數(shù)傳分系統(tǒng)星上單機(jī)間高速接口通信的技術(shù)分析和實(shí)際應(yīng)用

干練　秦琨　陳贊　鐘海文　曾湘菊

摘要：文章簡(jiǎn)單介紹了目前衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)星上單機(jī)間高速接口通信技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，按技術(shù)類別進(jìn)行了分類，最后著重分析了高速接口通信技術(shù)中廣泛應(yīng)用的LVDS接口技術(shù)。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)；高速接口通信技術(shù)；LVDS接口

中圖分類號(hào)：TM46；TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）09-0021-02

隨著空間載荷平臺(tái)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用任務(wù)需求的增加，衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也在急劇增大。因此，如何確保高碼速率數(shù)據(jù)在星上單機(jī)之間以及星地之間傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性，已成為空間電子應(yīng)用技術(shù)研究的重點(diǎn)。本文將對(duì)數(shù)傳分系統(tǒng)星上單機(jī)間的高速通信技術(shù)進(jìn)行具體的分析。

1 數(shù)傳分系統(tǒng)簡(jiǎn)介

從功能應(yīng)用的角度來(lái)看，數(shù)傳分系統(tǒng)可分為數(shù)傳終端處理器、數(shù)傳加密機(jī)、數(shù)傳發(fā)射機(jī)三個(gè)單元，根據(jù)型號(hào)任務(wù)的需求可取消數(shù)傳加密機(jī)或?qū)⑵渥鳛橐粋€(gè)模塊合并到數(shù)傳終端處理器或數(shù)傳發(fā)射機(jī)中。

數(shù)傳終端處理器主要功能是接收和整合載荷平臺(tái)采集的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)或延時(shí)傳輸?shù)綌?shù)傳加密機(jī)或數(shù)傳發(fā)射機(jī)；數(shù)傳加密機(jī)按指令要求對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理或不做處理，再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)傳發(fā)射機(jī)；數(shù)傳發(fā)射機(jī)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼、調(diào)制等處理后對(duì)外傳輸。

2 數(shù)傳分系統(tǒng)單機(jī)間高速接口通信現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

目前，數(shù)傳分系統(tǒng)主要工作于L、S、C、X、Ka、Ku波段，其中工作在L、S、C波段的數(shù)傳分系統(tǒng)單機(jī)因受頻帶限制，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率不高，一般在20Mbps以下，主要使用RS422電平接口；工作在X波段的數(shù)傳分系統(tǒng)單機(jī)傳輸數(shù)據(jù)速率一般在600Mbps以下，主要使用LVDS接口，采用單路串行或多路并行的傳輸方式，隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的提高，將更多的采用并行傳輸?shù)膫鬏敺绞剑还ぷ髟贙a、Ku波段的數(shù)傳分系統(tǒng)單機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率一般可達(dá)1500 Mbps 甚至更高，一般使用LVDS接口，采用多路并行的傳輸方式，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，今后將可能采用光纖通信的方式來(lái)進(jìn)行星上數(shù)據(jù)的傳輸。

3 高速接口通信技術(shù)分類及應(yīng)用分析

3.1 高速接口通信技術(shù)分類

從時(shí)鐘的角度來(lái)看，高速接口通信技術(shù)可分為兩大類：一是在星上單機(jī)間采用同步時(shí)鐘進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，二是在星上單機(jī)間采用異步時(shí)鐘進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。目前主流的設(shè)計(jì)方法都是采用同步時(shí)鐘來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

3.2 采用同步時(shí)鐘的高速接口通信技術(shù)

采用同步時(shí)鐘設(shè)計(jì)方法，星上單機(jī)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性較好，不需要使用大規(guī)模存儲(chǔ)器件來(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，但是對(duì)單機(jī)間接口電路、信號(hào)傳輸電纜的要求較高。下面將對(duì)同步時(shí)鐘高速接口通信技術(shù)的幾種方案進(jìn)行具體描述。

3.2.1 并行驅(qū)動(dòng)同步時(shí)鐘技術(shù)

圖1所示為并行驅(qū)動(dòng)同步時(shí)鐘數(shù)傳系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，一個(gè)晶振同時(shí)給數(shù)傳終端處理器、數(shù)傳加密機(jī)和數(shù)傳發(fā)射機(jī)提供數(shù)據(jù)傳輸所需的時(shí)鐘信號(hào)，數(shù)傳終端處理器采集的數(shù)據(jù)在同一時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，經(jīng)數(shù)傳加密機(jī)處理后進(jìn)入數(shù)傳發(fā)射機(jī)，數(shù)傳發(fā)射機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼、調(diào)制等處理后對(duì)外發(fā)送。

