一种遥感卫星高速载荷数据光纤传输接口的制作方法

本发明属于卫星数据传输技术领域，尤其涉及一种遥感卫星高速载荷数据光纤传输接口。

背景技术：

随着高分辨率遥感卫星载荷技术的发展，星载数据信息的种类和数量都在不断增加，海量载荷数据与后端数据处理设备之间的高速连接问题已成为遥感卫星设计的瓶颈。同时，随着星上探测器种类的增多及未来商业遥感卫星轻小型化等设计需求，要求星上载荷设备与数据处理设备之间的布局关系相对灵活，传输距离不受限、传输介质轻量化。

传统的lvds接口芯片推荐使用的每路最高速率为100mbit/s，单路最高速率较低，若需满足高速数据传输需求，只能单纯地依靠增加并行路数来提高接口速率。然而，并行路数的增加将导致设备内部附属电路、设备面板电连接器以及设备之间传输电缆数量的显著增加，设备的尺寸、重量及电缆的重量随之增加，不利于设备的研制和系统的集成。同时，lvds接口采用时钟同步信号，传输过程中时钟与数据分别发送，为降低传输时各信号的瞬时抖动则对收发设备及传输电缆的钟码对齐关系提出了严格要求，对设备布线、电缆长度等约束较多，不利于设备及电缆的设计和加工。

为了有效应对高速载荷数据传输问题，基于高速串行数据传输技术的载荷数据接口已经逐步使用于国内外高分辨率遥感卫星中。我国成功发射的高分二号卫星上首次采用了基于tlk2711的高速串行数据传输接口，实现了星上单路信号2.0gbit/s的高速串行数据传输。该接口传输媒质采用铜线电缆进行传输，可实现整星载荷原始数据率6～7gbit/s的下传需求。然而随着整星载荷数据率的进一步提升至几十gbit/s甚至上百gbit/s，传输距离进一步提高时，数据电缆之间的信号相互干扰越来越大，直接影响数据传输的可靠性；其次，由于卫星舱内空间体积小，发射质量限制，不能过多增加传输电缆的数量，因此数据传输容量降低；同时，配置大型遥感载荷的卫星设备布局难度大，有效载荷与后端数据处理设备之间的分布距离远，电缆走向长度增大，进而传输损耗增加，影响了数据的传输质量。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术不足，提供一种遥感卫星高速载荷数据光纤传输接口，满足具有轻小型化设计需求及长距离、低损耗、高速率传输需求的遥感卫星载荷数据传输系统设计要求，进一步提高载荷数据接口传输速率、降低接口传输损耗、简化设备连接。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种遥感卫星高速载荷数据光纤传输接口，包括：并串转换模块、光发送模块、光传输模块、光接收模块和串并转换模块；其中，所述并串转换模块与图像处理电路相连接，所述并串转换模块用于接收图像处理电路处理的多路并行图像数据，并将多路并行图像数据进行冗余校验、8b/10b编码及串行编码处理后得到发送端高速串行差分电信号，将发送端高速串行差分电信号发送给所述光发送模块；所述光发送模块将发送端高速串行差分电信号进行电-光转换得到发送端光信号，将发送端光信号发送给所述光传输模块；所述光传输模块接收发送端光信号并将其发送给所述光接收模块；所述光接收模块接收发送端光信号并将其进行光-电转换得到接收端高速串行差分电信号，将接收端高速串行差分电信号发送给所述串并转换模块；所述串并转换模块接收接收端高速串行差分电信号，将接收端高速串行差分电信号转换成接收端并行数据，再经过8b/10b解码，还原出多路并行图像数据、时钟和门控信号。

上述遥感卫星高速载荷数据光纤传输接口中，所述并串转换模块为serdes收发器。

上述遥感卫星高速载荷数据光纤传输接口中，所述光发送模块包括输入接口、编码电路和光发送电路；其中，所述输入接口接收发送端高速串行差分电信号并将其发送给所述编码电路；所述编码电路接收发送端高速串行差分电信号，并对发送端高速串行差分电信号进行冗余编码和加扰后发送给所述光发送电路；所述光发送电路对经过编码和加扰的发送端高速串行差分电信号进行光源调制得到发送端光信号。

上述遥感卫星高速载荷数据光纤传输接口中，所述光传输模块包括发射端光纤连接器、抗辐射光纤和接收端光纤连接器；其中，所述发射端光纤连接器的一端与所述光发送模块相连接，所述发射端光纤连接器的另一端与所述抗辐射光纤的一端相连接；所述抗辐射光纤的另一端与所述光接收模块相连接。

