孟學(xué)軍,何高峰,寇 鵬

（1.西安衛(wèi)星測控中心,陜西 西安 710043;2.國防科技大學(xué),湖南 長沙 410073）

0 引言

在系統(tǒng)衛(wèi)星通信網(wǎng)中,目前各個衛(wèi)星通信地球站中頻信號運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測手段主要是頻譜分析儀,需要人工輸入?yún)?shù),人工記錄鏈路狀態(tài),對站內(nèi)業(yè)務(wù)中頻信號監(jiān)測一遍需要時間長,特別是在多顆衛(wèi)星同時進(jìn)行測控和任務(wù)聯(lián)調(diào)時,無法對每一路衛(wèi)星通信信道的中頻信號進(jìn)行全天候監(jiān)測,也不能對故障隱患實(shí)現(xiàn)診斷告警。監(jiān)測方式反應(yīng)遲緩,故障確認(rèn)及排除效率低,需要盡快建立一套智能化的監(jiān)測手段,以適應(yīng)地球站發(fā)展的需要。中頻信號實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星通信中頻信號頻譜信息的實(shí)時自動監(jiān)測和頻譜特性的精確分析。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由2部分組成:硬件和監(jiān)測計算機(jī),如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

硬件由模擬部分和數(shù)字部分組成。系統(tǒng)硬件通過接入下變頻器輸出支路,計算載波和噪聲電平值。監(jiān)測計算機(jī)通過接口電路接收載波的信號和噪聲電平值,軟件部分采用信號處理技術(shù),近似計算載噪比,測量分析頻譜特性,對載波信號通斷、載波干擾、功率衰減、日凌等提供決策告警,并自動存儲監(jiān)測結(jié)果,實(shí)現(xiàn)對站內(nèi)所有中頻信號載波的實(shí)時自動監(jiān)測。

1.2 系統(tǒng)的功能

系統(tǒng)通過對衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的中頻信號進(jìn)行自動和連續(xù)的測量、統(tǒng)計分析、決策和告警,實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星通信地球站收發(fā)中頻信號載波的實(shí)時監(jiān)測,及時發(fā)現(xiàn)存在的隱患,主要功能有:

①監(jiān)測載噪比:實(shí)時監(jiān)測站內(nèi)所有中頻信號的載噪比以及電平;

②自動告警:對中頻信號載波的有無、載噪比異常進(jìn)行判斷,對異常情況進(jìn)行告警;

③頻譜分析:對設(shè)定的中頻信號載波進(jìn)行掃描并繪制出頻譜圖,顯示其頻譜特性;

④狀態(tài)存儲:對每次監(jiān)測到的中頻信號載波電平和載噪比進(jìn)行對比分析,并記錄結(jié)果;

⑤選擇功能:可以選擇需要監(jiān)測的信號,只對選擇的信號載波進(jìn)行監(jiān)測;

⑥參數(shù)設(shè)置:對要監(jiān)測的中頻信號載波的數(shù)量、參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置,滿足不同用戶需求;

⑦信息查詢和打印:對系統(tǒng)記錄的載噪比、告警記錄等信息進(jìn)行查詢和打印。

1.3 系統(tǒng)的組成

中頻信號實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)主要由信號接收、信號采集和處理、實(shí)時監(jiān)測以及系統(tǒng)管理計算機(jī)等部分組成,如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成框圖

信號接收部分的主要功能就是接收中頻信號。系統(tǒng)只接收從衛(wèi)星下來的信號而不向衛(wèi)星發(fā)射信號,可獨(dú)立連接到任何能接收到衛(wèi)星下行中頻信號的設(shè)備上。

信號采集和處理部分主要由模擬開關(guān)、窄帶濾波器、功率有效值檢測及數(shù)字信號的有源分配器和合成器等硬件系統(tǒng)構(gòu)成。接收到中頻信號后,按程序預(yù)先設(shè)置的衛(wèi)通信道,對指定的中頻信號載波進(jìn)行頻率變換、頻帶選擇和采樣、數(shù)字化濾波,對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,得到反映系統(tǒng)當(dāng)前性能和運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)際參數(shù)值。

