数传分系统星上单机间高速接口通信的技术分析和实际应用

干练　秦琨　陈赞　钟海文　曾湘菊

摘要：文章简单介绍了目前卫星数传分系统星上单机间高速接口通信技术的现状及发展趋势，按技术类别进行了分类，最后着重分析了高速接口通信技术中广泛应用的LVDS接口技术。

关键词：卫星数传分系统；高速接口通信技术；LVDS接口

中图分类号：TM46；TN86 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）09-0021-02

随着空间载荷平台技术的发展和应用任务需求的增加，卫星数传分系统传输的数据量也在急剧增大。因此，如何确保高码速率数据在星上单机之间以及星地之间传输的准确性和可靠性，已成为空间电子应用技术研究的重点。本文将对数传分系统星上单机间的高速通信技术进行具体的分析。

1 数传分系统简介

从功能应用的角度来看，数传分系统可分为数传终端处理器、数传加密机、数传发射机三个单元，根据型号任务的需求可取消数传加密机或将其作为一个模块合并到数传终端处理器或数传发射机中。

数传终端处理器主要功能是接收和整合载荷平台采集的数据，实时或延时传输到数传加密机或数传发射机；数传加密机按指令要求对接收的数据进行加密处理或不做处理，再将数据传输到数传发射机；数传发射机对接收的数据进行信道编码、调制等处理后对外传输。

2 数传分系统单机间高速接口通信现状及发展趋势

目前，数传分系统主要工作于L、S、C、X、Ka、Ku波段，其中工作在L、S、C波段的数传分系统单机因受频带限制，传输的数据速率不高，一般在20Mbps以下，主要使用RS422电平接口；工作在X波段的数传分系统单机传输数据速率一般在600Mbps以下，主要使用LVDS接口，采用单路串行或多路并行的传输方式，随着数据传输速率的提高，将更多的采用并行传输的传输方式；工作在Ka、Ku波段的数传分系统单机传输的数据速率一般可达1500 Mbps 甚至更高，一般使用LVDS接口，采用多路并行的传输方式，随着通信技术的发展，今后将可能采用光纤通信的方式来进行星上数据的传输。

3 高速接口通信技术分类及应用分析

3.1 高速接口通信技术分类

从时钟的角度来看，高速接口通信技术可分为两大类：一是在星上单机间采用同步时钟进行数据传输，二是在星上单机间采用异步时钟进行数据传输。目前主流的设计方法都是采用同步时钟来进行数据的传输。

3.2 采用同步时钟的高速接口通信技术

采用同步时钟设计方法，星上单机间数据传输的实时性较好，不需要使用大规模存储器件来保证数据传输的准确性，但是对单机间接口电路、信号传输电缆的要求较高。下面将对同步时钟高速接口通信技术的几种方案进行具体描述。

3.2.1 并行驱动同步时钟技术

图1所示为并行驱动同步时钟数传系统。该系统中，一个晶振同时给数传终端处理器、数传加密机和数传发射机提供数据传输所需的时钟信号，数传终端处理器采集的数据在同一时钟的驱动下，经数传加密机处理后进入数传发射机，数传发射机对数据进行信道编码、调制等处理后对外发送。

3.2.2 串行驱动同步时钟技术

图2所示为串行驱动同步时钟数传系统。该系统中，在数传终端处理器内部时钟晶振的驱动下，数据从数传终端处理器传输到数传加密机进行处理，加密数据经同一时钟驱动进入数传发射机，进行信道编码、调制等处理后对外发送。

3.2.3 同步时钟恢复技术

图3所示为同步时钟恢复数传系统。该系统中，数传终端处理器采集的载荷数据经其内部时钟驱动输出到数传加密机，数传加密机对信号进行加密处理后输出到数传发射机，数传发射机通过时钟恢复电路产生与数传加密机同频、同相（或称固定相位延迟）的时钟，在该时钟驱动下对加密数据进行信道编码、调制等处理后对外发送。

一般情况下，不论采用串行方式还是并行方式传输数据，数传终端处理器与数传加密机的处理时钟是一致或成整数倍频、分频关系的，但有时数传发射机中信道编码所需要的时钟与数传终端处理器、数传加密机的处理时钟不成整数关系，此时就需要采用倍频锁相等办法将从数传终端处理器、数传加密机输入的时钟信号倍频到信道编码时钟的整数倍上再进行处理。例如某卫星型号数传分系统中，数传终端处理器输出时钟为11.625MHz，数传发射机最后输出的数据速率为62Mbps，因此在数传发射机中通过锁相环将11.625MHz的输入时钟倍频到93MHz，再在信道编码芯片内部对时钟进行处理。

