安 建，王 磊，韓 磊

（北京空間信息傳輸中心，北京 102308）

1 引言

中國天鏈系列中繼衛(wèi)星系統(tǒng)日趨成熟，每年為載人航天等數(shù)十個(gè)型號(hào)的發(fā)射任務(wù)提供天基測控與數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。以載人航天為代表的測控通信應(yīng)用，對(duì)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)與設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性要求極高，對(duì)故障或異常的早期發(fā)現(xiàn)具有重大意義［1］。

傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信信號(hào)異常檢測主要采用頻譜監(jiān)測方式，實(shí)時(shí)分析信號(hào)中心頻率、帶寬、電平等參數(shù)，通過與已有頻譜模版對(duì)比檢測異常信號(hào)，對(duì)于穩(wěn)態(tài)異常檢測效果較好，但對(duì)于瞬時(shí)畸變信號(hào)則難以實(shí)現(xiàn)有效檢測。近年來，深度學(xué)習(xí)技術(shù)迅猛發(fā)展，成為各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，在文字、語音、圖像識(shí)別等領(lǐng)域取得了顯著成果［2-5］。O’Shea 等［6］提出了一種基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Recurrent Neural Network，RNN）模型的異常檢測方法，能有效檢測頻譜中的異常信號(hào)，并在低信噪比條件下仍具有較高的檢測率。Li 等［7］建立了縮放深度學(xué)習(xí)模型來捕捉頻譜使用模式，并將其作為基線來檢測由故障和誤用導(dǎo)致的頻譜使用異常。Rajendran 等［8］基于信號(hào)的功率譜和對(duì)抗自編碼器（Adversarial Autoencoder，AAE），在少量帶標(biāo)簽樣本場景下實(shí)現(xiàn)信號(hào)異常檢測。上述基于深度學(xué)習(xí)的異常檢測方法普遍存在檢測率、實(shí)時(shí)性受限或?qū)﹄姶怒h(huán)境變化敏感等問題，無法滿足天基測控通信中的異常檢測需求。

本文針對(duì)衛(wèi)星地面站鏈路前向信號(hào)發(fā)生瞬時(shí)畸變，頻譜儀等常規(guī)儀器手段難以檢測捕獲，故障定位耗時(shí)費(fèi)力的問題，提出了一種基于多參量觸發(fā)的瞬時(shí)畸變信號(hào)檢測方法。通過對(duì)中頻信號(hào)采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)解調(diào)，根據(jù)解調(diào)過程中對(duì)載波同步、碼元同步等同步信息，以及對(duì)解調(diào)后可視化基帶波形分析、眼圖分析、星座及矢量分析獲取的頻率誤差、相位誤差、幅度誤差等可測參量信息進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)上述實(shí)時(shí)監(jiān)測對(duì)象發(fā)生異常事件或者可測參量超過設(shè)定的門限值時(shí)產(chǎn)生觸發(fā)信息，從而觸發(fā)采集瞬時(shí)畸變信號(hào)。采集的畸變信號(hào)波形片段可支持后續(xù)的深度分析和故障診斷。該方法不需要進(jìn)行大數(shù)據(jù)樣本訓(xùn)練，通過改變信號(hào)波形參數(shù)即可適應(yīng)多種體制信號(hào)的異常檢測和抓取。

2 瞬時(shí)畸變信號(hào)抓取方法

正常衛(wèi)星通信信號(hào)因故發(fā)生畸變時(shí)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的幅度、頻率及相位等要素偏離正常范圍，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致解調(diào)異常、誤碼率增高。多種信號(hào)分析手段可以提取信號(hào)特征參數(shù)，這些特征參數(shù)及解調(diào)同步狀態(tài)能夠作為觸發(fā)參量用于畸變信號(hào)的觸發(fā)抓取，可選用的觸發(fā)參數(shù)類型包括信噪比、誤差矢量幅度（Error Vector Magnitude，EVM）、相關(guān)峰、誤碼率、頻率偏移量、相位偏移量、幅度偏移量、輸入功率、載波同步狀態(tài)、碼元同步狀態(tài)、幀同步狀態(tài)等。根據(jù)監(jiān)測信號(hào)實(shí)際情況，設(shè)定可測量參數(shù)合適的閾值范圍，檢測到信號(hào)超出某一參量的閾值時(shí)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)采集；對(duì)于狀態(tài)參量，如載波同步狀態(tài)、碼元同步狀態(tài)、幀同步狀態(tài)等，可將異常狀態(tài)作為觸發(fā)參量。抓取支持多種觸發(fā)條件，各觸發(fā)條件參數(shù)可獨(dú)立配置，也可支持多種觸發(fā)條件的邏輯組合（各種條件的與、或邏輯組合）。抓取原理如圖1 所示。

