專利名稱：一種uhf/vhf微小衛(wèi)星地面站軟件tnc的硬件接口裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種UHF/VHF微小衛(wèi)星地面站軟件TNC的硬件接口裝置，是業(yè)余無線電頻率(UHF/VHF)微小衛(wèi)星地面站軟件終端節(jié)點(diǎn)控制器(Terminal Node Controller, TNC)與地面電臺通信的核心硬件接口裝置。該裝置主要應(yīng)用于與業(yè)余無線電衛(wèi)星的數(shù)字通信中，屬于微小衛(wèi)星業(yè)余無線電通信領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
業(yè)余無線電通信衛(wèi)星可為全球業(yè)余無線電用戶提供語音/數(shù)據(jù)通信、科學(xué)研究、技術(shù)驗(yàn)證、航天工程教育培訓(xùn)以及在發(fā)生自然災(zāi)害時用于衛(wèi)星應(yīng)急通信等。從1957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆衛(wèi)星起，世界各國即開始了利用衛(wèi)星進(jìn)行業(yè)余無線電通信的研究，同時開展了業(yè)余無線電通信衛(wèi)星的設(shè)計(jì)與研制工作。1961年由美國業(yè)余無線電組織設(shè)計(jì)、制造的世界上第一顆業(yè)余無線電通信衛(wèi)星“0SCAR-1”發(fā)射成功，標(biāo)志著業(yè)余無線電通信進(jìn)入到空間應(yīng)用時代。業(yè)余無線電通信衛(wèi)星經(jīng)過多年來的不斷改進(jìn)和發(fā)展，已有包括美國、俄羅斯、日本、印度、歐盟等國在內(nèi)的越來越多國家的業(yè)余無線電組織成功地設(shè)計(jì)、制造和發(fā)射了近百顆業(yè)余無線電通信衛(wèi)星。目前正常在軌運(yùn)行的業(yè)余無線電通信衛(wèi)星超過三十顆。從業(yè)余無線電衛(wèi)星的大小上來看，國際上絕大多數(shù)的業(yè)余無線電衛(wèi)星為體積較小的微小衛(wèi)星，甚至是更小的納/皮衛(wèi)星。微/納衛(wèi)星作為當(dāng)今世界空間技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，具有重量輕、體積小、靈活性強(qiáng)、研制周期短、開發(fā)成本低等優(yōu)點(diǎn)。微/納衛(wèi)星地面站主要完成對衛(wèi)星的跟蹤、遙測、遙控任務(wù)，即在衛(wèi)星過頂時，完成遙測信號的接收解調(diào)和遙控指令的調(diào)制上傳。在微/納地面站數(shù)字通信方式上，數(shù)字通信方式因其抗干擾能力強(qiáng)、可通信距離遠(yuǎn)、信號易于調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用在地面站與微小衛(wèi)星的通信之中。業(yè)余無線電頻段數(shù)字通信的調(diào)制方 式主要包括FSK，AFSK, GFSK, BPSK等。同時，為了完成星地可靠的數(shù)據(jù)傳輸，業(yè)余無線電衛(wèi)星數(shù)字通信已廣泛使用了標(biāo)準(zhǔn)化的AX.25協(xié)議。雖然我國業(yè)余無線電通信活動在二十世紀(jì)三十年代就已經(jīng)開始，但是在業(yè)余無線電通信衛(wèi)星領(lǐng)域卻一直處于停滯狀態(tài)。一方面是因?yàn)槲覈嚓P(guān)部門對該領(lǐng)域的技術(shù)研究關(guān)注不夠，另一方面在于該項(xiàng)活動的成本比較高。最近幾年國內(nèi)在業(yè)余無線電衛(wèi)星通信領(lǐng)域，也逐漸取得初步成果，2005年中國東方紅衛(wèi)星公司設(shè)計(jì)、制造并發(fā)射了我國首顆業(yè)余無線電通信衛(wèi)星“希望I號(Hope-Ι)”。