积大，质量重不但导致工作效率低下，而且容易发生事故，运输成本也非常高昂；更重要的是，工控机在经过运输后，其故障率也较高，影响测试任务的正常开展。因此亟需一种系统结构精简、体积小、便携性好，并且软硬件系统运行可靠的数字中频测控平台设计方法，以应对目前测试中的星地互联要求。
【发明内容】
[0004]本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供了一种系统结构精简、体积小、便携性好的基于嵌入式结构的数字中频测控平台，实现了卫星测控信号的数字化处理，大幅度减少了测控基带设备的重量和体积。
[0005]本发明的技术解决方案是:基于嵌入式技术的数字中频测控平台，包括:FPGA、ARM嵌入式处理器、嵌入式web server模块、匹配隔离模块、存储单元、测温电路等模块。其中FPGA是数字中频测控平台的核心器件，完成了数字中频信号的发射和接收，包括:与ARM接口模块、参数配置管理模块、发送和接收FIFO、帧生成及统计模块、帧接收及统计模块、码型变换模块、副载波调制/解调模块、载波调制/解调模块、数字上和下变频模块、幅度控制模块、波形存储模块和时标管理模块；
[0006]与ARM接口模块:完成FPGA与ARM嵌入式处理器之间的通信，是FPGA与ARM嵌入式处理器通信的桥梁；接收ARM嵌入式处理器传来的配置参数，输出给参数配置管理模块，使FPGA工作在用户配置的参数下；将ARM嵌入式处理器下传的待发射数据写入发送FIFO，从接收FIFO中读取解调出的数据，供ARM嵌入式处理器读取；将FPGA的参数配置情况、工作状态、系统温度信息上传给ARM嵌入式处理器，为用户的实时监控和故障分析提供依据；
[0007]参数配置管理模块:接收与ARM接口模块传送来的配置参数，给其他数字信号处理模块提供配置参数，使FPGA工作在用户配置的参数下，将FPGA的参数配置、工作状态、设备温度传送给与ARM接口模块，供ARM嵌入式处理器读取；
[0008]发送和接收FIFO:每一个发送通路均包含一个独立的发送FIFO，用来存储ARM嵌入式处理器下传的待发送数据；每一个接收通路均包含一个独立的接收FIFO，用来存储已经解调出的数据，供ARM嵌入式处理器读取；
[0009]帧生成及帧发送统计模块:包括遥控帧生成子模块、遥测帧生成子模块和发送统计子模块；其中遥控帧生成子模块、遥测帧生成子模块按照用户配置的参数，从发送FIFO中读取待发送数据，生成发送帧，输出给码型变换模块；帧发送统计子模块根据遥控帧生成子模块、遥测帧生成子模块发送数据的情况，统计已发送帧的内容，以及发送的指令号信息；并从时标管理模块中获取设备当前的硬件时间，统计数据发送的时刻，为用户的实时监控和故障分析提供依据；
[0010]码型变换模块:接收遥控帧生成子模块、遥测帧生成子模块输出的基带发送码流，并按照用户配置的参数进行基带码型变换，码型变换模块实现目前卫星测控体制所规定所有码型变换，码型变换模块根据用户的配置将变换后的PCM码流输出给下一级的副载波调制模块进行副载波调制处理，也可以将PCM码流直接输出到外部，同时PCM码流还输出给接收通道形成内部自环；
[0011]副载波调制模块:接收码型变换模块输出的PCM码流，按照卫星测控体制所规定的参数进行BSPK的调制，生成副载波调制信号；副载波调制模块可以根据用户的配置将生成的副载波调制信号输出给下一级的载波调制模块进行载波调制处理，也可以将BPSK副载波调制信号直接输出到外部，同时副载波调制信号还输出给接收通道形成内部自环；
[0012]载波调制模块:接收副载波调制模块输出的BPSK副载波调制信号，按照卫星测控体制所规定的参数进行FM/PM调制，生成载波调制信号；载波调制模块将生成的载波调制信号输出给下一级的数字上变频模块进行中频处理；
