數傳分系統星上單機間高速接口通信的技術分析和實際應用

干練　秦琨　陳贊　鐘海文　曾湘菊

摘要：文章簡單介紹了目前衛星數傳分系統星上單機間高速接口通信技術的現狀及發展趨勢，按技術類別進行了分類，最后著重分析了高速接口通信技術中廣泛應用的LVDS接口技術。

關鍵詞：衛星數傳分系統；高速接口通信技術；LVDS接口

中圖分類號：TM46；TN86 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）09-0021-02

隨著空間載荷平臺技術的發展和應用任務需求的增加，衛星數傳分系統傳輸的數據量也在急劇增大。因此，如何確保高碼速率數據在星上單機之間以及星地之間傳輸的準確性和可靠性，已成為空間電子應用技術研究的重點。本文將對數傳分系統星上單機間的高速通信技術進行具體的分析。

1 數傳分系統簡介

從功能應用的角度來看，數傳分系統可分為數傳終端處理器、數傳加密機、數傳發射機三個單元，根據型號任務的需求可取消數傳加密機或將其作為一個模塊合并到數傳終端處理器或數傳發射機中。

數傳終端處理器主要功能是接收和整合載荷平臺采集的數據，實時或延時傳輸到數傳加密機或數傳發射機；數傳加密機按指令要求對接收的數據進行加密處理或不做處理，再將數據傳輸到數傳發射機；數傳發射機對接收的數據進行信道編碼、調制等處理后對外傳輸。

2 數傳分系統單機間高速接口通信現狀及發展趨勢

目前，數傳分系統主要工作于L、S、C、X、Ka、Ku波段，其中工作在L、S、C波段的數傳分系統單機因受頻帶限制，傳輸的數據速率不高，一般在20Mbps以下，主要使用RS422電平接口；工作在X波段的數傳分系統單機傳輸數據速率一般在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，隨著數據傳輸速率的提高，將更多的采用并行傳輸的傳輸方式；工作在Ka、Ku波段的數傳分系統單機傳輸的數據速率一般可達1500 Mbps 甚至更高，一般使用LVDS接口，采用多路并行的傳輸方式，隨著通信技術的發展，今后將可能采用光纖通信的方式來進行星上數據的傳輸。

3 高速接口通信技術分類及應用分析

3.1 高速接口通信技術分類

從時鐘的角度來看，高速接口通信技術可分為兩大類：一是在星上單機間采用同步時鐘進行數據傳輸，二是在星上單機間采用異步時鐘進行數據傳輸。目前主流的設計方法都是采用同步時鐘來進行數據的傳輸。

3.2 采用同步時鐘的高速接口通信技術

采用同步時鐘設計方法，星上單機間數據傳輸的實時性較好，不需要使用大規模存儲器件來保證數據傳輸的準確性，但是對單機間接口電路、信號傳輸電纜的要求較高。下面將對同步時鐘高速接口通信技術的幾種方案進行具體描述。

3.2.1 并行驅動同步時鐘技術

圖1所示為并行驅動同步時鐘數傳系統。該系統中，一個晶振同時給數傳終端處理器、數傳加密機和數傳發射機提供數據傳輸所需的時鐘信號，數傳終端處理器采集的數據在同一時鐘的驅動下，經數傳加密機處理后進入數傳發射機，數傳發射機對數據進行信道編碼、調制等處理后對外發送。

3.2.2 串行驅動同步時鐘技術

圖2所示為串行驅動同步時鐘數傳系統。該系統中，在數傳終端處理器內部時鐘晶振的驅動下，數據從數傳終端處理器傳輸到數傳加密機進行處理，加密數據經同一時鐘驅動進入數傳發射機，進行信道編碼、調制等處理后對外發送。

3.2.3 同步時鐘恢復技術

圖3所示為同步時鐘恢復數傳系統。該系統中，數傳終端處理器采集的載荷數據經其內部時鐘驅動輸出到數傳加密機，數傳加密機對信號進行加密處理后輸出到數傳發射機，數傳發射機通過時鐘恢復電路產生與數傳加密機同頻、同相（或稱固定相位延遲）的時鐘，在該時鐘驅動下對加密數據進行信道編碼、調制等處理后對外發送。