在通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)設(shè)施方面，目前國內(nèi)業(yè)余無線電衛(wèi)星地面站主要使用的是硬件TNC。一方面原因是國內(nèi)目前還沒有開展地面站軟件TNC方面的研究，另一方面原因是如使用國際上通用的軟件TNC，國內(nèi)市場上還沒有一款專用硬件接口電路用于支持軟件TNC的使用。終端節(jié)點(diǎn)控制器(TNC)作為連接終端計(jì)算機(jī)和電臺的關(guān)鍵設(shè)備，其主要功能是同步接收由電臺初步解調(diào)后的衛(wèi)星下行鏈路數(shù)據(jù)，經(jīng)拆包處理后再傳送給終端計(jì)算機(jī)做進(jìn)一步的處理，同時接收由終端計(jì)算機(jī)傳送過來的數(shù)據(jù)，經(jīng)打包處理后，同步發(fā)送給電臺進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)制。對比國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)為計(jì)算機(jī)所規(guī)定的開放系統(tǒng)互連參考模型(OSI)的功能定義，TNC主要體現(xiàn)了七層模型中的物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層的功能。傳統(tǒng)硬件TNC由以下幾部分組成:1.主控制器CPU:該部分為TNC的核心部分，通過固化在程序存儲器中的軟件，完成對其他硬件電路的操作和控制，實(shí)現(xiàn)所選協(xié)議體系規(guī)定的全部功能。2.存儲器:包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。程序存儲器組要存儲TNC的全部軟件及系統(tǒng)初始參數(shù)，數(shù)據(jù)存儲器用于存放TNC運(yùn)行狀態(tài)下的所有數(shù)據(jù)，包括由用戶通過命令設(shè)置的系統(tǒng)工作參數(shù)，以及TNC通信時的數(shù)據(jù)。3.通信控制器電路:該電路是TNC復(fù)雜的通信接口中不可缺少的部分。它既可以與計(jì)算機(jī)或終端的RS232串行接口連接，也能滿足網(wǎng)絡(luò)所選協(xié)議體系的幀級結(jié)構(gòu)，如HDLC規(guī)程對數(shù)據(jù)幀格式接口的要求。對于串行接口有限或不具備幀級規(guī)程接口的CPU，通常都是通過該電路實(shí)現(xiàn)與終端或電臺之間數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換和傳遞。4.信道編解碼電路:該電路由通信控制電路發(fā)出的基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，通常采用不歸零碼編碼，以提高信號在無線信道中的抗干擾能力及帶寬利用率。解碼數(shù)據(jù)將收到的不歸零碼恢復(fù)成基帶數(shù)據(jù)，供CPU處 理。5.調(diào)制解調(diào)器電路:通過調(diào)制解調(diào)器電路將經(jīng)信道編碼的數(shù)據(jù)調(diào)制成適合電臺發(fā)送的AFSK (音頻頻移鍵控)信號，或者解調(diào)由電臺收到的AFSK信號。6.接口電路:TNC中的接口電路有兩種，與終端的RS232接口相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換，和與電臺的接口。主要是電臺的收發(fā)數(shù)據(jù)線及電臺的收發(fā)轉(zhuǎn)接控制、靜噪信號檢測等。7.其他外圍電路:該部分電路主要是電源、斷電保護(hù)電路、實(shí)時鐘電路和TNC的工作狀態(tài)指示電路。