方 科
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所,四川 成都 610036)
隨著高速通信技術(shù)的發(fā)展和衛(wèi)星平臺(tái)搭載能力的提升,星地間的傳輸速率越來(lái)越高,已從數(shù)百兆數(shù)量級(jí)提升到吉比特量級(jí)。同時(shí),為了能適應(yīng)不同衛(wèi)星所需的通信速率、調(diào)制模式以及編碼方式,高速通信系統(tǒng)功能越來(lái)越復(fù)雜。高速率、多體制、多模式的發(fā)展趨勢(shì),導(dǎo)致在星地高速通信系統(tǒng)的研制過(guò)程中日常維護(hù)和測(cè)試工作量巨大。從國(guó)外星地高速通信系統(tǒng)的發(fā)展來(lái)看,在功能、指標(biāo)發(fā)展的同時(shí),星地高速通信系統(tǒng)的在線測(cè)試分析功能越來(lái)越完善。因此,研制高效實(shí)時(shí)在線測(cè)試系統(tǒng)對(duì)星地高速通信系統(tǒng)的研制和未來(lái)的使用維護(hù)具有重要意義。
星地高速通信系統(tǒng)借鑒商用貨架產(chǎn)品(Commercial Off-The-Shelf,COTS)整機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù),基于PCIExpress 標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建。產(chǎn)品平臺(tái)可分為結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)、硬件電路子系統(tǒng)、算法固件子系統(tǒng)和應(yīng)用軟件子系統(tǒng)4 個(gè)子系統(tǒng),如圖1 所示。
圖1 星地高速通信系統(tǒng)組成
1.1.1 結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)
結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)包括一體化機(jī)箱、電源、內(nèi)部電纜、風(fēng)扇以及外部接口等,主要作用是為硬件電路板卡提供必要的結(jié)構(gòu)空間、供電以及散熱等支持。
1.1.2 硬件子系統(tǒng)
硬件子系統(tǒng)包括主板、高速背板、調(diào)制板、解調(diào)板、譯碼板以及高速存儲(chǔ)硬盤(pán)陣列等組成,主要作用是為高碼率通信調(diào)制和解調(diào)提供硬件支持。
1.1.3 固件子系統(tǒng)
固件子系統(tǒng)是指運(yùn)行硬件板卡上的調(diào)制、解調(diào)以及信道編譯碼等算法模塊。
1.1.4 應(yīng)用軟件子系統(tǒng)
應(yīng)用軟件系統(tǒng)是指運(yùn)行于產(chǎn)品的監(jiān)控軟件,是用戶進(jìn)行參數(shù)設(shè)置的應(yīng)用層軟件。
星地高速通信系統(tǒng)的主要功能是完成寬帶高速通信信號(hào)的解調(diào)、譯碼并記錄,同時(shí)配置模擬調(diào)制功能,實(shí)現(xiàn)高速通信信號(hào)的模擬用于系統(tǒng)自測(cè)。整體的技術(shù)原理如圖2 所示。
圖2 技術(shù)原理
星地高速通信系統(tǒng)的功能和性能指標(biāo)可以分為調(diào)制、解調(diào)、譯碼及數(shù)據(jù)處理3 大部分,主要指標(biāo)體系如表1 所示。
從表1 的技術(shù)指標(biāo)體系中可以看出,星地高速通信系統(tǒng)的測(cè)試項(xiàng)目及相應(yīng)的主要測(cè)試儀器分為中頻測(cè)試、信號(hào)質(zhì)量測(cè)試和誤碼率測(cè)試。
中頻測(cè)試的主要測(cè)試內(nèi)容為輸出雜散、輸出電平、相位噪聲、載波通斷、輸出頻率準(zhǔn)確度、輸入電平范圍以及載波捕獲范圍等[1]。測(cè)試使用的主要儀器為頻譜儀。
信號(hào)質(zhì)量測(cè)試的主要測(cè)試內(nèi)容為誤差向量幅度(Error Vector Magnitude,EVM)測(cè)試和IQ 幅相不平衡測(cè)試等。測(cè)試使用的主要儀器為矢量信號(hào)分析儀[2]。
誤碼率測(cè)試的主要測(cè)試內(nèi)容為中頻閉環(huán)誤碼率指標(biāo)和誤碼率曲線等。測(cè)試使用的主要儀器為高速誤碼分析儀。
因此,傳統(tǒng)的測(cè)試都是基于寬帶任意波形發(fā)生器、寬帶噪聲源、頻譜儀、寬帶矢量信號(hào)分析儀和誤碼測(cè)試儀,通用儀器來(lái)搭建高速通信系統(tǒng)調(diào)試測(cè)試系統(tǒng),如圖3 所示。