[0013]数字上变频模块:接收载波调制模块输出的FM/PM载波调制信号，按照卫星测控体制所规定的参数进行数字上变频处理，形成载波频率为70MHz的数字中频信号；数字上变频模块生成的数字中频信号经幅度控制后输出给数模转换模块D/A，形成模拟中频信号输出，同时数字中频信号还输出给接收通道形成内部自环；
[0014]数字下变频模块:模数转换模块A/D采集到的数字中频信号，或内部自环的数字中频信号经自动增益控制模块处理后，输出至数字下变频模块；数字下变频模块按照卫星测控体制所规定的参数进行数字下变频处理，形成载波调制信号，输出给下一级的载波解制丰旲块;
[0015]载波解调模块:接收数字下变频模块输出的载波调制信号，按照卫星测控体制所规定的参数进行FM/PM载波解调，生成BPSK副载波调制信号输出给下一级的副载波解制模块；
[0016]副载波解调模块:接收数字载波解调模块输出的BPSK副载波调制信号或内部自环的BPSK副载波调制信号，按照卫星测控体制所规定的参数进行BPSK副载波解调，生成PCM基带码流输出给码型变换模块；
[0017]帧接收及统计模块:包括遥控帧接收子模块、遥测帧接收子模块和接收统计子模块；其中遥控帧接收子模块和遥测帧接收子模块按照用户配置的帧同步策略，对接收到的基带码流进行帧接收，形成相应的遥控帧或遥测帧，存入接收FIFO，供ARM嵌入式处理器读取；接收统计子模块根据遥控帧接收子模块和遥测帧接收子模块的接收结果对接收到的内容、接收时刻、接收的指令号、是否存在错帧、漏帧等信息进行统计，为用户的实时监控和故障分析提供依据；
[0018]波形存储模块:包括已发送波形FIFO、接收波形FIFO、写存储单元三个模块；在信号发送过程中，码型变换模块输出的PCM码流、副载波调制模块输出的BPSK副载波调制信号、数字上变频模块输出的数字中频信号，在加入本地时标信息后，分别存储到已发送波形FIFO的不同地址区间中；在信号接收过程中，A/D采集到的数字中频信号、载波解调模块输出的BPSK副载波调制信号、副载波解调模块输出的PCM码流，在加入本地时标信息后，分别存储到接收波形FIFO的不同地址区间中；写存储单元模块负责将已发送波形FIFO、接收波形FIFO存储的波形写入到存储单元中，用户可以从存储单元中回放任意时间段的波形，用作监测或故障分析；
[0019]时标管理模块:FPGA的本地时间管理模块，产生FPGA本地时标信息，用于给存储的波形加入时标，以实现波形的回放；时标管理模块支持上位机的授时，同时支持上位机读取FPGA本地时间；时标包括小时、分钟、秒、毫秒、微秒,精度为一个微秒；
[0020]ARM嵌入式处理器:接收嵌入式web server模块配置的参数，并将配置参数送至FPGA的参数配置管理模块；提供液晶显示触摸屏，显示设备当前状态，接收来自触摸屏的配置参数；实现网络通信协议，通过LAN 口与上位机进行通信，将上位机待发送数据写入FPGA中，将FPGA解调的数据发送给上位机；
[0021]嵌入式web server模块:实现嵌入式web服务器，支持用户通过网页访问；嵌入式网页显示设备当前状态，并接收用户配置的参数；
[0022]匹配隔离模块:实现星地之间输入输出接口的匹配隔离，每一路接口均设计有电磁隔离器件，且有独立的电源模块为隔离的后端供电，即与卫星相连的接口地与设备内部数字地隔离，不同路接口地之间隔离；
[0023]存储单元:用于存储FPGA发射、接收的波形及FPGA加入的时标信息；用户可以从存储单元中回放任意时间段的波形，用作监测或故障分析；
[0024]测温电路:ARM嵌入式处理器连接有8个温度传感器，固定在机箱内部的主要散热点，如电源模块处、FPGA处、ARM芯片处、机箱内部隔板处，测温传感器使用温敏电阻，通过其阻值与温度的关系，由ARM嵌入式处理器计算当前测温点的温度，实现对系统温度的测量。