3.2.2 串行驅(qū)動(dòng)同步時(shí)鐘技術(shù)

圖2所示為串行驅(qū)動(dòng)同步時(shí)鐘數(shù)傳系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，在數(shù)傳終端處理器內(nèi)部時(shí)鐘晶振的驅(qū)動(dòng)下，數(shù)據(jù)從數(shù)傳終端處理器傳輸?shù)綌?shù)傳加密機(jī)進(jìn)行處理，加密數(shù)據(jù)經(jīng)同一時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)進(jìn)入數(shù)傳發(fā)射機(jī)，進(jìn)行信道編碼、調(diào)制等處理后對(duì)外發(fā)送。

3.2.3 同步時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)

圖3所示為同步時(shí)鐘恢復(fù)數(shù)傳系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，數(shù)傳終端處理器采集的載荷數(shù)據(jù)經(jīng)其內(nèi)部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)輸出到數(shù)傳加密機(jī)，數(shù)傳加密機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行加密處理后輸出到數(shù)傳發(fā)射機(jī)，數(shù)傳發(fā)射機(jī)通過(guò)時(shí)鐘恢復(fù)電路產(chǎn)生與數(shù)傳加密機(jī)同頻、同相（或稱固定相位延遲）的時(shí)鐘，在該時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下對(duì)加密數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼、調(diào)制等處理后對(duì)外發(fā)送。

一般情況下，不論采用串行方式還是并行方式傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)傳終端處理器與數(shù)傳加密機(jī)的處理時(shí)鐘是一致或成整數(shù)倍頻、分頻關(guān)系的，但有時(shí)數(shù)傳發(fā)射機(jī)中信道編碼所需要的時(shí)鐘與數(shù)傳終端處理器、數(shù)傳加密機(jī)的處理時(shí)鐘不成整數(shù)關(guān)系，此時(shí)就需要采用倍頻鎖相等辦法將從數(shù)傳終端處理器、數(shù)傳加密機(jī)輸入的時(shí)鐘信號(hào)倍頻到信道編碼時(shí)鐘的整數(shù)倍上再進(jìn)行處理。例如某衛(wèi)星型號(hào)數(shù)傳分系統(tǒng)中，數(shù)傳終端處理器輸出時(shí)鐘為11.625MHz，數(shù)傳發(fā)射機(jī)最后輸出的數(shù)據(jù)速率為62Mbps，因此在數(shù)傳發(fā)射機(jī)中通過(guò)鎖相環(huán)將11.625MHz的輸入時(shí)鐘倍頻到93MHz，再在信道編碼芯片內(nèi)部對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行處理。

3.3 采用異步時(shí)鐘的高速接口通信技術(shù)

采用異步時(shí)鐘設(shè)計(jì)方法，星上單機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸存在一定的延時(shí)，需要使用大規(guī)模存儲(chǔ)器件來(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，但是對(duì)單機(jī)間接口電路、信號(hào)傳輸電纜和速率傳輸?shù)囊筝^低。下面將對(duì)同步時(shí)鐘高速接口通信技術(shù)的幾種方案進(jìn)行具體描述。

圖4所示為采用異步時(shí)鐘的高速數(shù)傳系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，數(shù)傳終端處理器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)內(nèi)部晶振驅(qū)動(dòng)輸出到數(shù)傳加密機(jī)，數(shù)傳加密機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行加密處理后輸出到數(shù)傳發(fā)射機(jī)，數(shù)傳發(fā)射機(jī)先通過(guò)數(shù)傳加密機(jī)的輸出時(shí)鐘將數(shù)據(jù)保存到存儲(chǔ)器件中，再通過(guò)內(nèi)部時(shí)鐘或其衍生時(shí)鐘將數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器件中讀出（該時(shí)鐘頻率比數(shù)傳終端處理器的時(shí)鐘頻率高），經(jīng)信道編碼、調(diào)制等處理后對(duì)外發(fā)送。

4 LVDS接口技術(shù)

4.1 LVDS接口原理

數(shù)傳分系統(tǒng)星上單機(jī)間高速接口通信技術(shù)一般都采用LVDS接口規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。LVDS（Low Voltage Differential Signaling）是一種低擺幅差分信號(hào)傳輸技術(shù)，LVDS發(fā)送端采用恒流源驅(qū)動(dòng)信號(hào)，接收端輸入阻抗較高，通過(guò)100Ω的終端電阻對(duì)信號(hào)進(jìn)行終結(jié)。