上述遥感卫星高速载荷数据光纤传输接口中，所述光接收模块包括光检测器、前置放大电路、主放大电路、均衡电路、时钟恢复电路、判决电路、码型反变换电路和输出接口；其中，所述光检测器将接收端光信号转换为电信号并将电信号传输给所述前置放大电路；所述前置放大电路将电信号进行放大得到第一放大电信号并将其发送给所述主放大电路；所述主放大电路将第一放大电信号再次放大后得到第二放大电信号，并将其发送给所述均衡电路；所述均衡电路将第二放大电信号进行补充和整形，输出均衡后的电信号发送给所述判决电路；所述时钟恢复电路从均衡后的电信号中恢复出时钟信号，并将时钟信号进行移相后发送至判决电路；所述判决电路对均衡后的电信号进行时钟采样，将采样后的信号幅度与判决阈值进行比较，恢复出“0”、“1”传输的数字信号，并将恢复出的数字信号发送给所述码型反变换电路；所述码型反变换电路将恢复出的数字信号进行同步、解扰和解码得到码型反变换后的信号，将码型反变换后的信号发送给所述输出接口；所述输出接口将码型反变换后的信号变换成接收端高速串行差分电信号，并将其发送给所述串并转换模块。

上述遥感卫星高速载荷数据光纤传输接口中，所述前置放大电路为低噪声和宽频带的前置放大器。

上述遥感卫星高速载荷数据光纤传输接口中，所述串并转换模块为serdes收发器。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明将高速串行serdes收发器与光纤传输相结合，给出基于rocketio收发模块的光纤传输接口组成方法，单路信号传输速率可从2.0gbit/s提升至10gbit/s，提高了遥感卫星载荷数据传输的速度和容量；

(2)本发明利用光纤传输媒介代替传统铜线传输媒介，设备自身信号及外部电磁辐射都不会在光纤中产生电流，并且光纤中的光波被很好地限制在纤芯内，传输过程无泄漏，具有极好的抗射频干扰和抗电磁干扰能力，提高了遥感卫星数据传输系统的可靠性和安全性；

(3)本发明由于传输速率高，同时由于光纤尺寸小、重量轻，从而可大量减少设备内部收发模块、外部连接器、传输媒介的配置数量，降低了载荷设备、数据接收设备及和传输线缆的重量和体积、简化卫星连接关系，同时节省了系统成本，有利于卫星小型化、轻量化、低成本设计；

(4)本发明利用光纤极低的传输损耗特性，相比传统电缆可支持的传输距离更长。为了降低遥感载荷发送设备和数据接收设备之间的传输损耗，采用电缆传输时一般要求收发设备之间距离在3m～5m之间，而采用光纤传输则无此限制(传输速率为10gbit/s的光纤接口，传输距离可达100km)。

附图说明

图1为本发明所适用的数据传输系统组成简图；

图2为本发明遥感卫星高速载荷数据光纤传输接口的组成原理框图；

图3为本发明中并串转换模块、串并转换模块中所使用的rocketio收发器原理框图；

图4为本发明中光发送模块的组成原理框图；

图5为本发明中光传输模块的组成原理框图；

图6为本发明中光接收模块的组成原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

遥感卫星配置多台有效载荷，所有类型载荷原始数据的总数据率约为100gbit/s，需将该速率的原始数据发送到后端接收设备进行数据处理。如图1所示，若采用传统lvds并行传输方式，由于lvds接口时钟频率的选择极限为110mhz～120mhz，假设采用120mhz时钟频率，则载荷发送设备与数据接收设备之间的传输信号路数n需为910路并行；若采用tlk2711串行传输方式，其极限传输速率为2.5gbit/s，假设采用极限参考时钟125mhz、并行输入信号16bit的传输方式，则可达到单路2.0gbit/s的有效传输速率，则n需50路串行信号；若采用rocketio传输方式，其极限传输速率为10.3125gbit/s，假设采用参考时钟125mhz(极限时钟频率156.3mhz)、并行输入信号64bit的传输方式，则可达到单路约8.0gbit/s的有效传输速率，则n仅需13路串行信号。考虑卫星小型化、轻量化、低成本的设计需求，选用高速rocketio设计方案。图1中标出的发送模块的数量为n个，接收模块的数量为n个。

图2为本发明遥感卫星高速载荷数据光纤传输接口的组成原理框图。如图2所示，该遥感卫星高速载荷数据光纤传输接口包括：并串转换模块1、光发送模块2、光传输模块3、光接收模块4和串并转换模块5。其中，