一般情況下，不論采用串行方式還是并行方式傳輸數據，數傳終端處理器與數傳加密機的處理時鐘是一致或成整數倍頻、分頻關系的，但有時數傳發射機中信道編碼所需要的時鐘與數傳終端處理器、數傳加密機的處理時鐘不成整數關系，此時就需要采用倍頻鎖相等辦法將從數傳終端處理器、數傳加密機輸入的時鐘信號倍頻到信道編碼時鐘的整數倍上再進行處理。例如某衛星型號數傳分系統中，數傳終端處理器輸出時鐘為11.625MHz，數傳發射機最后輸出的數據速率為62Mbps，因此在數傳發射機中通過鎖相環將11.625MHz的輸入時鐘倍頻到93MHz，再在信道編碼芯片內部對時鐘進行處理。

3.3 采用異步時鐘的高速接口通信技術

采用異步時鐘設計方法，星上單機間的數據傳輸存在一定的延時，需要使用大規模存儲器件來保證數據傳輸的準確性，但是對單機間接口電路、信號傳輸電纜和速率傳輸的要求較低。下面將對同步時鐘高速接口通信技術的幾種方案進行具體描述。

圖4所示為采用異步時鐘的高速數傳系統。該系統中，數傳終端處理器采集的數據經內部晶振驅動輸出到數傳加密機，數傳加密機對信號進行加密處理后輸出到數傳發射機，數傳發射機先通過數傳加密機的輸出時鐘將數據保存到存儲器件中，再通過內部時鐘或其衍生時鐘將數據從存儲器件中讀出（該時鐘頻率比數傳終端處理器的時鐘頻率高），經信道編碼、調制等處理后對外發送。

4 LVDS接口技術

4.1 LVDS接口原理

數傳分系統星上單機間高速接口通信技術一般都采用LVDS接口規范進行設計。LVDS（Low Voltage Differential Signaling）是一種低擺幅差分信號傳輸技術，LVDS發送端采用恒流源驅動信號，接收端輸入阻抗較高，通過100Ω的終端電阻對信號進行終結。

4.2 LVDS接口使用注意事項

LVDS接口電路雖然具有很多優點，但是在實際應用中有很多的注意事項，一旦違背，將對系統的性能帶來不良的影響。LVDS接口電路使用主要注意事項如下：

4.2.1 阻抗匹配

從LVDS發送端到接受端，中間包括印制板走線、兩個接插件和一根差分傳輸線。LVDS接收端的匹配電路標稱值為100Ω，因此，應該選用阻抗為100Ω左右的接插件、差分傳輸線來進行匹配（在LVDS應用手冊中，推薦的匹配阻抗范圍為90～130Ω）。從反射觀點來看，10%的阻抗失配會產生5%的反射。

某衛星型號地面聯試階段，因星上單機之間使用了50Ω阻抗的差分線進行傳輸，再加上接插件和差分線的容性阻抗的影響，導致傳輸信號中FF數據的下降沿后面產生了幅度很高的過沖，產生誤碼。通過使用120Ω阻抗的差分線纜，問題得以解決。

4.2.2 信號隔離

本文的信號隔離有兩層含義，一是指LVDS信號與LVTTL或其它電平信號的隔離，二是指LVDS電路與備份單機的LVDS電路之間的隔離。

在設計印制板時，盡量將LVDS信號與LVTTL信號或其它電平信號分層布局，中間用電源層和接地層進行隔離，防止LVTTL信號或其它電平信號串擾到LVDS信號中，使LVDS信號的跳變沿發生扭曲變形。

數傳系統為增加系統的可靠性，需要采用雙機備份的方法。LVDS發送端雖然可以通過使能端控制的方法來實現輸出信號的切換，但在實際使用中，由于各個單機往往是主備份單機一體的，而且單機之間的LVDS信號傳輸通常是交叉備份的，很難將兩路LVDS輸出信號完全隔離。當其中一路LVDS信號串擾到另一個LVDS電路時，若達到一定的門限，另一路LVDS電路就會對干擾信號進行放大，產生誤碼。最可靠的方法就是LVDS發送端進行雙機冷備份，若條件不允許，也必須在熱備份的LVDS發送端輸入高電平信號。

4.2.3 接地和屏蔽

為限制LVDS信號的地偏移，一定要使用一根地線將LVDS收發系統的地連接到一起。

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

多路并行傳輸時，為防止LVDS信號相互之間串擾，接插件上同一LVDS信號的正負端應相鄰，不同LVDS信號線之間通過地線隔離。

4.2.4 布線規則

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

5 結語

數傳分系統星上單機間高速接口通信的技術很多，也各有優缺點，在實際應用中應結合型號具體情況，綜合考慮系統實時性要求、對外信息傳輸速率、單機重量尺寸、單機功耗、單機信道編碼方式等各方面因素，選取最適合的方法來進行星上單機間的高速接口通信。