一種大容量和帶時(shí)戳的無線數(shù)據(jù)傳輸采集系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種大容量和帶時(shí)戳的無線數(shù)據(jù)傳輸采集系統(tǒng)，屬于時(shí)間同步及數(shù)據(jù) 采集技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 脈沖星探測(cè)作為未來發(fā)展的關(guān)鍵航天技術(shù)，需要進(jìn)行大量地面試驗(yàn)驗(yàn)證和在軌飛 行試驗(yàn)，因此，在研制地面試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)中，需要開展X射線脈沖星光子到達(dá)時(shí)間測(cè)量的技 術(shù)研究。目前的現(xiàn)有技術(shù)有以下幾種：
[0003] 1、美國馬里蘭大學(xué)Sheikh等人發(fā)明了一種通過探測(cè)脈沖星輻射信號(hào)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的 系統(tǒng)和方法(United States Patent 7197381)，發(fā)明中提出精確測(cè)量脈沖信號(hào)到達(dá)時(shí)間， 然后與標(biāo)準(zhǔn)脈沖輪廓模板比對(duì)，從而得出位置速度信息，但是該發(fā)明中所提到的敏感器裝 置未說明如何實(shí)現(xiàn)信號(hào)到達(dá)時(shí)間的精確測(cè)量方式方法。
[0004] 2、中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心李保權(quán)等人發(fā)明了一種脈沖星導(dǎo)航X射線 計(jì)時(shí)探測(cè)器(CN201410136387.3)，發(fā)明中考慮了將X射線光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并加上時(shí)間 標(biāo)記，但該發(fā)明尚有以下不足：
[0005] (1)沒有實(shí)現(xiàn)I Ons級(jí)的精確時(shí)間同步以及原子鐘時(shí)間維持功能
[0006] (2)沒有實(shí)現(xiàn)針對(duì)脈沖星信號(hào)特征的降噪處理功能
[0007] (3)沒有提及多通道信號(hào)同時(shí)采集功能
[0008] (4)沒有高速采集數(shù)據(jù)的大容量乒乓存儲(chǔ)功能
[0009 ] (5)沒有實(shí)現(xiàn)短時(shí)超過IGbps的高速數(shù)據(jù)的無線傳輸功能
[0010] 3、西安電子科技大學(xué)李小平等人發(fā)明了"具有高時(shí)頻穩(wěn)定度的X射線脈沖星光子 信號(hào)地面模擬系統(tǒng)"（CN201210245565.7)，該發(fā)明提及通過電子讀出電路標(biāo)定以實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí) 觀測(cè)和微弱信號(hào)處理。但也未提及上述5條。
[0011] 4、西安交通大學(xué)徐文權(quán)等人發(fā)明了 一種脈沖星頻率信號(hào)模擬器 (CN201210243095.0 )，該發(fā)明考慮了 GPS授時(shí)模塊，GPS授時(shí)模塊輸出的秒脈沖IPPS可以同 步隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器的秒脈沖1PPS，實(shí)際上，隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器不具備長時(shí)間時(shí)鐘精確維持的 功能，一旦沒有GPS信號(hào)將造成時(shí)鐘漂移過大。西安交通大學(xué)孫劍等人發(fā)明了一種基于脈沖 星的時(shí)間同步裝置(CN201210243058.X)，考慮了銣原子鐘的信號(hào)作為時(shí)間基準(zhǔn)用于時(shí)間間 隔測(cè)量，卻沒考慮銣原子鐘本身也存在漂移，需要GPS或者BD等時(shí)統(tǒng)基準(zhǔn)源進(jìn)行定期校準(zhǔn)和 朔源。