圖3 傳統(tǒng)星地高速通信系統(tǒng)測(cè)試原理
由于涉及的儀器類(lèi)型較多,儀器系統(tǒng)的聯(lián)接、參數(shù)設(shè)置與測(cè)試結(jié)果讀取等過(guò)程相對(duì)復(fù)雜,因此外場(chǎng)試驗(yàn)等條件場(chǎng)地受限。此種測(cè)試方法無(wú)法滿足日常調(diào)試測(cè)試中方便、快捷、高效的要求,不利于外場(chǎng)條件下的問(wèn)題故障診斷測(cè)試和使用維護(hù)[3]。以誤碼率測(cè)試為例,需要用寬帶任意波形發(fā)生器產(chǎn)生寬帶復(fù)雜的調(diào)制信號(hào)作為被測(cè)系統(tǒng)的寬帶激勵(lì)源。寬帶噪聲源則產(chǎn)生寬帶白高斯噪聲。噪聲與信號(hào)合成后輸入到被測(cè)的高速通信系統(tǒng),被測(cè)高速通信系統(tǒng)解調(diào)處理后的數(shù)據(jù)輸入到高速誤碼分析儀進(jìn)行誤碼分析。因此,利用高速通信軟硬件數(shù)據(jù)交互技術(shù),設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)在線測(cè)試系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品研發(fā)調(diào)試效率具有重要的作用[4]。
根據(jù)高速通信的日常調(diào)試和測(cè)試需求,在線測(cè)試系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)以下功能:
(1)速率、調(diào)制、編碼方式等系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置,功能實(shí)時(shí)加載等;
(2)載波、位同步、幀同步等實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控與顯示;
(3)實(shí)時(shí)誤碼測(cè)試和事后誤碼率、丟幀統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè);
(4)信號(hào)時(shí)域、頻域、矢量星座圖等在線分析監(jiān)測(cè);
(5)數(shù)據(jù)時(shí)延抖動(dòng)統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)。
在高速通信在線測(cè)試系統(tǒng)中,主要包括參數(shù)實(shí)時(shí)配置和在線測(cè)試兩部分。實(shí)時(shí)配置及在線測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。
圖4 實(shí)時(shí)配置及在線測(cè)試系統(tǒng)組成
實(shí)時(shí)配置用來(lái)設(shè)置高速通信的各類(lèi)參數(shù),主要對(duì)應(yīng)有調(diào)制、解調(diào)、譯碼等參數(shù)設(shè)置模塊。在線測(cè)試用來(lái)監(jiān)控高速通信的工作狀態(tài)以及對(duì)關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試分析,主要對(duì)應(yīng)有全局解調(diào)狀態(tài)顯示模塊和信號(hào)分析數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)誤碼率測(cè)試以及事后誤碼率測(cè)試等性能分析模塊。這些功能需要軟件程序和硬件程序互相配合來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前主要有兩類(lèi)數(shù)據(jù)需要由硬件上傳。一類(lèi)是各種狀態(tài)信息,主要是用來(lái)監(jiān)測(cè)解調(diào)譯碼信號(hào)處理算法工作時(shí)各個(gè)環(huán)節(jié)的工作狀態(tài),如載波、位同步的鎖定指示,由于數(shù)據(jù)較少,采用突發(fā)模式上傳,另一類(lèi)是連續(xù)的解調(diào)數(shù)據(jù)和星座圖數(shù)據(jù)。此類(lèi)數(shù)據(jù)由于數(shù)量較大且連續(xù)不斷,因此其測(cè)試對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的性能要求很高[5]。