4.2 LVDS接口使用注意事項(xiàng)

LVDS接口電路雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際應(yīng)用中有很多的注意事項(xiàng)，一旦違背，將對(duì)系統(tǒng)的性能帶來(lái)不良的影響。LVDS接口電路使用主要注意事項(xiàng)如下：

4.2.1 阻抗匹配

從LVDS發(fā)送端到接受端，中間包括印制板走線、兩個(gè)接插件和一根差分傳輸線。LVDS接收端的匹配電路標(biāo)稱值為100Ω，因此，應(yīng)該選用阻抗為100Ω左右的接插件、差分傳輸線來(lái)進(jìn)行匹配（在LVDS應(yīng)用手冊(cè)中，推薦的匹配阻抗范圍為90～130Ω）。從反射觀點(diǎn)來(lái)看，10%的阻抗失配會(huì)產(chǎn)生5%的反射。

某衛(wèi)星型號(hào)地面聯(lián)試階段，因星上單機(jī)之間使用了50Ω阻抗的差分線進(jìn)行傳輸，再加上接插件和差分線的容性阻抗的影響，導(dǎo)致傳輸信號(hào)中FF數(shù)據(jù)的下降沿后面產(chǎn)生了幅度很高的過(guò)沖，產(chǎn)生誤碼。通過(guò)使用120Ω阻抗的差分線纜，問(wèn)題得以解決。

4.2.2 信號(hào)隔離

本文的信號(hào)隔離有兩層含義，一是指LVDS信號(hào)與LVTTL或其它電平信號(hào)的隔離，二是指LVDS電路與備份單機(jī)的LVDS電路之間的隔離。

在設(shè)計(jì)印制板時(shí)，盡量將LVDS信號(hào)與LVTTL信號(hào)或其它電平信號(hào)分層布局，中間用電源層和接地層進(jìn)行隔離，防止LVTTL信號(hào)或其它電平信號(hào)串?dāng)_到LVDS信號(hào)中，使LVDS信號(hào)的跳變沿發(fā)生扭曲變形。

數(shù)傳系統(tǒng)為增加系統(tǒng)的可靠性，需要采用雙機(jī)備份的方法。LVDS發(fā)送端雖然可以通過(guò)使能端控制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的切換，但在實(shí)際使用中，由于各個(gè)單機(jī)往往是主備份單機(jī)一體的，而且單機(jī)之間的LVDS信號(hào)傳輸通常是交叉?zhèn)浞莸模茈y將兩路LVDS輸出信號(hào)完全隔離。當(dāng)其中一路LVDS信號(hào)串?dāng)_到另一個(gè)LVDS電路時(shí)，若達(dá)到一定的門限，另一路LVDS電路就會(huì)對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行放大，產(chǎn)生誤碼。最可靠的方法就是LVDS發(fā)送端進(jìn)行雙機(jī)冷備份，若條件不允許，也必須在熱備份的LVDS發(fā)送端輸入高電平信號(hào)。

4.2.3 接地和屏蔽

為限制LVDS信號(hào)的地偏移，一定要使用一根地線將LVDS收發(fā)系統(tǒng)的地連接到一起。

為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，一定要在LVDS收發(fā)系統(tǒng)之間使用差分屏蔽電纜，電纜的發(fā)端必須接地，收端可懸空或通過(guò)阻容耦合接地。

多路并行傳輸時(shí)，為防止LVDS信號(hào)相互之間串?dāng)_，接插件上同一LVDS信號(hào)的正負(fù)端應(yīng)相鄰，不同LVDS信號(hào)線之間通過(guò)地線隔離。

4.2.4 布線規(guī)則

LVDS收發(fā)芯片與接插件之間的連線盡可能短（小于7mm）；在LVDS收發(fā)芯片電源管腳就近使用0.1μF的貼片電容。

5 結(jié)語(yǔ)

數(shù)傳分系統(tǒng)星上單機(jī)間高速接口通信的技術(shù)很多，也各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合型號(hào)具體情況，綜合考慮系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求、對(duì)外信息傳輸速率、單機(jī)重量尺寸、單機(jī)功耗、單機(jī)信道編碼方式等各方面因素，選取最適合的方法來(lái)進(jìn)行星上單機(jī)間的高速接口通信。