并串转换模块1与图像处理电路6相连接，所述并串转换模块1用于接收图像处理电路6处理的多路并行图像数据，并将多路并行图像数据进行冗余校验、8b/10b编码及串行编码处理后得到发送端高速串行差分电信号，将发送端高速串行差分电信号发送给所述光发送模块2。

光发送模块2将发送端高速串行差分电信号进行电-光转换得到发送端光信号，将发送端光信号发送给光传输模块3。

光传输模块3接收发送端光信号并将其发送给光接收模块4。

光接收模块4接收发送端光信号并将其进行光-电转换得到接收端高速串行差分电信号，将接收端高速串行差分电信号发送给串并转换模块5。

串并转换模块5接收接收端高速串行差分电信号，将接收端高速串行差分电信号转换成接收端并行数据，再经过8b/10b解码，还原出多路并行图像数据、时钟和门控信号。

具体的，该接口框图相当于图1中的1路收发模块。对于载荷传感器(如光学相机)采集的模拟信号完成a/d变化等处理后，输出多路并行数据。并串转换模块1利用其serdes器件将光学相机输出的多路数字化图像数据、外部输入的时钟、使能信号转换成一路串行信号，形成串行接口差分电信号输出至光发送模块2，光发送模块2将电信号转换为光信号后，通过光传输模块传送到接收端。在接收端，光接收模块4将接收到光信号转换成电信号，并利用串并转换模块5即serdes器件将串行接口差分电信号进行串转并处理，还原出图像数据、时钟、使能信号，同时发送至卫星后端处理设备。

如图3所示，为本实施例高速载荷数据光纤传输接口中并串转换模块、串并转换模块的一种实现方式。这两种模块均采用xilinx公司的virtex系列fpga中内嵌的rocketio模块。在发送端，进行并-串转换；在接收端，进行串-并转换。在发送端，对于并串转换模块1接收到的并行数据，按照一定算法进行循环冗余(crc)校验，并将crc校验码插入到并行数据中，之后经过8b/10b编码将数据写入发送端fifo，转换成串行差分数据发送至后端光发送模块2。在接收端，对于串并转换模块5接收到的串行差分电信号被写入缓冲，经过串并转换变成并行数据，再经过8b/10b解码，被写入接收端缓冲，做crc检验后并行输出。图2中，参考时钟最好选用具有高稳定性和高精度的外部时钟源；并行数据选用64bit，时钟频率选用125mhz，因此单路信号有效速率可高达8.0gbit/s，由于采用了8b/10b编解码，因此单路实际速率达到10.0gbit/s。需说明，图3中，crc校验、8b/10b编解码等功能均为可配置的，可以将它们加入到数据链路中，也可以旁路掉，可根据实际使用需求确定配置。

如图4所示，光发送模块2包括输入接口21、编码电路22和光发送电路23；其中，输入接口21接收发送端高速串行差分电信号并将其发送给编码电路22；编码电路22接收发送端高速串行差分电信号，并对发送端高速串行差分电信号进行冗余编码和加扰后发送给光发送电路23；光发送电路23对经过编码和加扰的发送端高速串行差分电信号进行光源调制得到发送端光信号。

具体的，图4为本实施例高速载荷数据光纤传输接口中光发送模块2的一种实现方式。光发送模块中，输入接口21用于接收来自并串转换模块1输出的发送端高速串行差分信号，送入后端编码电路进行线路码型变换。编码电路一方面是打乱二进制信号中的“0”、“1”分布，减少其直流分量的起伏；另一方面用于插入冗余信息以便进行检错和纠错，一般可以采用扰码、3b/4b变换码、插入码等编码方式，本发明中采用扰码方式进行编码，对应地，接收端需进行解扰码。光发送电路主要作用是将经编码后的电信号进行光源调制，并从尾纤输出光信号耦合入光纤线路进行传输；本实施方式中，单路实际速率达到10.0gbit/s，因此采用结构简单的直接调制方式，将数字信息转变为驱动电流并调制到光载波上，并输出载波功率大小随时间变换的光信号。

如图5所示，光传输模块3包括发射端光纤连接器31、抗辐射光纤32和接收端光纤连接器33；其中，发射端光纤连接器31的一端与光发送模块2相连接，发射端光纤连接器31的另一端与抗辐射光纤32的一端相连接；抗辐射光纤32的另一端与光接收模块4相连接。

