CN107894598B - 一种通用的四通道数字抗干扰基带电路及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通用的四通道数字抗干扰基带电路及实现方法，输入的四通道模拟中频信号转换为数字中频信号，经FPGA抗干扰基带处理电路对四路中频信号处理，上变频后的数字中频信号换为模拟中频信号，实现了模拟中频信号的数字化抗干扰处理；同时，ARM9处理电路应用程序分别读取存储电路SDRAM中四通道下变频数据并进行分析处理，按照相关协议通过接口电路中RS232接口发送到上位机界面显示四通道射频前端状态信息；ARM9处理电路采集电源电流检测电路检测信息，通过设置的故障门限判定抗干扰基带电路工作状态，通过接口电路实现与外部用户直通闭锁和程序在线加载指令的交互。满足了机/弹载卫星抗干扰天线宽压应用范围需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种通用的四通道数字抗干扰基带电路及实现方法，是应用于满足机/弹载北斗卫星抗干扰天线不同平台需求的通用四通道数字抗干扰基带电路。
背景技术
现有的北斗卫星抗干扰天线综合考虑产品体积和成本，一般采用四通道数字抗干扰基带电路，由于不同平台的需求不同导致电路设计种类较多，根据目前产品要求，除了具备A/D、D/A和FPGA抗干扰基带处理等主要功能外，还要具备受控直通闭锁、在线加载、电源电流检测、电源保护等不同功能，由于各产品硬件实现方式不同，有时需要增加额外的微处理器来实现，造成了硬件种类和数量较多，器件选型种类较多等问题。
目前数字抗干扰基带电路在电源供电电路设计方面主要存在直流供电电压范围小，未做电源保护的设计不能满足部分GJB181-1986机载供电特性的要求；在与外部用户交互软件设计中主要采用额外添加一片资源较小的FPGA电路来实现，FPGA硬件描述语言实现接口协议转换软件、与上位机界面通信软件、在线程序加载方面程序可移植性差，实现复杂；在存储电路设计方面主要采用片内FLASH存储软件程序，容量小不能满足大型程序和大量数据存储。为此需要统一各产品对数字抗干扰单元的功能需求，减少元器件种类、硬件数量和种类，提高单ARM9实现上述功能的资源利用率，提高电路稳定性和可靠性。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，本发明提供一种通用的四通道数字抗干扰基带电路。
本发明的目的是实现满足机/弹载卫星抗干扰天线宽压应用范围需求、微处理器采用高级语言实现接口协议转换软件、与上位机界面通信软件和在线程序加载程序设计，程序可移植性好，易于实现和维护；通过为ARM9和FPGA外挂片外大容量FLASH芯片实现大型程序和大量数据的存储，通用的四通道数字抗干扰基带电路在电源电路设计、抗干扰软件硬件需求设计和大量数据实时性处理方面满足了多平台需求，实现了通用化设计。
本发明为实现上述目的，所采用的技术方案是：一种通用的四通道数字抗干扰基带电路，其特征在于：包括DC/DC电源转换电路、电源电流检测电路、电源保护电路、A/D模数转换电路、D/A数模转换电路、时钟分配电路、ARM9处理电路、FPGA抗干扰基带处理电路、时钟和复位电路、存储电路、接口电路；
所述DC/DC电源转换电路分别与电源电流检测电路、电源保护电路、A/D模数转换电路、D/A数模转换电路、时钟分配电路、ARM9处理电路、FPGA抗干扰基带处理电路、时钟和复位电路、存储电路和接口电路连接，所述电源保护电路与电源电流检测电路连接，所述电源电流检测电路与ARM9处理电路连接，所述FPGA抗干扰基带处理电路分别与A/D模数转换电路、时钟分配电路、D/A数模转换电路、存储电路、ARM9处理电路连接，所述时钟分配电路与A/D模数转换电路连接，所述ARM9处理电路分别与时钟和复位电路、存储电路和接口电路连接；