[0025]所述的配置参数下传过程为:用户通过嵌入式web server模块提供的嵌入式网页，通过网口连接的上位机软件将配置参数写入ARM嵌入式处理器，ARM嵌入式处理器首先根据接口协议解析用户发送来的配置参数，然后将配置参数通过总线接口发送至FPGA中的参数配置管理模块，同时将配置参数存入到FLASH中。FPGA中的参数配置管理模块将ARM嵌入式处理器发送来的配置参数传输给FPGA中其他数字信号处理模块，使FPGA各模块在用户规定的参数下工作。系统每次开机时，ARM嵌入式处理器从FLASH中读取上一次的配置参数，并下传给FPGA中的参数配置管理模块，从而使整个系统保持上一次开机的参数配置状态，实现了数字中频测控平台的断电后状态恢复功能。
[0026]所述的数字中频信号的发送步骤为:
[0027](I) ARM将待发送数据存储于FPGA中的发送FIFO中，遥控帧生成、遥测帧生成子模块按照用户配置的参数，从发送FIFO中读取待发送数据，生成发送帧输出给码型变换模块，经过码型变换后生成PCM发送码流；[0028](2)副载波调制模块将所述的PCM码流按照卫星测控体制所规定的参数进行BSPK的调制，生成副载波调制信号；
[0029](3)载波调制模块将所述的副载波调制信号按照卫星测控体制所规定的参数进行FM/PM调制，生成载波调制信号；
[0030](4)数字上变频模块将所述的载波调制信号进行上变频处理，形成数字中频信号，经过幅度控制后输出给数模转换模块，转换成模拟中频信号，经过匹配隔离模块后输出。
[0031]所述的数字中频信号的接收过程为:
[0032](I)模数转换模块以恒定的采样率将匹配隔离后的模拟中频信号转换成数字中频信号，输出给FPGA ;
[0033](2)数字下变频模块将所述的数字中频信号进行数字下变频处理，形成载波调制信号;
[0034](3)载波解调模块将所述的载波调制信号按照卫星测控体制所规定的参数进行FM/PM解调，生成副载波调制信号；
[0035](4)副载波解调模块将所述的副载波调制信号按照卫星测控体制所规定的参数进行BPSK副载波解调，生成PCM基带码流输出给码型变换模块；
[0036](5)码型变换模块将所述的PCM基带码进行基带码型变换，输出给遥控帧接收、遥测帧接收、接收统计三个子模块，形成相应的遥控帧或遥测帧，存入接收FIFO，供ARM读取。
[0037]本发明与现有技术相比的优点在于:
[0038](I)本发明基于软件无线电思想，将嵌入式技术应用于数字中频测控平台的设计中，将综合基带设备从工控机结构简化为单电路板结构，设备在重量和体积上都有大幅度的削减，适于测试人员随身携带，尤其适合运输及执行外场试验。系统结构精简、体积小、便携性好，可作为东方红三号平台、东方红四号平台、东方红三号增强型平台通信卫星测试的综合基带设备，对于卫星测试具有实际意义。
[0039](2)本发明采用的ARM嵌入式处理器和FPGA采用总线形式进行通信，ARM嵌入式处理器只传输配置参数和收、发数据，显著减轻了通信负荷，可避免操作系统缘故无法实现实时操作的缺点，真正意义上实现了实时通信。
[0040](3)本发明采用的嵌入式web server模块实现嵌入式web服务器,支持用户通过网页访问设备，既支持用户配置的参数，也可以实时显示设备当前状态。方便高效的控制和显示功能充分考虑了用户使用需求，使用户得到全新，人性化，智能化的操作体验和状态监测。
[0041](4)本发明提供的系统内部测温功能解决了测控基带设备的内部温度黑盒问题，使用户可以实时监测内部当前温度，一旦发现温度变化出现异常，则可立即停止测控基带设备的使用，进行相应的故障排查，提高了设备的故障识别率，极好的解决了由于温度不稳定导致星地测试性能下降所引入的测试不确定度的盲区，提高了星地测试的安全性。
【专利附图】
【附图说明】
[0042]图1为本发明的组成框图；
[0043]图2为本发明FPGA的组成框图。【具体实施方式】