3.3 采用異步时钟的高速接口通信技术

采用异步时钟设计方法，星上单机间的数据传输存在一定的延时，需要使用大规模存储器件来保证数据传输的准确性，但是对单机间接口电路、信号传输电缆和速率传输的要求较低。下面将对同步时钟高速接口通信技术的几种方案进行具体描述。

图4所示为采用异步时钟的高速数传系统。该系统中，数传终端处理器采集的数据经内部晶振驱动输出到数传加密机，数传加密机对信号进行加密处理后输出到数传发射机，数传发射机先通过数传加密机的输出时钟将数据保存到存储器件中，再通过内部时钟或其衍生时钟将数据从存储器件中读出（该时钟频率比数传终端处理器的时钟频率高），经信道编码、调制等处理后对外发送。

4 LVDS接口技术

4.1 LVDS接口原理

数传分系统星上单机间高速接口通信技术一般都采用LVDS接口规范进行设计。LVDS（Low Voltage Differential Signaling）是一种低摆幅差分信号传输技术，LVDS发送端采用恒流源驱动信号，接收端输入阻抗较高，通过100Ω的终端电阻对信号进行终结。

4.2 LVDS接口使用注意事项

LVDS接口电路虽然具有很多优点，但是在实际应用中有很多的注意事项，一旦违背，将对系统的性能带来不良的影响。LVDS接口电路使用主要注意事项如下：

4.2.1 阻抗匹配

从LVDS发送端到接受端，中间包括印制板走线、两个接插件和一根差分传输线。LVDS接收端的匹配电路标称值为100Ω，因此，应该选用阻抗为100Ω左右的接插件、差分传输线来进行匹配（在LVDS应用手册中，推荐的匹配阻抗范围为90～130Ω）。從反射观点来看，10%的阻抗失配会产生5%的反射。

某卫星型号地面联试阶段，因星上单机之间使用了50Ω阻抗的差分线进行传输，再加上接插件和差分线的容性阻抗的影响，导致传输信号中FF数据的下降沿后面产生了幅度很高的过冲，产生误码。通过使用120Ω阻抗的差分线缆，问题得以解决。

4.2.2 信号隔离

本文的信号隔离有两层含义，一是指LVDS信号与LVTTL或其它电平信号的隔离，二是指LVDS电路与备份单机的LVDS电路之间的隔离。

在设计印制板时，尽量将LVDS信号与LVTTL信号或其它电平信号分层布局，中间用电源层和接地层进行隔离，防止LVTTL信号或其它电平信号串扰到LVDS信号中，使LVDS信号的跳变沿发生扭曲变形。

数传系统为增加系统的可靠性，需要采用双机备份的方法。LVDS发送端虽然可以通过使能端控制的方法来实现输出信号的切换，但在实际使用中，由于各个单机往往是主备份单机一体的，而且单机之间的LVDS信号传输通常是交叉备份的，很难将两路LVDS输出信号完全隔离。当其中一路LVDS信号串扰到另一个LVDS电路时，若达到一定的门限，另一路LVDS电路就会对干扰信号进行放大，产生误码。最可靠的方法就是LVDS发送端进行双机冷备份，若条件不允许，也必须在热备份的LVDS发送端输入高电平信号。

4.2.3 接地和屏蔽

为限制LVDS信号的地偏移，一定要使用一根地线将LVDS收发系统的地连接到一起。

为提高系统的抗干扰能力，一定要在LVDS收发系统之间使用差分屏蔽电缆，电缆的发端必须接地，收端可悬空或通过阻容耦合接地。

多路并行传输时，为防止LVDS信号相互之间串扰，接插件上同一LVDS信号的正负端应相邻，不同LVDS信号线之间通过地线隔离。

4.2.4 布线规则

LVDS收发芯片与接插件之间的连线尽可能短（小于7mm）；在LVDS收发芯片电源管脚就近使用0.1μF的贴片电容。

5 结语

数传分系统星上单机间高速接口通信的技术很多，也各有优缺点，在实际应用中应结合型号具体情况，综合考虑系统实时性要求、对外信息传输速率、单机重量尺寸、单机功耗、单机信道编码方式等各方面因素，选取最适合的方法来进行星上单机间的高速接口通信。