實(shí)時監(jiān)測部分按照事先設(shè)定的程序負(fù)責(zé)日常的自動輪詢監(jiān)測。用戶通過計算機(jī)對各部分進(jìn)行管理,使其在指定方式下協(xié)調(diào)一致工作,以完成設(shè)定的任務(wù)。

2 硬件部分的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

中頻信號實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的硬件包括模擬部分和數(shù)字部分。硬件部分的主要任務(wù)是根據(jù)主機(jī)設(shè)置的參數(shù)完成輸入信號的頻率變換、參數(shù)的采樣及數(shù)字化濾波等。

2.1 模擬部分的設(shè)計及實(shí)現(xiàn)

衛(wèi)星地球站調(diào)制解調(diào)的輸出輸入信號是70MHz的中頻信號。為了降低監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路在設(shè)計上的復(fù)雜度,經(jīng)過再次變頻使模擬信號的頻率降為10.7MHz,這樣做不僅是濾波器的需要,而且可以避免頻率過高帶來的鎖相環(huán)電路不能穩(wěn)定工作等問題。

模擬電路接收下變頻器輸出的70MHz±18MHz中頻信號,經(jīng)濾波放大送入混頻器,和頻率合成器產(chǎn)生的另一中頻信號進(jìn)行差頻,得到一固定10.7MHz中頻信號,經(jīng)過兩級窄帶濾波后放大送入功率檢測電路,監(jiān)測得到一個反映原信號功率的直流電壓,然后將該電壓送入數(shù)字部分。

中頻率合成器電路由PLL頻率合成芯片MC145158、前置分頻器MC12018、放大電路和參考晶振組成,頻率合成器根據(jù)被測試頻率,經(jīng)壓控振蕩器后輸出一個相應(yīng)的中頻信號,經(jīng)過調(diào)整后與輸入中頻監(jiān)測信號混頻,產(chǎn)生一個固定的10.7MHz的信號?；祛l電路主要由AD831組成,芯片的工作電壓為+9.5V直流。中頻信號輸入與壓控振蕩器輸入經(jīng)混頻輸出一個差頻信號。調(diào)制功率檢測電路采用AD606芯片作為功率有效值檢測器,輸入信號先經(jīng)過一個帶寬為1.5kHz的帶通濾波器,送入AD606,經(jīng)梯形電阻衰減器進(jìn)行衰減,使衰減值可以連續(xù)準(zhǔn)確變化,衰減值由電壓控制。衰減后的信號送到一個高性能寬帶放大器進(jìn)行放大,再由一個寬帶平方律檢波器檢波,檢波輸出的信號經(jīng)濾波后與另一個平方電路的輸出進(jìn)行比較。2個平方電路的輸出信號差分輸入到高增益誤差放大器后,檢測結(jié)果由D606的VLOG輸出,它是一個直流信號。電壓變換公式為:

式中,Vin為D606芯片的管腳INHI和INLO端電壓差;Vx和Vy為固定值;Vx=0.5V,Vy=37.5mV/dB。

2.2 數(shù)字部分的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

數(shù)字部分將模擬電路部分的功率檢測結(jié)果反饋至監(jiān)測計算機(jī),計算機(jī)獲得反饋結(jié)果后,利用軟件對監(jiān)測的信息實(shí)時輸出;根據(jù)計算機(jī)指令對數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和頻率合成器進(jìn)行初始化配置和編程。數(shù)字部分不僅要處理好與模擬部分的數(shù)據(jù)交換,而且要通過串行口及時將檢測結(jié)果上傳至計算機(jī)。同時要保證本機(jī)初始狀態(tài)的確定性。電路如圖3所示。

圖3 數(shù)字部分的設(shè)計框圖

單片機(jī)主要完成設(shè)備運(yùn)行狀況的檢測,包括電源電壓、頻率合成器狀態(tài)等。通過串口接收主機(jī)輸出的指令和參數(shù),設(shè)置測試載波的頻率范圍,控制信號采樣和功率,并將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和測試的信號電平值輸入主機(jī)?？撮T狗電路的功能是當(dāng)程序發(fā)生故障時能使受控系統(tǒng)重新啟動,增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性;程序寄存器、參數(shù)寄存器是單片機(jī)在編程過程中的程序代碼、變量、預(yù)制狀態(tài)值等的存儲空間。