圖1 瞬時(shí)畸變信號(hào)抓取原理Fig.1 The principle of instantaneous distortion signal capture

上述觸發(fā)參量的計(jì)算主要依賴對(duì)中頻信號(hào)采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)解調(diào)，為滿足信號(hào)解調(diào)后針對(duì)性分析的功能要求，需要針對(duì)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)采用的二進(jìn)制相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）、正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）等多種調(diào)制體制設(shè)計(jì)專門的軟解調(diào)模塊，完成中頻數(shù)據(jù)的載波恢復(fù)、碼元同步、均衡等操作，同時(shí)還需確保所設(shè)計(jì)的軟解調(diào)算法不會(huì)因?yàn)樽陨淼牟蛔愣绊懼蓄l信號(hào)本身質(zhì)量（星座圖、眼圖、波形圖等）的呈現(xiàn)，如載波恢復(fù)環(huán)路不穩(wěn)造成的頻率及相位波動(dòng)、碼元同步環(huán)路不穩(wěn)造成的碼元時(shí)鐘波動(dòng)等。采用前向軟解調(diào)技術(shù)，對(duì)中頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分段處理，之后依次完成頻差、相差、定時(shí)誤差的識(shí)別與校正，并且各段中頻數(shù)據(jù)處理中的過程數(shù)據(jù)不繼承、不累積，保證各段中頻數(shù)據(jù)處理之間不存在誤差累積及慣性干擾造成的頻率、相位或碼元時(shí)鐘波動(dòng)，從而保證對(duì)中頻信號(hào)的分析與測量結(jié)果的真實(shí)呈現(xiàn)。

對(duì)于非擴(kuò)頻的BPSK、QPSK 等信號(hào)，可以采用通用的解調(diào)處理流程，其難點(diǎn)在于需要適應(yīng)不同的調(diào)制方式和碼速率，處理流程如圖2 所示。

圖2 非擴(kuò)頻信號(hào)解調(diào)處理流程Fig.2 Demodulation processing flow of non-spread spectrum signal

對(duì)于擴(kuò)頻的BPSK、QPSK 等信號(hào)，需要首先實(shí)現(xiàn)載波頻率和偽碼相位的二維捕獲才能做進(jìn)一步的處理，處理流程如圖3 所示。其主要難點(diǎn)在于為降低復(fù)雜度，提高可靠性，對(duì)不同偽碼速率和信息速率采用統(tǒng)一的算法模塊來處理。

圖3 擴(kuò)頻信號(hào)解調(diào)處理流程Fig.3 Demodulation processing flow of spread spectrum signal

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了瞬時(shí)畸變信號(hào)實(shí)時(shí)抓取系統(tǒng)，如圖4 所示。抓取系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、信號(hào)實(shí)時(shí)分析處理、觸發(fā)參數(shù)識(shí)別判決、瞬時(shí)畸變信號(hào)抓取等功能模塊組成。

圖4 瞬時(shí)畸變信號(hào)抓取系統(tǒng)功能組成圖Fig.4 Function composition diagram of instantaneous distortion signal capture system

1）數(shù)據(jù)采集模塊主要對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將采集數(shù)據(jù)分成2 路，一路用于臨時(shí)存儲(chǔ)，一路用于實(shí)時(shí)分析處理。臨時(shí)存儲(chǔ)主要把數(shù)據(jù)暫時(shí)存放在內(nèi)存中，當(dāng)信號(hào)有異常時(shí)，支持對(duì)觸發(fā)時(shí)刻前后一定時(shí)間內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。