该电路将输入的9V～36V直流电压首先通过电源保护电路对电源部分进行过压和欠压保护，然后通过DC/DC电源转换电路转换成两路+5V电压，一路数字+5V为整个数字抗干扰基带电路供电，另一路模拟+5V电压作为预留电压可以给卫星抗干扰天线模拟部分供电，数字+5V电路经过二次电源变换为四路电压，分别为+3.3V、+1.8V、+1.2V和+1.0V，其中+3.3V为FPGA抗干扰基带处理电路和ARM9处理电路管脚供电电压；+1.8V主要为A/D模数转换电路和FPGA抗干扰基带处理电路供电；+1.2V和+1.0V分别为ARM9处理电路和FPGA抗干扰基带处理电路的核电压供电，对电压精度要求较高；
电源电流检测电路对输入的直流电源进行检测，将检测的信号送给ARM9处理电路进行处理来判断数字抗干扰基带电路工作状态，并通过串口传输给惯导；
卫星抗干扰天线射频部分产生四路46.52±10.23MHz的北斗中频信号通过四路A/D模数转换电路转换成数字信号送给FPGA抗干扰基带处理电路抗干扰处理，抗干扰处理后的数据通过D/A数模转换电路转换为模拟北斗中频信号；
存储电路核心主要包括NANDFLASH、NORFLASH和SDRAM三种存储芯片，其中NANDFLASH与ARM9微处理器相连，它主要存储FPGA抗干扰基带处理电路抗干扰程序，FPGA抗干扰基带处理电路上电就会通过ARM9处理电路boot程序加载程序到FPGA抗干扰基带处理电路开始抗干扰工作；NORFLASH芯片主要用于存放ARM9处理电路应用程序，应用程序主要负责采集处理FPGA抗干扰基带处理电路对四路射频通道的的采样数据、程序在线加载、电源电流检测和对接口部分离散量的控制功能；SDRAM主要存放FPGA抗干扰基带处理电路和ARM9处理电路的数据；
接口电路部分主要包括两路RS232电平串口、两路RS422电平串口、受控离散量、ARM9处理电路JTAG接口和FPGA抗干扰基带处理电路的JTAG下载接口，其中一路RS232串口用于调试和程序在线升级，一路RS232串口用于上报四通道抗干扰基带电路工作状态和与外部用户数据通信，一路RS422串口用于和惯导接口进行交互，一路RS422串口备用；
受控离散量是与ARM9处理电路相连的I/O接口，通过串口接收外部指令来控制离散量实现卫星抗干扰天线直通闭锁功能；两个JTAG接口主要用于程序在线调试。
一种通用四通道数字抗干扰基带电路的实现方法，其特征在于，步骤如下：四通道数字抗干扰基带电路上电后，各电路硬件开始初始化工作，首先ARM9处理电路通过boot加载程序分别读取存储电路中NORFLASH和NANDFLASH的ARM9处理电路应用程序和FPGA抗干扰处理程序的目标代码并加载到ARM9处理电路和FPGA抗干扰基带处理电路中，软件程序开始运行；
输入的四通道模拟中频信号经过A/D模数转换电路采集为四通道数字中频信号，FPGA抗干扰基带处理电路抗干扰软件，对四路中频信号分别进行通道增益一致性影响因素自适应补偿处理、数字下变频处理、低通滤波、权值生成迭代及更新、频域滤波、二次量化和数字上变频处理，上变频后的数字中频信号通过D/A数模转换电路转换为模拟中频信号，实现了模拟中频信号的数字化抗干扰处理；在进行抗干扰处理的同时，ARM9处理电路应用程序分别读取存储电路SDRAM中四通道下变频数据并进行分析处理，按照相关协议通过接口电路中RS232接口发送到上位机界面进行显示，实时显示四通道射频前端状态信息；ARM9处理电路采集电源电流检测电路检测信息，通过设置的故障门限判定抗干扰基带电路工作状态，通过接口电路中RS232接口、RS422接口和I/O口离散量实现与外部用户直通闭锁和程序在线加载指令的交互。
本发明的特点是：DC/DC直流电源转换电路实现了直流9V～36V宽范围电压输入一次电源变换为双路+5V电源，二次电源分别变换为+3.3V、+1.8V、+1.2V和+1.0V，其中+5V电源可分别为抗干扰天线射频部分供电和数字抗干扰单元电路供电，二次电源变换的四种电压可为A/D芯片、D/A芯片、ARM9微处理器和FPGA基带处理器等供电；电源电流检测电路可以通过检测电源电路的电流大小来判断数字抗干扰单元各部分的工作状态，ARM9处理电路及时处理上报单元板故障代码；电源保护电路可实现过压60V保护，反向-40V电压保护和可调整的过压欠压保护范围等功能；ARM9处理电路主要实现抗干扰天线受控直通闭锁对射频电源部分的控制，读取存储电路SDRAM中A/D模数转换电路采集的四路射频数字信号并通过上位机软件界面直观显示，处理电源电流检测信息，FPGA抗干扰程序boot加载和在线程序升级等功能；FPGA抗干扰基带处理电路主要是对四路A/D采集的射频信号进行抗干扰处理，处理后的信号通过D/A数模转换电路转换为模拟中频信号；具有两路RS232串口和两路RS422串口，均具有+15V静电防护功能。