[0044]如图1、2所示，本发明一种基于嵌入式技术的数字中频测控平台包括:FPGA、ARM嵌入式处理器、嵌入式web server模块、匹配隔离模块、存储单元、测温电路等模块。其中FPGA是数字中频测控平台的核心器件，完成了数字中频信号的发射和接收，包括:与ARM接口模块、参数配置管理模块、发送和接收FIFO、帧生成及统计模块、帧接收及统计模块、码型变换模块、副载波调制/解调模块、载波调制/解调模块、数字上和下变频模块、幅度控制模块、波形存储模块和时标管理模块；
[0045]与ARM接口模块:完成FPGA与ARM嵌入式处理器之间的通信，是FPGA与ARM嵌入式处理器通信的桥梁；接收ARM嵌入式处理器传来的配置参数，输出给参数配置管理模块，使FPGA工作在用户配置的参数下；将ARM嵌入式处理器下传的待发射数据写入发送FIFO，从接收FIFO中读取解调出的数据，供ARM嵌入式处理器读取；将FPGA的参数配置情况、工作状态、系统温度信息上传给ARM嵌入式处理器，为用户的实时监控和故障分析提供依据；
[0046]参数配置管理模块:接收与ARM接口模块传送来的配置参数，给其他数字信号处理模块提供配置参数，使FPGA工作在用户配置的参数下，将FPGA的参数配置、工作状态、设备温度传送给与ARM接口模块，供ARM嵌入式处理器读取；
[0047]发送和接收FIFO:每一个发送通路均包含一个独立的发送FIFO，用来存储ARM嵌入式处理器下传的待发送数据；每一个接收通路均包含一个独立的接收FIF0，用来存储已经解调出的数据，供ARM嵌入式处理器读取；
[0048]帧生成及帧发送统计模块:包括遥控帧生成子模块、遥测帧生成子模块和发送统计子模块；其中遥控帧生成子模块、遥测帧生成子模块按照用户配置的参数，从发送FIFO中读取待发送数据，生成发送帧，输出给码型变换模块；帧发送统计子模块根据遥控帧生成子模块、遥测帧生成子模块发送数据的情况，统计已发送帧的内容，以及发送的指令号信息；并从时标管理模块中获取设备当前的硬件时间，统计数据发送的时刻，为用户的实时监控和故障分析提供依据；
[0049]码型变换模块:接收遥控帧生成子模块、遥测帧生成子模块输出的基带发送码流，并按照用户配置的参数进行基带码型变换，码型变换模块实现目前卫星测控体制所规定所有码型变换，码型变换模块根据用户的配置将变换后的PCM码流输出给下一级的副载波调制模块进行副载波调制处理，也可以将PCM码流直接输出到外部，同时PCM码流还输出给接收通道形成内部自环；
[0050]副载波调制模块:接收码型变换模块输出的PCM码流，按照卫星测控体制所规定的参数进行BSPK的调制，生成副载波调制信号；副载波调制模块可以根据用户的配置将生成的副载波调制信号输出给下一级的载波调制模块进行载波调制处理，也可以将BPSK副载波调制信号直接输出到外部，同时副载波调制信号还输出给接收通道形成内部自环；
[0051]载波调制模块:接收副载波调制模块输出的BPSK副载波调制信号，按照卫星测控体制所规定的参数进行FM/PM调制，生成载波调制信号；载波调制模块将生成的载波调制信号输出给下一级的数字上变频模块进行中频处理；
[0052]数字上变频模块:接收载波调制模块输出的FM/PM载波调制信号，按照卫星测控体制所规定的参数进行数字上变频处理，形成载波频率为70MHz的数字中频信号；数字上变频模块生成的数字中频信号经幅度控制后输出给数模转换模块D/A，形成模拟中频信号输出，同时数字中频信号还输出给接收通道形成内部自环；
[0053]数字下变频模块:模数转换模块A/D采集到的数字中频信号，或内部自环的数字中频信号经自动增益控制模块处理后，输出至数字下变频模块；数字下变频模块按照卫星测控体制所规定的参数进行数字下变频处理，形成载波调制信号，输出给下一级的载波解制丰旲块;