[0012] 5、天津航天機(jī)電設(shè)備研究所李振新等人發(fā)明了 "一種X射線脈沖星地面捕獲跟蹤 演示系統(tǒng)"（CN201320618436.8)，該發(fā)明考慮了包括綜合控制單元、演示單元、移動(dòng)平臺(tái)、探 測(cè)器軌道、光源、光源軌道、模擬探測(cè)器、模擬地球、無線傳輸模塊和系統(tǒng)電源的演示系統(tǒng)， 針對(duì)移動(dòng)平臺(tái)和探測(cè)器軌道之間的旋轉(zhuǎn)過程中線纜會(huì)造成纏繞設(shè)計(jì)了無線傳輸模塊，但該 發(fā)明僅從X射線脈沖星信號(hào)采集真實(shí)過程可視化的效果出發(fā)，沒有提及數(shù)據(jù)采集速率以及 無線傳輸機(jī)制，由于脈沖到達(dá)時(shí)間數(shù)據(jù)隨光子流量而定，時(shí)而密集，時(shí)而稀疏，當(dāng)數(shù)據(jù)密集 時(shí)數(shù)據(jù)容量大，而目前以太網(wǎng)傳輸有IG bps瓶頸限制，必然導(dǎo)致數(shù)據(jù)堵塞和丟包，只有通過 FPGA內(nèi)部高頻大容量總線(64位~1024位的AXI片內(nèi)總線)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絉AM中進(jìn)行緩存，在 這一過程中，還需要采用降噪算法過濾無效數(shù)據(jù)。
[0013] 6、同時(shí)，現(xiàn)有的關(guān)于脈沖星仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，"X射線脈沖星導(dǎo)航半物理仿真系統(tǒng)" (CN20 1 0 10022035 . 7 )。"一種X射線脈沖星探測(cè)器等效器的航天器導(dǎo)航系統(tǒng)" (CN20 10 100 220 35.7)，"基于半導(dǎo)體激光器的X射線脈沖星導(dǎo)航嵌入式模擬系統(tǒng)" (CN20091 0023357 .0 )和"一種用于X射線脈沖星導(dǎo)航的地面模擬方案及裝置" (CN201010140837.8)都欠缺光脈沖信號(hào)采集，不能實(shí)現(xiàn)物理仿真。另外，迄今為止，國內(nèi)尚 未有脈沖星探測(cè)衛(wèi)星上天發(fā)射，更沒有考慮衛(wèi)星編隊(duì)飛行的無線數(shù)據(jù)傳輸，因此，本發(fā)明克 服了以上不足，可以實(shí)現(xiàn)在地面對(duì)脈沖星導(dǎo)航諸多關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)測(cè)試驗(yàn)證以及未來星 載X射線探測(cè)器的大容量高精度時(shí)間戳數(shù)據(jù)采集和無線傳輸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種衛(wèi)星數(shù)字接口拉偏 驗(yàn)證系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高軌通信衛(wèi)星數(shù)字接口的容差測(cè)試，增強(qiáng)測(cè)試的全面性和準(zhǔn)確性。本發(fā)明 從實(shí)際工程應(yīng)用角度，提出一種新型大容量、帶時(shí)戳的無線傳輸數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)計(jì)方案，以 滿足利用X射線脈沖星自主導(dǎo)航的地面試驗(yàn)驗(yàn)證和未來空間X射線探測(cè)器的應(yīng)用需求。
[0015] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：
[0016] -種大容量和帶時(shí)戳的無線數(shù)據(jù)傳輸采集系統(tǒng)包括:時(shí)鐘基準(zhǔn)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集 子系統(tǒng)和信號(hào)處理子系統(tǒng)；
[0017] 時(shí)鐘基準(zhǔn)子系統(tǒng)，向信號(hào)處理子系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn)頻率信號(hào);所述時(shí)間基準(zhǔn)頻率 信號(hào)包括晶振信號(hào)、原子鐘信號(hào)和利用GPS或BD時(shí)鐘源校準(zhǔn)后的原子鐘信號(hào)；
[0018] 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，對(duì)多路光脈沖信號(hào)進(jìn)行低通濾波后，根據(jù)信號(hào)處理子系統(tǒng)發(fā)送 的時(shí)序控制邏輯以IGhZ的采樣速率對(duì)濾波后的多路光脈沖信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，輸出到信號(hào) 處理子系統(tǒng)；
[0019] 信號(hào)處理子系統(tǒng)，將時(shí)間基準(zhǔn)頻率信號(hào)進(jìn)行倍頻處理作為信號(hào)處理子系統(tǒng)的基準(zhǔn) 時(shí)鐘，并根據(jù)基準(zhǔn)時(shí)鐘對(duì)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)輸出的光脈沖采集信號(hào)，進(jìn)行打時(shí)戳標(biāo)記，然后將 打時(shí)戳標(biāo)記完的數(shù)據(jù)按照一定協(xié)議進(jìn)行乒乓存儲(chǔ)，最終通過無線傳輸?shù)姆绞綄⒋鎯?chǔ)的數(shù)據(jù) 發(fā)送至用戶終端;信號(hào)處理子系統(tǒng)，根據(jù)基準(zhǔn)時(shí)鐘，產(chǎn)生時(shí)序控制邏輯并發(fā)送到數(shù)據(jù)采集子 系統(tǒng)。