附图说明
图1为发明的电路连接框图；
图2为发明的软件流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种通用的四通道数字抗干扰基带电路，包括DC/DC电源转换电路、电源电流检测电路、电源保护电路、A/D模数转换电路、D/A数模转换电路、时钟分配电路、ARM9处理电路、FPGA抗干扰基带处理电路、时钟和复位电路、存储电路、接口电路。
DC/DC电源转换电路分别与电源电流检测电路、电源保护电路、A/D模数转换电路、D/A数模转换电路、时钟分配电路、ARM9处理电路、FPGA抗干扰基带处理电路、时钟和复位电路、存储电路和接口电路连接，电源保护电路与电源电流检测电路连接，电源电流检测电路与ARM9处理电路连接， FPGA抗干扰基带处理电路分别与A/D模数转换电路、时钟分配电路、D/A数模转换电路、存储电路、ARM9处理电路连接，时钟分配电路与A/D模数转换电路连接，所述ARM9处理电路分别与时钟和复位电路、存储电路和接口电路连接。
该电路将输入的9V～36V直流电压首先通过电源保护电路对电源部分进行过压和欠压保护，然后通过DC/DC电源转换电路转换成两路+5V电压，一路数字+5V为整个数字抗干扰基带电路供电，另一路模拟+5V电压作为预留电压可以给卫星抗干扰天线模拟部分供电，数字+5V电路经过二次电源变换为四路电压，分别为+3.3V、+1.8V、+1.2V和+1.0V，其中+3.3V为FPGA抗干扰基带处理电路和ARM9处理电路管脚供电电压；+1.8V主要为A/D模数转换电路和FPGA抗干扰基带处理电路供电；+1.2V和+1.0V分别为ARM9处理电路和FPGA抗干扰基带处理电路的核电压供电，对电压精度要求较高。
电源电流检测电路对输入的直流电源进行检测，将检测的信号送给ARM9处理电路进行处理来判断数字抗干扰基带电路工作状态，并通过串口传输给惯导。
卫星抗干扰天线射频部分产生四路46.52±10.23MHz的北斗中频信号通过四路A/D模数转换电路转换成数字信号送给FPGA抗干扰基带处理电路抗干扰处理，抗干扰处理后的数据通过D/A数模转换电路转换为模拟北斗中频信号。
存储电路核心主要包括NANDFLASH、NORFLASH和SDRAM三种存储芯片，其中NANDFLASH与ARM9微处理器相连，它主要存储FPGA抗干扰基带处理电路抗干扰程序，FPGA抗干扰基带处理电路上电就会通过ARM9处理电路boot程序加载程序到FPGA抗干扰基带处理电路开始抗干扰工作；NORFLASH芯片主要用于存放ARM9处理电路应用程序，应用程序主要负责采集处理FPGA抗干扰基带处理电路对四路射频通道的的采样数据、程序在线加载、电源电流检测和对接口部分离散量的控制功能；SDRAM主要存放FPGA抗干扰基带处理电路和ARM9处理电路的数据。
接口电路部分主要包括两路RS232电平串口、两路RS422电平串口、受控离散量、ARM9处理电路JTAG接口和FPGA抗干扰基带处理电路的JTAG下载接口，其中一路RS232串口用于调试和程序在线升级，一路RS232串口用于上报四通道抗干扰基带电路工作状态和与外部用户数据通信，一路RS422串口用于和惯导接口进行交互，一路RS422串口备用。
受控离散量是与ARM9处理电路相连的I/O接口，通过串口接收外部指令来控制离散量实现卫星抗干扰天线直通闭锁功能；两个JTAG接口主要用于程序在线调试。
如图2所示，一种通用的四通道数字抗干扰基带电路的实现方法，步骤如下：四通道数字抗干扰基带电路上电后，各电路硬件开始初始化工作，首先ARM9处理电路通过boot加载程序分别读取存储电路中NORFLASH和NANDFLASH的ARM9应用程序和FPGA抗干扰处理程序目标代码并加载到ARM9处理电路和FPGA抗干扰基带处理电路中，软件程序开始运行；