在實(shí)現(xiàn)過程中,選用80C552單片機(jī)作為主控CPU,完成設(shè)備運(yùn)行狀況的檢測,包括電源電壓、頻率合成器狀態(tài)等。通過串口接收主機(jī)輸出的指令和參數(shù),設(shè)置測試載波的頻率范圍,控制信號采樣和功率,并將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和測試的信號電平值輸入主機(jī)。選用LT1139芯片進(jìn)行信號電平轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)硬件與主機(jī)的通信。

被檢測信號經(jīng)過窄帶濾波器時,由于實(shí)際濾波器特性與理想濾波器特性存在差異,為精確計算被測信號功率值,采用三階切比雪夫濾波器進(jìn)行了修正。

3 軟件部分的設(shè)計

3.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

監(jiān)測軟件主程序采用了C++編寫,頻譜分析外掛程序采用VB編寫,系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫使用SQL SERVER搭建,運(yùn)行在Windows XP環(huán)境下。主程序采用單進(jìn)程多線程設(shè)計模式。

（1）線程設(shè)計

系統(tǒng)線程包括數(shù)據(jù)顯示主線程和串口測試線程。主線程采用MFC的單視圖文檔結(jié)構(gòu)模版搭建,主線流程如圖4所示。

圖4 主線程流程圖

主線程啟動時先檢查有無正在運(yùn)行的監(jiān)測進(jìn)程,如果有,報告后程序退出;如果沒有,則先檢查數(shù)據(jù)庫連接情況,如果數(shù)據(jù)庫已連接,則初始化主窗口界面,界面左下角顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)庫中頻載波參數(shù)表中有記錄的所有方向供用戶選擇,界面當(dāng)前狀態(tài)顯示上次測試的方向。當(dāng)主界面成功初始化后,進(jìn)入窗口測試線程初始化同步串口,成功后將線程掛起,等待用戶開始測試。

串口測試線程用于打開、設(shè)置串口,與監(jiān)測單元交互數(shù)據(jù),接收返回數(shù)據(jù)并處理。主要包括打開并設(shè)置串口函數(shù),用于設(shè)置串口通信速率、奇偶校驗?zāi)Ｊ?、流量控制、?shù)據(jù)位、停止位和超時等參數(shù);寫串口函數(shù),用于將測試數(shù)據(jù)寫入串口緩沖區(qū);循環(huán)發(fā)送函數(shù),用于將主界面上“當(dāng)前狀態(tài)顯示”列表中測試數(shù)據(jù)循環(huán)發(fā)送;接收等待函數(shù),用于等待接收事件觸發(fā)中斷;接收數(shù)據(jù)處理函數(shù),用于將接收到的數(shù)據(jù)處理,判斷是否記錄,判斷是否告警,計算載噪比,將載波狀態(tài)顯示在主界面上;封裝數(shù)據(jù)格式,用于將載波參數(shù)封裝成設(shè)計的數(shù)據(jù)格式。串口收發(fā)采用異步模式,接收數(shù)據(jù)采用中斷觸發(fā)方式。

（2）數(shù)據(jù)格式

系統(tǒng)軟件部分的功能由多個功能單元模塊來實(shí)現(xiàn),各個功能模塊之間有數(shù)據(jù)交換,通過定義內(nèi)部數(shù)據(jù)接口來規(guī)范進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)通信。

3.2 軟件模塊的劃分

監(jiān)測軟件按照功能分為5個模塊:人機(jī)交互模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)處理與存儲模塊、顯示監(jiān)測模塊。

人機(jī)交互模塊負(fù)責(zé)對用戶輸入?yún)?shù)的檢查存儲,將被監(jiān)測信道列出供用戶選擇。使用時只需在“當(dāng)前狀態(tài)顯示”區(qū)點(diǎn)擊“開始測試”按鈕,軟件就能自動發(fā)送測試指令并接收監(jiān)測單元返回的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)庫管理模塊實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中電路參數(shù)表、狀態(tài)記錄表、告警列表的管理。如有告警,立即記錄到告警列表中,同時發(fā)出聲音“XX方向告警”,提示值班人員進(jìn)行處理。