2）實(shí)時(shí)分析處理模塊主要通過信號(hào)的實(shí)時(shí)解調(diào)處理，監(jiān)測解調(diào)過程中的載波同步、碼元同步等同步信息，并在解調(diào)后通過可視化基帶波形分析、眼圖分析、星座及矢量分析提取信號(hào)的頻率誤差、相位誤差、幅度誤差等可測參量信息；對(duì)于擴(kuò)頻信號(hào)計(jì)算相關(guān)峰信息，根據(jù)編解碼原理，對(duì)解調(diào)后的數(shù)據(jù)誤碼率進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，獲取信號(hào)的誤碼率；最后，將監(jiān)測結(jié)果實(shí)時(shí)發(fā)送至觸發(fā)參數(shù)超限判決模塊。

3）觸發(fā)參數(shù)超限判決模塊根據(jù)狀態(tài)異常事件或可測參量的門限值，產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)參量組合和可測參量門限值可根據(jù)信號(hào)體制等具體情況進(jìn)行配置。

4）瞬時(shí)畸變信號(hào)抓取模塊接收觸發(fā)信號(hào)，并抓取記錄對(duì)應(yīng)畸變時(shí)刻前后一段時(shí)間內(nèi)的信號(hào)采樣數(shù)據(jù)。

抓取系統(tǒng)具有以下功能：

1）具備衛(wèi)星信號(hào)的采集和回放功能，采樣精度≥14 bit；

2）具備前、返向鏈路信號(hào)軟件解調(diào)、譯碼及幀同步等功能；

3）具備信號(hào)實(shí)時(shí)分析功能，分析方法包括頻譜分析、波形分析、矢量分析、眼圖分析等；

4）支持對(duì)瞬時(shí)畸變信號(hào)的自動(dòng)觸發(fā)抓??；

5）支持多種類型觸發(fā)參數(shù)，觸發(fā)參數(shù)類型包括信噪比、EVM、相關(guān)峰、誤碼率、頻率偏移、相位偏移、幅度偏移、輸入功率、載波同步、碼元同步、幀同步等；

6）支持瞬時(shí)畸變信號(hào)抓取回溯時(shí)間及總時(shí)長按需配置，配置步進(jìn)≤1 ms；

7）具有異常告警功能，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)發(fā)出告警信號(hào)。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

抓取系統(tǒng)采用可靠的工控機(jī)形態(tài)，提升數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)健性，主要完成輸入模擬信號(hào)的模擬濾波、AGC 控制、AD 轉(zhuǎn)換、數(shù)字域下變頻、數(shù)字域降采樣處理，并將獲得的信號(hào)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)字信號(hào)處理，完成數(shù)字域的各類信號(hào)實(shí)時(shí)分析處理操作，如解調(diào)、譯碼、基帶波形分析、眼圖分析、星座及矢量分析、相關(guān)峰計(jì)算、誤碼率統(tǒng)計(jì)等。

抓取系統(tǒng)設(shè)備由結(jié)構(gòu)、硬件電路、固件和主控軟件組成，如圖5 所示。

圖5 瞬時(shí)畸變信號(hào)抓取系統(tǒng)組成框圖Fig.5 Composition diagram of instantaneous distortion signal capture system

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、外部接口等部分，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、散熱等支持。

2）硬件電路子系統(tǒng)。硬件電路子系統(tǒng)包括工控機(jī)CPU 主板、中頻信號(hào)處理板（采集回放功能）、存儲(chǔ)板、NVMe 硬盤等組成，其主要作用是實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)的中頻采集，并將采集信號(hào)高速存儲(chǔ)至本地存儲(chǔ)陣列，可高速讀取本地存儲(chǔ)陣列中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行中頻數(shù)據(jù)回放。

3）固件子系統(tǒng)。固件子系統(tǒng)是指運(yùn)行硬件板卡上的FPGA 數(shù)字芯片上的程序，其主要作用是將采集信號(hào)進(jìn)行格式整理、緩存，將回放信號(hào)進(jìn)行格式解析、輸出，并通過DMA 與主機(jī)進(jìn)行信號(hào)交互。

4）主控軟件子系統(tǒng)。主控軟件系統(tǒng)是指運(yùn)行于VPX 工控機(jī)平臺(tái)的監(jiān)控軟件，是抓取系統(tǒng)設(shè)置管理的應(yīng)用層軟件，人機(jī)交互的窗口，如圖6所示。

