CN114826374A - 一种Ka频段卫星高速数据传输***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Ka频段卫星高速数据传输***及方法，包括数据处理器、调制器、通道滤波器、功率放大器、微波开关网络、对地数传天线、中继数传天线。***使用Ka频段对地和中继数据传输的一体化***方案和射频频率分配方案，以及基带数据的自适应传输方案，实现了对地数据传输和中继数据传输的设备兼容设计和频率共用，以及对多种基带数据速率的自适应能力。***配置灵活可变，可支持多种工作模式，显著提升了***的集成度与数据传输速率。

Description

一种Ka频段卫星高速数据传输***及方法

技术领域

本发明涉及一种Ka频段卫星高速数据传输***，属于卫星数据处理与传输领域，可用于需要高速数据传输的卫星***中，从而大幅提高卫星数据传输速率，并提升***集成度。

背景技术

由于高分辨率对地观测卫星图像分辦率和幅宽的要求越来越高，所要传输的遥感数据量也越来越大，因此亟需提升卫星数传分***的数据传输能力。同时，一般的卫星数传分***对地数传链路和中继数传链路是独立设计的，***设计复杂，集成度不高。因此，如何进一步提高卫星数据传输速率，并提高***的集成度，成为了关键问题。

“朱少杰.某卫星Ka频段高速数据传输***仿真与设计[D].上海交通大学，2014.”针对Ka频段高速数据传输***提出了对地和中继共用射频通道的思想。但该文献使用本振源进行射频频点切换，达到对地和中继共用的目的。而本专利采用对地和中继同频点设计，无需切换射频频点，使***更加简化。

“杨帅,游月辉,李侃,叶小舟,陆荣,李金亮,沈庆丰,陈占胜.低轨卫星数传及中继基带处理一体化设计装置及方法,CN201611031516.8，上海卫星工程研究所.”公开了一种低轨卫星数传及中继基带处理一体化设计装置及方法，实现了基带处理部分的对地中继一体化设计，未涉及射频通道部分。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种Ka频段卫星高速数据传输***及方法，实现了最多四个射频通道的同时传输，提升了***的集成度，简化了***设计，大大提高了数据传输速率。

本发明的技术方案是：一种Ka频段卫星高速数据传输***，配置四条数据传输通道，包括数据处理器、调制器、通道滤波器、功率放大器、微波开关网络、对地数传天线、中继数传天线；

数据处理器对输入的载荷数据按照对地数传要求或中继数传要求进行基带处理，并输出四路的处理后基带数据；

调制器、通道滤波器、功率放大器对每路数据处理器输出的基带数据依次进行满足对地数传或中继数传要求的Ka频段微波调制、通道滤波和功率放大；

微波开关网络根据***工作模式将功率放大器输出的四路射频信号进行合成与选路，并输入至对地数传天线或中继数传天线；

对地数传天线接收微波开关网络输出的射频信号，并完成对地数传链路的天线对准和射频信号发射：

中继数传天线接收微波开关网络输出的射频信号，并完成中继数传链路的天线对准和射频信号发射。

所述基带处理包括存储、预处理、压缩、组帧、编码和加扰。

采用Ka频段对地和中继数据传输的一体化射频频率分配方案，使用Ka频段作为传输频段，设总共占用带宽B，按0.2B等间隔设置四个传输频点，记为频点1、频点2、频点3和频点4；四个传输频点既可作为对地数传传输频点，也可作为中继数传传输频点，对地数传单通道最大带宽0.3B，中继数传单通道最大带宽0.18B，对地数传和中继数传共用四个传输频点。

所述对地数传天线采用双圆极化天线，即同时具备左旋圆极化和右旋圆极化功能。

所述中继天线采用单圆极化天线，即具备左旋圆极化或右旋圆极化功能。

对地数传在频点1和3采用左旋圆极化或右旋圆极化，频点2和4与其相反，采用右旋圆极化或左旋圆极化。

中继数传频点1至频点4使用相同的极化方式，统一采用左旋圆极化或右旋圆极化。

所述数据处理器、调制器支持多种数据速率、编码模式和调制模式；在数据处理器和调制器中设置基带数据缓存，使用基带数据传输流程与缓存门限设置准则，支持多种速率的基带数据传输。