具体的，图5为本实施例的高速载荷数据光纤传输接口中光传输模块3的组成原理框图。发射端光纤连接器31用于将光发送模块2的尾纤与抗辐射光纤32连接，使光信号从光发送模块的尾纤耦合到抗辐射光纤32；接收端光纤连接器33将抗辐射光纤32与光接收模块4的尾纤对接，使光信号从抗辐射光纤耦合到光接收模块4的尾纤。航天产品的光纤传输媒介主要考虑空间环境的适应性和可靠性，要求所选用的光纤连接器及光纤均具有抗辐射、抗强烈振动、耐高低温等特点。

如图6所示，光接收模块4包括光检测器41、前置放大电路42、主放大电路43、均衡电路44、时钟恢复电路45、判决电路46、码型反变换电路47和输出接口48；其中，光检测器41将接收端光信号转换为电信号并将电信号传输给前置放大电路42；前置放大电路42将电信号进行放大得到第一放大电信号并将其发送给主放大电路43；主放大电路43将第一放大电信号再次放大后得到第二放大电信号，并将其发送给均衡电路44；均衡电路44将第二放大电信号进行补充和整形，输出均衡后的电信号发送给判决电路46；时钟恢复电路45从均衡后的电信号中恢复出时钟信号，并将时钟信号进行移相后发送至判决电路46；判决电路46对均衡后的电信号进行时钟采样，将采样后的信号幅度与判决阈值进行比较，恢复出“0”、“1”传输的数字信号，并将恢复出的数字信号发送给码型反变换电路47；码型反变换电路47将恢复出的数字信号进行同步、解扰和解码得到码型反变换后的信号，将码型反变换后的信号发送给输出接口48；输出接口48将码型反变换后的信号变换成接收端高速串行差分电信号，并将其发送给串并转换模块5。

具体的，图6为本实施例的高速载荷数据光纤传输接口中光接收模块4的一种实现方式。对于光发送模块2调制的光信号经过光纤传输到达接收端后，光接收模块中的光检测器41能够检测入射在其表面的光信号强度，并根据光信号强度将其转换为相应的电信号，是光接收模块的核心部分。由于到达接收端的光信号已经很微弱，检测器输出的电流信号也仅在纳安(na)数量级，因此需采用多级放大后，将微弱的电信号放大至判决电路能正确识别的电平。前置放大器42可以满足低噪声、高增益的放大需求，可以保证整个光接收模块的信噪比。经前置放大器42输出的电信号仍比较微弱，不能满足进行幅度判决的要求，因此进一步进入主放大电路43进行放大；主放大电路43输出信号送至均衡电路44，对发生传输畸变的码间干扰信号进行均衡放大，对波形进行必要的修正，以利于后端判决电路46进行判决再生。时钟恢复电路45从均衡后的电信号中恢复出时钟信号，并将时钟信号进行适当的移相后发送至判决电路46；判决电路46对均衡后的电信号进行时钟采样，将采样后的信号幅度与判决阈值进行比较，恢复出“0”、“1”传输的数字信号。对于光接收模块的输出部分，通过码型反变换电路47进行解扰处理(对应光发送模块中的扰码处理)，最后通过输出接口48输出接收端高速串行差分电信号。对于rocketio高速串行收发器，输出接口匹配阻抗可选择50ω或75ω。

本发明将高速串行serdes收发器与光纤传输相结合，给出基于rocketio收发模块的光纤传输接口组成方法，单路信号传输速率可从2.0gbit/s提升至10gbit/s，提高了遥感卫星载荷数据传输的速度和容量；本发明利用光纤传输媒介代替传统铜线传输媒介，设备自身信号及外部电磁辐射都不会在光纤中产生电流，并且光纤中的光波被很好地限制在纤芯内，传输过程无泄漏，具有极好的抗射频干扰和抗电磁干扰能力，提高了遥感卫星数据传输系统的可靠性和安全性；本发明由于传输速率高，同时由于光纤尺寸小、重量轻，从而可大量减少设备内部收发模块、外部连接器、传输媒介的配置数量，降低了载荷设备、数据接收设备及和传输线缆的重量和体积、简化卫星连接关系，同时节省了系统成本，有利于卫星小型化、轻量化、低成本设计；本发明利用光纤极低的传输损耗特性，相比传统电缆可支持的传输距离更长。为了降低遥感载荷发送设备和数据接收设备之间的传输损耗，采用电缆传输时一般要求收发设备之间距离在3m～5m之间，而采用光纤传输则无此限制(传输速率为10gbit/s的光纤接口，传输距离可达100km)。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。