數(shù)據(jù)通信模塊實(shí)現(xiàn)與監(jiān)測單元的通信功能。通過消息機(jī)制將數(shù)據(jù)送往數(shù)據(jù)處理與存儲模塊。先從數(shù)據(jù)處理與存儲模塊中讀取被測量的中頻信號載波的中心頻率和帶寬,啟動串口收發(fā)數(shù)據(jù)線程,將測試數(shù)據(jù)發(fā)往監(jiān)測單元,等待硬件穩(wěn)定后接收其發(fā)回的測試結(jié)果,并傳遞給數(shù)據(jù)處理與存儲模塊,然后循環(huán)執(zhí)行上述過程。

數(shù)據(jù)處理與存儲模塊首先從數(shù)據(jù)庫管理模塊中讀取被監(jiān)測中頻載波的參數(shù),用一個數(shù)組將其存儲,根據(jù)需要進(jìn)行發(fā)送;響應(yīng)數(shù)據(jù)通信模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)接收消息,從數(shù)據(jù)隊列中讀出數(shù)據(jù);將需存盤的數(shù)據(jù)送往數(shù)據(jù)庫管理模塊保存,需要顯示的數(shù)據(jù)利用消息機(jī)制通知顯示監(jiān)測模塊進(jìn)行顯示?？紤]到數(shù)據(jù)庫大小及查詢快慢問題,系統(tǒng)在每月結(jié)束時,自動將本月數(shù)據(jù)導(dǎo)出數(shù)據(jù)庫,并以文本文件形式存儲在data文件夾中,文本文件命名格式為:XXXX年XX月.txt。

顯示監(jiān)測模塊完成監(jiān)測結(jié)果的顯示,包括當(dāng)前電路狀態(tài)顯示、告警列表顯示及告警聲音啟動,提供人機(jī)界面來選擇測試方式,選擇被監(jiān)測電路。

3.3 類的劃分

①外部接口類。外部接口類主要是串口類,用于建立網(wǎng)絡(luò)接口類實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)套接字創(chuàng)建、連接和讀寫操作;建立串口類實(shí)現(xiàn)命名串口的創(chuàng)建、異步讀寫操作;

②數(shù)據(jù)處理類。用于接收數(shù)據(jù)通信部件傳送的內(nèi)部格式數(shù)據(jù),并進(jìn)行處理,需要顯示更新的發(fā)消息通知顯示類,有發(fā)往外部接口的數(shù)據(jù)通信通過數(shù)據(jù)通信部件進(jìn)行發(fā)送;

③顯示類。提供人機(jī)接口界面實(shí)現(xiàn)對觀察項的配置,收到數(shù)據(jù)處理類發(fā)送的顯示更新消息后,從數(shù)據(jù)隊列中提取出數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示;

④數(shù)據(jù)庫類。數(shù)據(jù)庫類的變量建立與數(shù)據(jù)庫字段的捆綁;

⑤數(shù)據(jù)庫窗口。提供對數(shù)據(jù)庫的讀寫、添加刪除操作功能。

4 結(jié)束語

中頻信號實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)完成后,對其性能與在用頻譜儀的測試結(jié)果進(jìn)行了比較,經(jīng)過該系統(tǒng)處理后得到的載波頻譜與頻譜儀測得到的載波頻譜圖形一致,完全滿足實(shí)際工作的需求。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),克服了傳統(tǒng)監(jiān)測手段的局限性,對提高設(shè)備在線維護(hù)能力,快速壓縮、排除設(shè)備故障,提供了可靠的保證。通過衛(wèi)星通信網(wǎng)內(nèi)部多個通信地球站的應(yīng)用,驗證了該系統(tǒng)設(shè)計的合理性和實(shí)用性,不僅可以為值勤人員提供可靠、實(shí)時的載波信息,同時可對載波中斷、星上干擾、日凌和星蝕等情況進(jìn)行及時告警,極大地提高了衛(wèi)星通信電路故障告警和集中監(jiān)測的能力。

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[2]李學(xué)坤.VSAT網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的研制[D].四川大學(xué):Y462703.四川:四川大學(xué),2002:1-3.

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