输入四通道模拟中频信号经过A/D模数转换电路采集为四通道数字中频信号，FPGA抗干扰基带处理电路抗干扰软件对四路中频信号分别进行通道增益一致性等影响因素自适应补偿处理、数字下变频处理、低通滤波、权值生成迭代及更新、频域滤波、二次量化和数字上变频处理，上变频后的数字中频信号通过D/A数模转换电路转换为模拟中频信号，实现了模拟中频信号的数字化抗干扰处理；在进行抗干扰处理的同时，ARM9处理电路应用程序分别读取存储电路SDRAM中四通道下变频数据并进行分析处理，按照相关协议通过接口电路中RS232接口发送到上位机界面进行显示，实时显示四通道射频前端状态信息；ARM9处理电路采集电源电流检测电路检测信息，通过设置的故障门限判定抗干扰基带电路工作状态，通过接口电路中RS232接口、RS422接口和I/O口离散量实现与外部直通闭锁和程序在线加载用户指令的交互。
本发明一方面实现了直流9V～36V宽范围电压输入、过压和欠压保护和多种低电压值电源转换电路设计，可以满足机/弹载卫星抗干扰天线宽压输入应用需求和部分GJB181-1986机载供电特性需求；另一方面采用ARM9处理电路替代小资源FPGA电路的电路设计，在与外部用户交互软件设计中采用高级语言实现实现接口协议转换软件、与上位机界面通信软件、在线程序加载、电源电流检测功能和受控直通闭锁功能设计较FPGA硬件描述语言软件实现方面具有程序可移植性好，便于实现和维护的优点；再次通过为ARM9和FPGA外挂片外大容量FLASH芯片实现大型程序和大量数据的存储，实现了FPGA抗干扰程序和ARM9应用程序boot加载模式，满足了大型抗干扰软件大量干扰数据实时性处理方面的需求。
本发明可达到的主要技术指标如下：
| 输入电压： | DC9V～36V； | |
| 输出DC纹波电压： | <5%； | |
| 电流检测能力： | 0～3A； | |
| 功耗： | ≤8W； | |
| 62MHz输入时钟： | 频率准确度：±0.3PPM（常温）； | |
| 时钟误差：（-50～+50）Hz； | ||
| 电平： LVTTL； | ||
| ADC有效位数： | ≥9.5bit； | |
| 噪声系数： | ≤1dB； | |
| 输入/输出中频信号频率： | 46.52±10.23MHz； | |
| 输出中频信号带外抑制： | -3dB 带宽：20.46MHz； | |
| -40dB 带宽：30.69MHz； | ||
| 静电防护： | IEC61000-4-2 level 4： | |
| 15kV (空气放电)； | ||
| 8kV (接触放电)； | ||
| MIL STD 883E-Method 3015-7：class3 | ||
| 25kV HBM (人体模式)； | ||
| 绝缘电阻： | ≥20MΩ； | |
| 无故障运行时间： | ≥50000h； | |
| 环境温度： | －45～+60℃； | |
| 相对湿度： | (95±3)% 温度40℃。 |
Claims (2)
1.一种通用的四通道数字抗干扰基带电路，其特征在于：包括DC/DC电源转换电路、电源电流检测电路、电源保护电路、A/D模数转换电路、D/A数模转换电路、时钟分配电路、ARM9处理电路、FPGA抗干扰基带处理电路、时钟和复位电路、存储电路、接口电路；
所述DC/DC电源转换电路分别与电源电流检测电路、电源保护电路、A/D模数转换电路、D/A数模转换电路、时钟分配电路、ARM9处理电路、FPGA抗干扰基带处理电路、时钟和复位电路、存储电路和接口电路连接，所述电源保护电路与电源电流检测电路连接，所述电源电流检测电路与ARM9处理电路连接，所述FPGA抗干扰基带处理电路分别与A/D模数转换电路、时钟分配电路、D/A数模转换电路、存储电路、ARM9处理电路连接，所述时钟分配电路与A/D模数转换电路连接，所述ARM9处理电路分别与时钟和复位电路、存储电路和接口电路连接；