目前硬件TNC已廣泛應(yīng)用于很多業(yè)余無線電衛(wèi)星的地面站中，例如荷蘭代夫特理工大學(xué)(TUDelft)地面站、東京大學(xué)地面站等，但因其存在硬件成本高，需定期維護(hù)，設(shè)備外部接口無法更改，硬件設(shè)備升級困難及協(xié)議兼容性等問題，嚴(yán)重束縛了終端用戶的應(yīng)用領(lǐng)域。而隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲能力越來越強(qiáng)大，同時終端計(jì)算機(jī)聲卡處理音頻信號功能也日趨完善，終端計(jì)算機(jī)已經(jīng)能完全滿足用戶對音頻信號處理和數(shù)據(jù)存儲的要求。因此，通過硬件軟件化，只需將電臺初步解調(diào)的數(shù)據(jù)傳送給終端計(jì)算機(jī)，并且將終端計(jì)算機(jī)打包的數(shù)據(jù)發(fā)送給電臺，而由終端計(jì)算機(jī)軟件TNC完成原來硬件TNC完成的工作。不僅使操作更加簡單方便，還明顯了降低了成本。但在軟件TNC的使用中，終端計(jì)算機(jī)與電臺無法直接連接，需要設(shè)計(jì)一款數(shù)字信號接口電路以連接終端計(jì)算機(jī)與地面站電臺。本發(fā)明一種UHF/VHF衛(wèi)星地面站軟件TNC的硬件接口裝置即是為解決該問題而設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種UHF/VHF微小衛(wèi)星地面站軟件TNC的核心硬件接口裝置，應(yīng)用于與業(yè)余無線電衛(wèi)星數(shù)字通信。該接口裝置主要由發(fā)送信號電路、接收信號電路、PTT (Push ToTalk)控制電路等組成。它們之間的位置連接關(guān)系:三組電路并聯(lián)設(shè)置，且接地點(diǎn)相互獨(dú)立。所述發(fā)送信號電路為星地上行通信的一部分，用于處理來自終端計(jì)算機(jī)聲卡的基于AX.25協(xié)議的音頻基帶信號，并且將該基帶信號傳送給地面站電臺。在接近電臺端有由IK滑動電位計(jì)和InF電容組成的信號衰減電路，一方面調(diào)節(jié)電位計(jì)可改變來自聲卡端的信號電壓，避免地面站電臺發(fā)送端過載，另一方面具有信號濾波功能。發(fā)送電路在分別與地面電臺和終端計(jì)算機(jī)的連接中使用了 RG174同軸電纜，降低了雜波的干擾。所述接收信號電路用于對由地面電臺初步解調(diào)的基于AX.25協(xié)議的基帶信號進(jìn)行處理，并將基帶信號傳送給終端計(jì)算機(jī)聲卡。地面電臺端回路和終端計(jì)算機(jī)聲卡端回路由1:1 (600歐)音頻變壓器隔開，避免了相互電磁信號的干擾，同時可斷開地面電臺和終端計(jì)算機(jī)聲卡的直接連接。同發(fā)送電路，在靠近終端計(jì)算機(jī)聲卡端有信號衰減電路，同時，可調(diào)節(jié)信號電壓，避免過載損壞聲卡。而且接收信號電路在分別與地面電臺和終端計(jì)算機(jī)的連接中使用了 RG174同軸電纜，降低了雜波的干擾。所述PTT控制電路，用于連接終端計(jì)算機(jī)RS232串口端和地面電臺ACC (13針連接器)的PTT端?？捎绍浖NC發(fā)送指令，通過串口經(jīng)由PTT控制電路傳送給ACC的PTT端，達(dá)到控制信號發(fā)送和接收時序的目的。該電路中使用了 4N33光敏耦合器完成控制信號的傳遞，同時斷開了地面站電臺和終端計(jì)算機(jī)的直接連接，降低了相互間的干擾?？紤]到處于城市中心地帶的地面站，其周邊環(huán)境電磁信號復(fù)雜，不可避免的會使數(shù)字基帶信號在傳輸過程中引入電磁噪聲，為降低電磁噪聲的影響，本發(fā)明采用以下幾個關(guān)鍵技術(shù)降低電磁噪聲的影響:(1)發(fā)送信號電路和接收信號電路并聯(lián)設(shè)置，且單獨(dú)設(shè)置接地端，減小了各回路之間的相互影響。