[0020] 時(shí)鐘基準(zhǔn)子系統(tǒng)包括原子鐘、標(biāo)準(zhǔn)源、鑒相器、VCO(壓控振蕩器）、DDS(直接數(shù)字頻 率合成器）、原子鐘控制模塊；
[0021 ]時(shí)鐘基準(zhǔn)子系統(tǒng)，向信號(hào)處理子系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn)頻率信號(hào);所述時(shí)間基準(zhǔn)頻率 信號(hào)包括晶振信號(hào)、原子鐘信號(hào)和利用GPS和BD時(shí)鐘源校準(zhǔn)后的原子鐘信號(hào)；
[0022]原子鐘，提供銣鐘或者銫鐘信號(hào)到壓控振蕩器和鑒相器，并接收原子鐘控制模塊 反饋的控制信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)整；
[0023]標(biāo)準(zhǔn)源，提供GPS或BD時(shí)鐘源頻率信號(hào)到鑒相器；
[0024]鑒相器，對(duì)銣鐘或者銫鐘信號(hào)與GPS或BD時(shí)鐘源頻率信號(hào)進(jìn)行鑒相比較，輸出相位 信號(hào)到原子鐘控制模塊；
[0025] 原子鐘控制模塊，根據(jù)相位信號(hào)及其變化率進(jìn)行PD控制，輸出頻率調(diào)整信號(hào)到原 子鐘；
[0026] VCO，將銣鐘或者銫鐘信號(hào)作為參考源信號(hào)，輸出頻率信號(hào)到DDS;
[0027] DDS，對(duì)VCO輸出的頻率信號(hào)進(jìn)行數(shù)字合成，輸出時(shí)間基準(zhǔn)頻率信號(hào)。
[0028] 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括ADC采樣模塊、低通濾波阻容網(wǎng)絡(luò)和多通道數(shù)據(jù)切換開關(guān)；
[0029] 低通濾波阻容網(wǎng)絡(luò)，對(duì)多路光脈沖信號(hào)進(jìn)行低通濾波，并將濾波后的信號(hào)輸出到 ADC采樣模塊，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)50歐輸入阻抗和IOM歐輸入阻抗的信號(hào)切換；
[0030] 多通道數(shù)據(jù)切換開關(guān)，根據(jù)信號(hào)處理子系統(tǒng)發(fā)送的時(shí)序控制邏輯，在多路光脈沖 信號(hào)中選擇需要采集的光脈沖信號(hào)(可以是多路也可以是任意一路），用于ADC采樣模塊采 集；
[0031] ADC采樣模塊，根據(jù)信號(hào)處理子系統(tǒng)發(fā)送的時(shí)序控制邏輯以IGhz的采樣速率，對(duì)濾 波后的多通道數(shù)據(jù)切換開關(guān)選擇的光脈沖信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并輸出到信號(hào)處理子系統(tǒng)。 [0032]信號(hào)處理子系統(tǒng)包括FPGA模塊和無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，其中FPGA模塊又包括倍頻模塊、 數(shù)據(jù)標(biāo)記模塊、濾波模塊、乒乓控制模塊、第一片內(nèi)RAM、第二片內(nèi)RAM、片外RAM和CPU核，如 圖3所示；
[0033]信號(hào)處理子系統(tǒng)，將時(shí)間基準(zhǔn)頻率信號(hào)進(jìn)行倍頻處理作為信號(hào)處理子系統(tǒng)的基準(zhǔn) 時(shí)鐘，并根據(jù)基準(zhǔn)時(shí)鐘對(duì)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)輸出的光脈沖采集信號(hào)，進(jìn)行打時(shí)戳標(biāo)記，并進(jìn)行 FIR濾波或小波變換處理，然后將濾波后的數(shù)據(jù)按照一定協(xié)議進(jìn)行乒乓存儲(chǔ)，最終通過無線 傳輸?shù)姆绞綄⒋鎯?chǔ)的數(shù)據(jù)發(fā)送至用戶終端;信號(hào)處理子系統(tǒng)，根據(jù)基準(zhǔn)時(shí)鐘，產(chǎn)生時(shí)序控制 邏輯并發(fā)送到數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。
[0034]倍頻模塊，將時(shí)間基準(zhǔn)頻率信號(hào)倍頻到1GHz，作為信號(hào)處理子系統(tǒng)的基準(zhǔn)時(shí)鐘；
[0035]