一种利用上述***进行基带数据传输的方法，对于数据处理器和调制器两类设备，定义基带数据的发送端为“前级”，基带数据的接收端为“后级”，前级向后级发送的有效基带数据帧为“有效帧”，***约定的无效基带数据帧为“空帧”，后级向前级发送的基带数据帧为“请求帧”；基带数据传输流程如下：

(1)开始时，后级等间隔向前级发送请求帧，请求帧中包含前级需发送的帧数信息

(2)前级接收到请求帧后，获取其中的帧数信息，并向后级输出帧数信息中指定数量的有效帧；如前级未收到请求帧，则前级不发送数据：

(3)在后级中设置缓存单元，如后级缓存数据量大于缓存门限2，则后级开始持续不间断地输出数据；否则，后级只接收前级数据，不输出数据；如后级缓存数据量小于等于缓存门限1，则后级向其缓存中以整帧为单位填充空帧，同时后级等间隔向前级发送请求帧；如后级缓存数据量大于缓存门限1且小于缓存门限2，则后级等间隔向前级发送请求帧；否则，后级不发送请求帧。

缓存门限的设置准则如下：

设前级输出速率为：M帧/ns；

后级输出速率为：N帧/ns，其中M≥N；

后级每次请求数据帧数量：P帧，其中P为正整数；

前级接收到请求帧后，到前级完全输出有效帧的延迟为：P/M ns，即延迟前级传输P帧有效帧所需的时间；则：

后级请求时间间隔设置为：P/N ns；

后级缓存门限1设置为：

帧；

后级缓存门限2设置为：

帧；

后级缓存容量设置为：R＝2×L2帧。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明设计了一种Ka频段对地和中继数据传输的一体化***方案，实现了数据处理器、调制器、通道滤波器、功率放大器、微波开关网络共五类设备的共用，支持最多四通道同时传输，提高了***集成度。

(2)本发明设计了一种Ka频段对地和中继数据传输的一体化射频频率分配方案，实现了对地数传和中继数传射频频点的共用，从而可以支持多达十种的通道配置方案。同时，结合数据处理器和调制器的多种工作模式，实现了数据速率、编码模式、调制模式、射频频点的灵活配置，从而显著的提高了对不同卫星数传应用场景的适应性，并大幅提升了***数据传输速率。

(3)本发明设计了基带数据的自适应传输方案，使用设计的基带数据传输流程和缓存门限设置准则，使基带数据时变地按接收端需要的速率进行传输，实现了多种基带数据速率的自适应能力，满足了***数据速率时变和连续性的要求。

附图说明

图1为Ka频段卫星高速数据传输***框图；

图2为Ka频段对地数传频率设计框图；

图3为Ka频段中继数传频率设计框图；

图4为基带数据传输方法框图；

图5为基带数据传输流程图。

具体实施方式

本发明公开了一种Ka频段卫星高速数据传输***，***配置了四条数据传输通道，其设备包括数据处理器、调制器、通道滤波器、功率放大器、微波开关网络、对地数传天线、中继数传天线。其中数据处理器、调制器、通道滤波器、功率放大器、微波开关网络共五类设备采用了Ka频段对地和中继数据传输的一体化***方案，可同时支持对地数传和中继数传的基带、射频要求，显著提高了***的集成度。***各设备的连接关系见图1。

数据处理器对输入的载荷数据按照对地数传要求或中继数传要求进行基带处理，包括存储、预处理、压缩、组帧、编码和加扰等，并输出四路的处理后基带数据；

调制器、通道滤波器、功率放大器对每路数据处理器输出的基带数据依次进行满足对地数传或中继数传要求的Ka频段微波调制、通道滤波和功率放大；

微波开关网络根据***工作模式将功率放大器输出的四路射频信号进行合成与选路，并输入至对地数传天线或中继数传天线；

对地数传天线接收微波开关网络输出的射频信号，并完成对地数传链路的天线对准和射频信号发射：

中继数传天线接收微波开关网络输出的射频信号，并完成中继数传链路的天线对准和射频信号发射。

如图2和图3，分别为本发明所述的对地数传频率设计框图和中继数传频率设计框图。***使用Ka频段作为传输频段，假设总共占用带宽B为2.5GHz，则按照500MHz等间隔设置四个传输频点，记为频点1、频点2、频点3和频点4。四个传输频点即可作为对地数传传输频点，也可作为中继数传传输频点，对地数传单通道最大带宽750MHz，中继数传单通道最大带宽450MHz，对地数传和中继数传共用四个传输频点。