(2)采用RG174同軸電纜，使發(fā)送信號電路和接收信號電路分別與地面站電臺和終端計(jì)算機(jī)聲卡相連接。如附圖2，RG174同軸電纜的中心銅線I和網(wǎng)狀導(dǎo)電層3形成電流回路，在中心銅線和網(wǎng)狀導(dǎo)電層之間有塑料絕緣體2，且最外層有外皮4保護(hù)，屏蔽了外部電磁信號。硬件接口裝置分別與地面站電臺和終端計(jì)算機(jī)相連接的RG174同軸電纜大約I米，電纜損耗為0.0191dB，可見同軸電纜有效減小了信號強(qiáng)度的減弱。(3)在PTT控制電路中采用了光敏耦合器4N33，一方面保證了控制信號的傳輸，另一方面使終端計(jì)算機(jī)串口和電臺ACC端相隔離。(4)在接收和發(fā)送信號電路中，音頻變壓器的使用，保證了終端計(jì)算機(jī)聲卡與地面站電臺的隔離，同時也有利于降低電磁噪聲。優(yōu)點(diǎn)及功效:本發(fā)明一種UHF/VHF衛(wèi)星地面站軟件TNC的核心硬件接口裝置，其優(yōu)點(diǎn)及功效是:以新穎簡化的硬件電路設(shè)計(jì)，完成終端計(jì)算機(jī)聲卡與地面電臺的連接，使軟件TNC真正可以完成硬件TNC的工作，同時使業(yè)余無線電衛(wèi)星數(shù)字通信硬件設(shè)計(jì)更加簡單可靠。另一方面，可明顯降低完成TNC的全部工作所需的成本。目前國內(nèi)基于UHF/VHF衛(wèi)星地面站的數(shù)字通信普遍使用硬件TNC完成數(shù)字通信任務(wù)，尚未有軟件TNC在業(yè)余無線電衛(wèi)星數(shù)字通信中應(yīng)用的報(bào)道。本發(fā)明裝置可用于輔助軟件TNC實(shí)現(xiàn)業(yè)余無線電頻率(UHF/VHF)衛(wèi)星地面站的數(shù)字通信。


圖1為本發(fā)明電路中具體標(biāo)號說明如下:1-接收信號電路
2-發(fā)送信號電路3-PTT控制電路4-地面站電臺5-終端計(jì)算機(jī)6-1K滑動電位計(jì)7-4N33光敏耦合器圖2為RG174同軸電纜截面中具體標(biāo)號說明如下:1-中心銅線2-塑料絕緣體3-網(wǎng)狀導(dǎo)電層4-外皮
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)設(shè)計(jì)做進(jìn)一步的說明。(I)本發(fā)明是一 種UHF/VHF衛(wèi)星地面站軟件TNC核心硬件接口裝置，它由發(fā)送信號電路2、接收信號電路1、PTT控制電路3組成。1，2，3與4，5的連接使用RG174同軸電纜。PTT控制電路用于控制地面電臺4與終端計(jì)算機(jī)5之間的發(fā)送、接收時序。(2)發(fā)送信號電路2用于處理來自終端計(jì)算機(jī)5的基于AX.25協(xié)議的數(shù)字信號，并且將該信號傳送給地面電臺4。在接近終端計(jì)算機(jī)5聲卡端有信號衰減電路，由IK滑動電位計(jì)6和若干電容組成，一方面可降低來自聲卡端的信號電壓，避免地面站電臺4發(fā)送端過載，另一方面具有信號濾波功能。硬件接口電路與地面電臺4和終端計(jì)算機(jī)5的連接中使用了 RG174同軸電纜，可明顯減小信號衰減，降低雜波干擾。(3)接收信號電路I用于對來自地面站電臺4的基于AX.25協(xié)議的基帶信號進(jìn)行處理，并將基帶信號通過終端計(jì)算機(jī)5聲卡傳送到軟件TNC中。地面站電臺4端回路和終端計(jì)算機(jī)5聲卡端回路由1:1音頻變壓器隔開，避免相互干擾，同時可斷開地面站電臺4和終端計(jì)算機(jī)5聲卡的直接連接。(4) PTT控制電路3，連接終端計(jì)算機(jī)5的RS232串口端和地面站電臺4的ACC的PTT端?？捎绍浖NC通過RS232串口經(jīng)由PTT控制電路3控制ACC的PTT端，達(dá)到控制信號發(fā)送和接收時序的目的。PTT控制電路3中使用光敏耦合器7完成控制信號的傳遞。(5 )該UHF/VHF衛(wèi)星地面站軟件TNC核心硬件接口裝置，發(fā)送信號電路2和接收信號電路I的接地端單獨(dú)設(shè)置，無耦合，相互之間信號無干擾。(6)發(fā)送信號電路和接收信號電路使用RG174同軸電纜分別與地面站電臺4和終端計(jì)算機(jī)5聲卡相連接。