實(shí)時(shí)配置與全局狀態(tài)功能主要完成對(duì)星地高速通信系統(tǒng)的參數(shù)狀態(tài)監(jiān)視和參數(shù)控制功能。監(jiān)視功能是實(shí)時(shí)顯示高速通信的當(dāng)前參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)等。若系統(tǒng)出現(xiàn)故障,可及時(shí)監(jiān)測(cè)到??刂乒δ苁窃O(shè)置系統(tǒng)的可控參數(shù),要求嚴(yán)格檢查參數(shù)的有效性,確認(rèn)后才控制到系統(tǒng)。此外,界面上要給用戶提示參數(shù)的有效范圍。實(shí)時(shí)配置與全局狀態(tài)如圖5 所示。
在線測(cè)試主要包括信號(hào)分析、實(shí)時(shí)誤碼率測(cè)試以及事后誤碼率測(cè)試等測(cè)試分析功能。
信號(hào)分析是接收系統(tǒng)硬件采集上報(bào)的信號(hào)分析數(shù)據(jù),主要包括時(shí)域波形分析、頻譜分析和星座圖。
(1)時(shí)域波形分析。采用圖形界面顯示采集的數(shù)據(jù),即波形。波形顯示方式可以是折線,或者經(jīng)LPF 重構(gòu)顯示為平滑曲線。
(2)頻譜分析。對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析,仿照Agilent 頻譜儀顯示頻譜,可以調(diào)節(jié)RBW 和VBW 等顯示參數(shù),如圖6 所示。
圖5 實(shí)時(shí)配置與全局狀態(tài)界面
圖6 頻譜分析
(3)星座圖。對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件解調(diào),根據(jù)獲得的定時(shí)信息和同步數(shù)據(jù),在星座圖上顯示I和Q 基帶信號(hào)。對(duì)IQ 基帶信號(hào)進(jìn)行矢量統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算,可獲得包括Eb/N0、幅度誤差、相位誤差以及均衡質(zhì)量等調(diào)制質(zhì)量測(cè)試數(shù)據(jù),如圖7 所示。
實(shí)時(shí)誤碼率測(cè)試是在閉環(huán)測(cè)試或任務(wù)時(shí)統(tǒng)計(jì)解調(diào)數(shù)據(jù)誤碼率,用以評(píng)估星地高速通信系統(tǒng)的能力。高速通信在解調(diào)信號(hào)處理流程中設(shè)計(jì)了多處實(shí)時(shí)誤碼檢測(cè)與統(tǒng)計(jì),如幀頭誤碼率測(cè)試和解調(diào)數(shù)據(jù)誤碼率測(cè)試,分別如圖8 和圖9 所示。
圖7 星座圖
圖8 幀頭誤碼率測(cè)試
事后數(shù)據(jù)誤碼測(cè)試是用于對(duì)記錄存盤(pán)的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤碼率和丟幀測(cè)試,如圖10 所示。選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件,再設(shè)置幀長(zhǎng)、幀頭、時(shí)碼區(qū)間以及誤碼比對(duì)區(qū)間等信息。在線測(cè)試軟件可以從文件中讀取數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)幀,實(shí)時(shí)與已記錄的解調(diào)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)做誤碼率和丟幀測(cè)試。丟幀統(tǒng)計(jì)的原理是根據(jù)記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間碼區(qū),計(jì)算接收數(shù)據(jù)幀的連續(xù)性。不連續(xù)則認(rèn)為丟幀,并累計(jì)總幀數(shù)和丟幀數(shù)。
圖9 解調(diào)數(shù)據(jù)誤碼率測(cè)試
圖10 事后誤碼率測(cè)試
本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的吉比特衛(wèi)星高速通信實(shí)時(shí)在線測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于某型號(hào)星地高速通信系統(tǒng)的日常調(diào)試和測(cè)試。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試,系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。實(shí)踐證明,該系統(tǒng)能顯著提升高速通信系統(tǒng)研制及使用維護(hù)的便捷性和測(cè)試實(shí)時(shí)性,具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。