对地数传天线采用双圆极化天线，即同时具备左旋圆极化和右旋圆极化功能。中继天线采用单圆极化天线，即具备右旋圆极化功能。对地数传在频点1和3采用右旋圆极化，频点2和4与其相反，采用左旋圆极化。中继数传频点1至频点4使用相同的右旋圆极化方式。

根据上述射频频率分配方案，***可支持十种不同的通道配置模式，各通道配置模式可根据卫星遥控指令动态切换，大大增强了***的灵活性，使***能够适应多种卫星数传场景的实际需求。具体支持的通道配置如下：

(1)对地单通道数据传输；

(2)对地双通道数据传输；

(3)对地四通道数据传输；

(4)中继单通道数据传输；

(5)中继双通道数据传输；

(6)中继四通道数据传输；

(7)对地单通道、中继单通道数据传输；

(8)对地双通道、中继双通道数据传输：

(9)对地单通道、中继双通道数据传输；

(10)对地双通道、中继单通道数据传输。

其中，对地数传每个通道可支持八种调制方式，即QPSK或SQPSK或8PSK或16APSK或32APSK或64APSK或128APSK或256APSK调制方式，对地数传四通道最大传输速率可达22.8Gbps。中继数传每个通道可支持六种调制方式，即QPSK或SQPSK或8PSK或16APSK或32APSK或64APSK调制方式，中继数传四通道最大传输速率10.2Gbps。各通道调制方式可根据卫星遥控指令动态切换，大幅提升了卫星数传速率。

根据上述基带数据的自适应传输方案，以数据处理器为前级，调制器为后级，假设M＝2帧/ns，N＝1帧/ns，P＝8帧，则P/M＝4ns、P/N＝8ns、L1＝4帧、L2＝16帧、R＝32帧。

因此，如图4、5所示，数据处理器与调制器间的基带数据传输流程为：

(1)开始时，调制器每隔8ns向数据处理器请求8帧数据；

(2)数据处理器接收到请求帧后，向调制器输出8帧有效帧。从数据处理器接收到请求帧，到数据处理器完全输出8帧有效帧的延迟为4ns；

(3)调制器缓存数据量达到16帧后，开始持续不间断输出数据；

(4)如调制器缓存数据量不大于4帧，则调制器向缓存中以整帧为单位填充空帧，同时调制器每隔8ns向前级请求8帧数据；

(5)如调制器缓存不大于16帧，则调制器每隔8ns向数据处理器请求8帧数据；否则，调制器不发送请求帧。

***具体工作流程为：

数据处理器接收载荷设备发送的数据，进行存储、预处理、压缩、组帧、编码和加扰等处理后，形成四路处理后的基带数据发送给调制器；

调制器按照基带数据传输流程从数据处理器中接收数据，并按照***工作模式和频率分配方案的要求进行Ka频段射频调制；

通道滤波器对调制器输出Ka频段射频信号进行通道滤波：

功率放大器对通道滤波输出的Ka频段射频信号进行功率放大；

微波开关网络根据***工作模式将功率放大器输出的射频信号输入至对地数传天线或中继数传天线；

对地数传天线、中继数传天线完成天线对准和射频信号的发射。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种Ka频段卫星高速数据传输***，配置四条数据传输通道，其特征在于：包括数据处理器、调制器、通道滤波器、功率放大器、微波开关网络、对地数传天线、中继数传天线；