權(quán)利要求
1.一種UHF/VHF微小衛(wèi)星地面站軟件TNC的硬件接口裝置，其特征在于:它是由發(fā)送信號電路、接收信號電路、PTT控制電路組成，PTT控制電路用于控制地面站電臺與終端計(jì)算機(jī)之間的發(fā)送、接收時序。
所述發(fā)送信號電路用于處理來自終端計(jì)算機(jī)的基于AX.25協(xié)議的基帶信號，并且將該信號傳送給電臺。在接近終端計(jì)算機(jī)聲卡端有信號衰減電路，一方面可調(diào)節(jié)來自聲卡端的信號電壓，避免電臺發(fā)送端過載，另一方面具有信號濾波功能。電路與電臺和終端計(jì)算機(jī)的連接中使用了 RG174同軸電纜，可降低雜波的干擾。
所述接收信號電路用于對來自地面站電臺的基于AX.25協(xié)議的基帶信號進(jìn)行處理，并將基帶信號通過終端計(jì)算機(jī)聲卡傳送到軟件TNC中。地面站電臺端回路和終端計(jì)算機(jī)聲卡端回路由1:1音頻變壓器隔開，避免相互干擾，斷開地面站電臺和終端計(jì)算機(jī)聲卡的直接連接。
所述PTT控制電路，連接終端計(jì)算機(jī)RS232串口端和地面站電臺ACC的PTT端?？捎绍浖NC通過RS232串口經(jīng)由PTT控制電路控制ACC的PTT端，達(dá)到控制信號發(fā)送和接收時序的目的。電路中使用了光敏耦合器完成控制信號的傳遞。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種UHF/VHF微小衛(wèi)星地面站軟件TNC的硬件接口裝置，發(fā)送信號電路和接收信號電路的接地端單獨(dú)設(shè)置，無耦合，相互之間信號無干擾。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種UHF/VHF衛(wèi)星地面站軟件TNC接口裝置，發(fā)送信號電路和接收信號電路采用電位器調(diào)整電路連接 聲卡端和電臺端的電壓，避免過載。
全文摘要
在業(yè)余無線電衛(wèi)星通信中，UHF/VHF衛(wèi)星地面站使用終端計(jì)算機(jī)內(nèi)置聲卡處理數(shù)字基帶信號，需要使用數(shù)字通信接口裝置來連接終端計(jì)算機(jī)與地面站電臺。所發(fā)明數(shù)字通信接口裝置，由發(fā)送信號電路、接收信號電路、PTT控制電路組成。終端計(jì)算機(jī)通過發(fā)送信號電路將軟件TNC處理好的基于AX.25協(xié)議的基帶信號發(fā)送給地面站電臺。通過接收信號電路將來自地面站電臺的基于AX.25協(xié)議的基帶信號經(jīng)由終端計(jì)算機(jī)聲卡傳送給軟件TNC處理。在發(fā)送和接收信號電路中使用電位器來改變電路中電流、電壓，以適應(yīng)聲卡和電臺對輸入、輸出信號電流或電壓的要求。使用11音頻變壓器隔離終端計(jì)算機(jī)聲卡端和地面站電臺ACC端。PTT控制電路中使用了光敏耦合器，以終端計(jì)算機(jī)RS232串口控制電臺的收發(fā)時序。本發(fā)明在航天領(lǐng)域基于UHF/VHF的衛(wèi)星地面站中具有很大的使用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號H04W92/14GK103220037SQ20131008655
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月19日
發(fā)明者王新升, 張偉, 胡曼, 黨帥, 紀(jì)婷鈺 申請人:北京航空航天大學(xué)