该电路将输入的9V～36V直流电压首先通过电源保护电路对电源部分进行过压和欠压保护，然后通过DC/DC电源转换电路转换成两路+5V电压，一路数字+5V为整个数字抗干扰基带电路供电，另一路模拟+5V电压作为预留电压给卫星抗干扰天线模拟部分供电，数字+5V电路经过二次电源变换为四路电压，分别为+3.3V、+1.8V、+1.2V和+1.0V，其中+3.3V为FPGA抗干扰基带处理电路和ARM9处理电路管脚供电电压；+1.8V主要为A/D模数转换电路和FPGA抗干扰基带处理电路供电；+1.2V和+1.0V分别为ARM9处理电路和FPGA抗干扰基带处理电路的核电压供电，对电压精度要求较高；
电源电流检测电路对输入的直流电源进行检测，将检测的信号送给ARM9处理电路进行处理来判断数字抗干扰基带电路工作状态，并通过串口传输给惯导；
卫星抗干扰天线射频部分产生四路46.52±10.23MHz的北斗中频信号通过四路A/D模数转换电路转换成数字信号送给FPGA抗干扰基带处理电路抗干扰处理，抗干扰处理后的数据通过D/A数模转换电路转换为模拟北斗中频信号；
存储电路核心主要包括NANDFLASH、NORFLASH和SDRAM三种存储芯片，其中NANDFLASH与ARM9微处理器相连，它主要存储FPGA抗干扰基带处理电路抗干扰程序，FPGA抗干扰基带处理电路上电就会通过ARM9处理电路boot程序加载程序到FPGA抗干扰基带处理电路开始抗干扰工作；NORFLASH芯片主要用于存放ARM9处理电路应用程序，应用程序主要负责采集处理FPGA抗干扰基带处理电路对四路射频通道的采样数据、程序在线加载、电源电流检测和对接口部分离散量的控制功能；SDRAM主要存放FPGA抗干扰基带处理电路和ARM9处理电路的数据；
接口电路部分主要包括两路RS232电平串口、两路RS422电平串口、受控离散量、ARM9处理电路JTAG接口和FPGA抗干扰基带处理电路的JTAG下载接口，其中一路RS232串口用于调试和程序在线升级，一路RS232串口用于上报四通道抗干扰基带电路工作状态和与外部用户数据通信，一路RS422串口用于和惯导接口进行交互，一路RS422串口备用；
受控离散量是与ARM9处理电路相连的I/O接口，通过串口接收外部指令来控制离散量实现卫星抗干扰天线直通闭锁功能；两个JTAG接口主要用于程序在线调试。
2.一种采用权利要求1所述的通用四通道数字抗干扰基带电路的实现方法，其特征在于，步骤如下：四通道数字抗干扰基带电路上电后，各电路硬件开始初始化工作，首先ARM9处理电路通过boot加载程序分别读取存储电路中NORFLASH和NANDFLASH的ARM9处理电路应用程序和FPGA抗干扰处理程序的目标代码并加载到ARM9处理电路和FPGA抗干扰基带处理电路中，软件程序开始运行；
输入的四通道模拟中频信号经过A/D模数转换电路采集为四通道数字中频信号，FPGA抗干扰基带处理电路抗干扰软件，对四路中频信号分别进行通道增益一致性影响因素自适应补偿处理、数字下变频处理、低通滤波、权值生成迭代及更新、频域滤波、二次量化和数字上变频处理，上变频后的数字中频信号通过D/A数模转换电路转换为模拟中频信号，实现了模拟中频信号的数字化抗干扰处理；在进行抗干扰处理的同时，ARM9处理电路应用程序分别读取存储电路SDRAM中四通道下变频数据并进行分析处理，按照相关协议通过接口电路中RS232接口发送到上位机界面进行显示，实时显示四通道射频前端状态信息；ARM9处理电路采集电源电流检测电路检测信息，通过设置的故障门限判定抗干扰基带电路工作状态，通过接口电路中RS232接口、RS422接口和I/O口离散量实现与外部用户直通闭锁和程序在线加载指令的交互。
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- 2017-12-25 CN CN201711418744.5A patent/CN107894598B/zh active Active
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