数据处理器对输入的载荷数据按照对地数传要求或中继数传要求进行基带处理，并输出四路的处理后基带数据；

调制器、通道滤波器、功率放大器对每路数据处理器输出的基带数据依次进行满足对地数传或中继数传要求的Ka频段微波调制、通道滤波和功率放大；

微波开关网络根据***工作模式将功率放大器输出的四路射频信号进行合成与选路，并输入至对地数传天线或中继数传天线；

对地数传天线接收微波开关网络输出的射频信号，并完成对地数传链路的天线对准和射频信号发射：

中继数传天线接收微波开关网络输出的射频信号，并完成中继数传链路的天线对准和射频信号发射。

2.根据权利要求1所述的一种Ka频段卫星高速数据传输***，其特征在于：所述基带处理包括存储、预处理、压缩、组帧、编码和加扰。

3.根据权利要求1所述的一种Ka频段卫星高速数据传输***，其特征在于：采用Ka频段对地和中继数据传输的一体化射频频率分配方案，使用Ka频段作为传输频段，设总共占用带宽B，按0.2B等间隔设置四个传输频点，记为频点1、频点2、频点3和频点4；四个传输频点既可作为对地数传传输频点，也可作为中继数传传输频点，对地数传单通道最大带宽0.3B，中继数传单通道最大带宽0.18B，对地数传和中继数传共用四个传输频点。

4.根据权利要求3所述的一种Ka频段卫星高速数据传输***，其特征在于：所述对地数传天线采用双圆极化天线，即同时具备左旋圆极化和右旋圆极化功能。

5.根据权利要求4所述的一种Ka频段卫星高速数据传输***，其特征在于：所述中继天线采用单圆极化天线，即具备左旋圆极化或右旋圆极化功能。

6.根据权利要求4所述的一种Ka频段卫星高速数据传输***，其特征在于：对地数传在频点1和3采用左旋圆极化或右旋圆极化，频点2和4与其相反，采用右旋圆极化或左旋圆极化。

7.根据权利要求5所述的一种Ka频段卫星高速数据传输***，其特征在于：中继数传频点1至频点4使用相同的极化方式，统一采用左旋圆极化或右旋圆极化。

8.根据权利要求1所述的一种Ka频段卫星高速数据传输***，其特征在于：所述数据处理器、调制器支持多种数据速率、编码模式和调制模式；在数据处理器和调制器中设置基带数据缓存，使用基带数据传输流程与缓存门限设置准则，支持多种速率的基带数据传输。

9.一种利用上述***进行基带数据传输的方法，对于数据处理器和调制器两类设备，定义基带数据的发送端为“前级”，基带数据的接收端为“后级”，前级向后级发送的有效基带数据帧为“有效帧”，***约定的无效基带数据帧为“空帧”，后级向前级发送的基带数据帧为“请求帧”；其特征在于：基带数据传输流程如下：

(1)开始时，后级等间隔向前级发送请求帧，所述请求帧中包含前级需发送的帧数信息；

(2)前级接收到请求帧后，获取其中的帧数信息，并向后级输出帧数信息中指定数量的有效帧；如前级未收到请求帧，则前级不发送数据：

(3)在后级中设置缓存单元，如后级缓存数据量大于缓存门限2，则后级开始持续不间断地输出数据；否则，后级只接收前级数据，不输出数据；如后级缓存数据量小于等于缓存门限1，则后级向其缓存中以整帧为单位填充空帧，同时后级等间隔向前级发送请求帧；如后级缓存数据量大于缓存门限1且小于缓存门限2，则后级等间隔向前级发送请求帧；否则，后级不发送请求帧。

10.根据权利要求9所述的基带数据传输的方法，其特征在于：缓存门限的设置准则如下：

设前级输出速率为：M帧/ns；

后级输出速率为：N帧/ns，其中M≥N；

后级每次请求数据帧数量：P帧，其中P为正整数；

前级接收到请求帧后，到前级完全输出有效帧的延迟为：P/M ns，即延迟前级传输P帧有效帧所需的时间；则：

后级请求时间间隔设置为：P/N ns；

后级缓存门限1设置为：

帧；

后级缓存门限2设置为：

帧；

后级缓存容量设置为：R＝2×L2帧。

Images