[0054]载波解调模块:接收数字下变频模块输出的载波调制信号，按照卫星测控体制所规定的参数进行FM/PM载波解调，生成BPSK副载波调制信号输出给下一级的副载波解制模块；
[0055]副载波解调模块:接收数字载波解调模块输出的BPSK副载波调制信号或内部自环的BPSK副载波调制信号，按照卫星测控体制所规定的参数进行BPSK副载波解调，生成PCM基带码流输出给码型变换模块；
[0056]帧接收及统计模块:包括遥控帧接收子模块、遥测帧接收子模块和接收统计子模块；其中遥控帧接收子模块和遥测帧接收子模块按照用户配置的帧同步策略，对接收到的基带码流进行帧接收，形成相应的遥控帧或遥测帧，存入接收FIFO，供ARM嵌入式处理器读取；接收统计子模块根据遥控帧接收子模块和遥测帧接收子模块的接收结果对接收到的内容、接收时刻、接收的指令号、是否存在错帧、漏帧等信息进行统计，为用户的实时监控和故障分析提供依据；
[0057]波形存储模块:包括已发送波形FIFO、接收波形FIFO、写存储单元三个模块；在信号发送过程中，码型变换模块输出的PCM码流、副载波调制模块输出的BPSK副载波调制信号、数字上变频模块输出的数字中频信号，在加入本地时标信息后，分别存储到已发送波形FIFO的不同地址区间中；在信号接收过程中，A/D采集到的数字中频信号、载波解调模块输出的BPSK副载波调制信号、副载波解调模块输出的PCM码流，在加入本地时标信息后，分别存储到接收波形FIFO的不同地址区间中；写存储单元模块负责将已发送波形FIFO、接收波形FIFO存储的波形写入到存储单元中，用户可以从存储单元中回放任意时间段的波形，用作监测或故障分析；
[0058]时标管理模块:FPGA的本地时间管理模块，产生FPGA本地时标信息，用于给存储的波形加入时标，以实现波形的回放；时标管理模块支持上位机的授时，同时支持上位机读取FPGA本地时间；时标包括小时、分钟、秒、毫秒、微秒,精度为一个微秒；
[0059]ARM嵌入式处理器:接收外部传来的配置参数，将配置参数送至FPGA的参数配置管理模块；提供液晶显示触摸屏，显示设备当前状态，接收来自触摸屏的配置参数；实现网络通信协议，通过LAN 口与上位机进行通信，将上位机待发送数据写入FPGA中，将FPGA解调的数据发送给上位机；
[0060]嵌入式web server模块:实现嵌入式web服务器，支持用户通过网页访问。嵌入式网页可以显示设备当前状态，并接收用户配置的参数；
[0061]匹配隔离模块:实现星地之间输入输出接口的匹配隔离，每一路接口均设计有电磁隔离器件，且有独立的电源模块为隔离的后端供电，即与卫星相连的接口地与设备内部数字地隔离，不同路接口地之间隔离；
[0062]存储单元:用于存储FPGA发射、接收的波形及FPGA加入的时标信息；用户可以从存储单元中回放任意时间段的波形，用作监测或故障分析；[0063]测温电路:ARM嵌入式处理器连接有8个温度传感器，固定在机箱内部的主要散热点，如电源模块处、FPGA处、ARM芯片处、机箱内部隔板等处，测温传感器使用温敏电阻，通过其阻值与温度的关系，由ARM计算当前测温点的温度，实现对系统温度的测量。
[0064]FPGA的配置参数下传过程为:
[0065]用户通过嵌入式web server模块提供的嵌入式网页,通过网口连接的上位机软件将配置参数写入ARM嵌入式处理器，ARM首先根据接口协议解析用户发送来的配置参数，然后将配置参数通过总线接口发送至FPGA中的参数配置管理模块，同时将配置参数存入到FLASH中。FPGA中的参数配置管理模块将ARM发送来的配置参数传输给FPGA中其他数字信号处理模块，使FPGA各模块在用户规定的参数下工作。
[0066]系统每次开机时，ARM嵌入式处理器从FLASH中读取上一次的配置参数，并下传给FPGA中的参数配置管理模块，从而使整个系统保持上一次开机的参数配置状态，实现了数字中频测控平台的断电后状态恢复功能。
[0067]所述的数字中频信号的发送过程为:
[0068]ARM将待发送数据存储于FPGA中的发送FIFO中，遥控帧生成、遥测帧生成子模块按照用户配置的参数，从发送FIFO中读取待发送数据，生成发送帧输出给码型变换模块，经过码型变换后生成PCM发送码流；
[0069]副载波调制模块将所述的PCM码流按照卫星测控体制所规定的参数进行BSPK的调制，生成副载波调制信号；
[0070]载波调制模块将所述的副载波调制信号按照卫星测控体制所规定的参数进行FM/PM调制，生成载波调制信号；
[0071]数字上变频模块将所述的载波调制信号进行上变频处理，形成数字中频信号，经过幅度控制后输出给数模转换模块，转换成模拟中频信号，经过匹配隔离模块后输出。
[0072]所述的数字中频信号的接收过程为:
[0073]模数转换模块以恒定的采样率将匹配隔离后的模拟中频信号转换成数字中频信号，输出给FPGA ;
[0074]数字下变频模块将所述的数字中频信号进行数字下变频处理，形成载波调制信号;
[0075]载波解调模块将所述的载波调制信号按照卫星测控体制所规定的参数进行FM/PM解调，生成副载波调制信号；
[0076]副载波解调模块将所述的副载波调制信号按照卫星测控体制所规定的参数进行BPSK副载波解调，生成PCM基带码流输出给码型变换模块；
[0077]码型变换模块将所述的PCM基带码进行基带码型变换，输出给遥控帧接收、遥测帧接收、接收统计三个子模块，形成相应的遥控帧或遥测帧，存入接收FIFO，供ARM读取。
[0078]总之，本发明基于软件无线电思想，将嵌入式技术应用于数字中频测控平台的设计中，采用ARM+FPGA的硬件结构，在重量和体积上都有大幅度的减少，尤其适合运输及执行外场试验，具有实用价值和良好的应用前景。
【权利要求】
1.一种基于嵌入式技术的数字中频测控平台，其特征在于包括:FPGA (1)、ARM嵌入式处理器(2)、嵌入式web server模块(3)、匹配隔离模块(4)、存储单元(5)、测温电路模块(6)； 其中FPGA (I)是数字中频测控平台的核心器件，完成了数字中频信号的发射和接收，包括:与ARM接口模块(10)、参数配置管理模块(11)、发送和接收FIFO(12),帧生成及帧发送统计模块(13)、帧接收及帧接收统计模块(14)、码型变换模块(15)、副载波调制/解调模块(16)、载波调制/解调模块(17)、数字上和下变频模块(18)、幅度控制模块(19)、波形存储模块(20)(包括已发送波形FIFO (201)、接收波形FIFO (202)、写存储单元(203)三个子模块)和时标管理模块(21)； 与ARM接口模块:完成FPGA与ARM嵌入式处理器之间的通信，是FPGA与ARM嵌入式处理器通信的桥梁；接收ARM嵌入式处理器传来的配置参数，输出给参数配置管理模块，使FPGA工作在用户配置的参数下；将ARM嵌入式处理器下传的待发射数据写入发送FIFO，从接收FIFO中读取解调出的数据，供ARM嵌入式处理器读取；将FPGA的参数配置情况、工作状态、系统温度信息上传给ARM嵌入式处理器，为用户的实时监控和故障分析提供依据；参数配置管理模块:接收与ARM接口模块传送来的配置参数，给其他数字信号处理模块提供配置参数，使FPGA工作在用户配置的参数下，将FPGA的参数配置、工作状态、设备温度传送给与ARM接口模块，供ARM嵌入式处理器读取； 发送和接收FIFO:每一个发送通路均包含一个独立的发送FIFO，用来存储ARM嵌入式处理器下传的待发送数据；每一个接收通路均包含一个独立的接收FIFO，用来存储已经解调出的数据，供ARM嵌入式处理器读取； 帧生成及帧发送统计模块:包括遥控帧生成子模块、遥测帧生成子模块和发送统计子模块；其中遥控帧生成子模块、遥测帧生成子模块按照用户配置的参数，从发送FIFO中读取待发送数据，生成发送帧，输`出给码型变换模块；帧发送统计子模块根据遥控帧生成子模块、遥测帧生成子模块发送数据的情况，统计已发送帧的内容，以及发送的指令号信息；并从时标管理模块中获取设备当前的硬件时间，统计数据发送的时刻，为用户的实时监控和故障分析提供依据； 码型变换模块:接收遥控帧生成子模块、遥测帧生成子模块输出的基带发送码流，并按照用户配置的参数进行基带码型变换，码型变换模块实现目前卫星测控体制所规定所有码型变换，码型变换模块根据用户的配置将变换后的PCM码流输出给下一级的副载波调制模块进行副载波调制处理，也可以将PCM码流直接输出到外部，同时PCM码流还输出给接收通道形成内部自环； 副载波调制模块:接收码型变换模块输出的PCM码流，按照卫星测控体制所规定的参数进行BSPK的调制，生成副载波调制信号；副载波调制模块可以根据用户的配置将生成的副载波调制信号输出给下一级的载波调制模块进行载波调制处理，也可以将BPSK副载波调制信号直接输出到外部，同时副载波调制信号还输出给接收通道形成内部自环； 载波调制模块:接收副载波调制模块输出的BPSK副载波调制信号，按照卫星测控体制所规定的参数进行FM/PM调制，生成载波调制信号；载波调制模块将生成的载波调制信号输出给下一级的数字上变频模块进行中频处理； 数字上变频模块:接收载波调制模块输出的FM/PM载波调制信号，按照卫星测控体制所规定的参数进行数字上变频处理，形成载波频率为70MHz的数字中频信号；数字上变频模块生成的数字中频信号经幅度控制后输出给数模转换模块D/A，形成模拟中频信号输出，同时数字中频信号还输出给接收通道形成内部自环； 数字下变频模块:模数转换模块A/D采集到的数字中频信号，或内部自环的数字中频信号经自动增益控制模块处理后，输出至数字下变频模块；数字下变频模块按照卫星测控体制所规定的参数进行数字下变频处理，形成载波调制信号，输出给下一级的载波解制模块；载波解调模块:接收数字下变频模块输出的载波调制信号，按照卫星测控体制所规定的参数进行FM/PM载波解调，生成BPSK副载波调制信号输出给下一级的副载波解制模块；副载波解调模块:接收数字载波解调模块输出的BPSK副载波调制信号或内部自环的BPSK副载波调制信号，按照卫星测控体制所规定的参数进行BPSK副载波解调，生成PCM基带码流输出给码型变换模块； 帧接收及统计模块:包括遥控帧接收子模块、遥测帧接收子模块和接收统计子模块；其中遥控帧接收子模块和遥测帧接收子模块按照用户配置的帧同步策略，对接收到的基带码流进行帧接收，形成相应的遥控帧或遥测帧，存入接收FIFO，供ARM嵌入式处理器读取；接收统计子模块根据遥控帧接收子模块和遥测帧接收子模块的接收结果对接收到的内容、接收时刻、接收的指令号、是否存在错帧、漏帧等信息进行统计，为用户的实时监控和故障分析提供依据； 波形存储模块:包括已发送波形FIFO、接收波形FIFO、写存储单元三个模块；在信号发送过程中，码型变换模块输出的PCM码流、副载波调制模块输出的BPSK副载波调制信号、数字上变频模块输出的数字中频信号，在加入本地时标信息后，分别存储到已发送波形FIFO的不同地址区间中； 在信号接收过程中，A/D采集到的数字中频信号、载波解调模块输出的BPSK副载波调制信号、副载波解调模块输出的PCM码流，在加入本地时标信息后，分别存储到接收波形FIFO的不同地址区间中；写存储单元模块负责将已发送波形FIFO、接收波形FIFO存储的波形写入到存储单元中，用户可以从存储单元中回放任意时间段的波形，用作监测或故障分析； 时标管理模块=FPGA的本地时间管理模块，产生FPGA本地时标信息，用于给存储的波形加入时标，以实现波形的回放；时标管理模块支持上位机的授时，同时支持上位机读取FPGA本地时间；时标包括小时、分钟、秒、毫秒、微秒，精度为一个微秒； ARM嵌入式处理器:接收嵌入式web server模块配置的参数，并将配置参数送至FPGA的参数配置管理模块；提供液晶显示触摸屏，显示设备当前状态，接收来自触摸屏的配置参数；实现网络通信协议，通过LAN 口与上位机进行通信，将上位机待发送数据写入FPGA中，将FPGA解调的数据发送给上位机； 嵌入式web server模块:实现嵌入式web服务器，支持用户通过网页访问；嵌入式网页显示设备当前状态，并接收用户配置的参数； 匹配隔离模块:实现星地之间输入输出接口的匹配隔离，每一路接口均设计有电磁隔离器件，且有独立的电源模块为隔离的后端供电，即与卫星相连的接口地与设备内部数字地隔离，不同路接口地之间隔离； 存储单元:用于存储FPGA发射、接收的波形及FPGA加入的时标信息；用户可以从存储单元中回放任意时间段的波形，用作监测或故障分析； 测温电路:ARM嵌入式处理器连接有8个温度传感器，固定在机箱内部的主要散热点，如电源模块处、FPGA处、ARM芯片处、机箱内部隔板处，测温传感器使用温敏电阻，通过其阻值与温度的关系，由ARM嵌入式处理器计算当前测温点的温度，实现对系统温度的测量。
2.根据权利要求1所述的基于嵌入式技术的数字中频测控平台，其特征在于:所述FPGA中的参数配置管理模块进行配置参数下传过程为: 用户通过嵌入式web server模块提供的嵌入式网页，通过网口连接的上位机软件将配置参数写入ARM嵌入式处理器，ARM嵌入式处理器首先根据接口协议解析用户发送来的配置参数，然后将配置参数通过总线接口发送至FPGA中的参数配置管理模块，同时将配置参数存入到FLASH中；FPGA中的参数配置管理模块将ARM嵌入式处理器发送来的配置参数传输给FPGA中其他数字信号处理模块，使FPGA各模块在用户规定的参数下工作； 系统每次开机时，ARM嵌入式处理器从FLASH中读取上一次的配置参数，并下传给FPGA中的参数配置管理模块，从而使整个系统保持上一次开机的参数配置状态，实现了数字中频测控平台的断电后状态恢复功能。
3.根据权利要求1所述的一种基于嵌入式技术的数字中频测控平台，其特征在于:所述的数字中频信号的发送过程为: ARM将待发送数据存储于FPGA中的发送FIFO中，遥控帧生成、遥测帧生成子模块按照用户配置的参数，从发送FIFO中读取待发送数据，生成发送帧输出给码型变换模块，经过码型变换后生成PCM发送码流； 副载波调制模块将所述的PCM码流按照卫星测控体制所规定的参数进行BSPK的调制，生成副载波调制信号； 载波调制模块将所述的副载波调制信号按照卫星测控体制所规定的参数进行FM/PM调制，生成载波调制信号； 数字上变频模块将所述的载波调制信号进行上变频处理，形成数字中频信号，经过幅度控制后输出给数模转换模块，转换成模拟中频信号，经过匹配隔离模块后输出。
4.根据权利要求1所述的一种基于嵌入式技术的数字中频测控平台，其特征在于:所述的数字中频信号的接收过程为: 模数转换模块以恒定的采样率将匹配隔离后的模拟中频信号转换成数字中频信号，输出给FPGA ； 数字下变频模块将所述的数字中频信号进行数字下变频处理，形成载波调制信号；载波解调模块将所述的载波调制信号按照卫星测控体制所规定的参数进行FM/PM解调，生成副载波调制信号； 副载波解调模块将所述的副载波调制信号按照卫星测控体制所规定的参数进行BPSK副载波解调，生成PCM基带码流输出给码型变换模块； 码型变换模块将所述的PCM基带码进行基带码型变换，输出给遥控帧接收、遥测帧接收、接收统计三个子模块，形成相应的遥控帧或遥测帧，存入接收FIFO，供ARM读取。
【文档编号】H04B7/185GK103684575SQ201310629296
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2013年11月29日
【发明者】吕德东, 刘万富, 张阁, 朱晓辉, 李忠华, 吴志强 申请人:中国空间技术研究院