瞬時(shí)畸變信號(hào)抓取系統(tǒng)采用2U VPX 系統(tǒng)架構(gòu)，機(jī)箱背板提供4 個(gè)槽位，可插入4 塊標(biāo)準(zhǔn)6U VPX 板卡，其中一個(gè)為主控板（CPU 板）槽位，插一塊工控機(jī)主板。工控機(jī)主板通過交換板與VPX 各槽位板卡進(jìn)行千兆網(wǎng)監(jiān)控信息交互及PCIE 高速數(shù)據(jù)傳輸，并通過DMA 的方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。設(shè)備樣機(jī)如圖7 所示。

圖7 瞬時(shí)畸變信號(hào)抓取系統(tǒng)樣機(jī)Fig.7 Prototype of instantaneous distortion signal capture system

5 系統(tǒng)工作模式

抓取過程主要負(fù)責(zé)提取異常出現(xiàn)時(shí)刻前后一段時(shí)間內(nèi)的時(shí)域信號(hào)。為保證采集到異常發(fā)生時(shí)刻前后的信號(hào)，抓取系統(tǒng)將信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)緩存，在異常觸發(fā)信號(hào)到來時(shí)刻，將緩存的一定時(shí)長的信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，并將觸發(fā)時(shí)刻之后的信號(hào)繼續(xù)存儲(chǔ)一段時(shí)間，觸發(fā)時(shí)刻前后的存儲(chǔ)時(shí)長可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置。

抓取一般工作在自動(dòng)觸發(fā)采集模式，即觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)采集后，可自動(dòng)按設(shè)置的采集時(shí)長參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)。采集支持任意時(shí)刻的手動(dòng)觸發(fā)采集，觸發(fā)信號(hào)生成后，開始存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，直到手動(dòng)停止采集。為便于后續(xù)開展信號(hào)深度分析，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式支持手動(dòng)設(shè)置，可按文件形式存儲(chǔ)，每個(gè)數(shù)據(jù)文件均帶時(shí)間信息（時(shí)碼）；也可按照數(shù)據(jù)流的形式存儲(chǔ)，此時(shí)只存儲(chǔ)數(shù)據(jù)起始時(shí)刻的時(shí)間信息。

在中繼衛(wèi)星地面站上行鏈路中，瞬時(shí)畸變信號(hào)抓取系統(tǒng)可在線監(jiān)測功放、一級(jí)變頻、二級(jí)變頻和數(shù)字基帶4 個(gè)節(jié)點(diǎn)，一旦某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，則觸發(fā)采集4 路節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，如圖8 所示。抓取系統(tǒng)通過監(jiān)控軟件設(shè)置4 路信號(hào)分析參數(shù)及觸發(fā)邏輯，設(shè)置抓取相關(guān)參數(shù)；系統(tǒng)實(shí)時(shí)分析4 路信號(hào)，提取各個(gè)觸發(fā)參量的實(shí)時(shí)數(shù)值和狀態(tài)參量的狀態(tài)信息，系統(tǒng)內(nèi)部的觸發(fā)參數(shù)超限判決根據(jù)設(shè)定的觸發(fā)條件和各路信號(hào)的實(shí)時(shí)分析結(jié)果生成觸發(fā)信號(hào)；抓取模塊根據(jù)觸發(fā)信號(hào)同時(shí)對(duì)4 路信號(hào)按照配置的時(shí)長進(jìn)行抓取，并以文件形式存儲(chǔ)供后續(xù)分析使用。

圖8 地面站前向鏈路監(jiān)測示意圖Fig.8 Schematic diagram of forward link monitoring of ground station

系統(tǒng)支持4 路中頻信號(hào)同時(shí)輸入，可同時(shí)對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，分析路數(shù)可配置。以4 路信號(hào)實(shí)時(shí)分析為例，典型工作流程如圖9所示。

圖9 瞬時(shí)畸變信號(hào)抓取工作流程示意圖Fig.9 Schematic diagram of work flow of instantaneous distortion signal capture

1）通過監(jiān)控軟件設(shè)置4 路信號(hào)分析參數(shù)及觸發(fā)邏輯，設(shè)置抓取相關(guān)參數(shù)；

2）系統(tǒng)實(shí)時(shí)分析4 路信號(hào)，將分析過程的各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)給觸發(fā)參數(shù)超限判決模塊，同時(shí)將分析結(jié)果上報(bào)給監(jiān)控軟件進(jìn)行顯示；

3）觸發(fā)參數(shù)超限判決模塊根據(jù)設(shè)定的觸發(fā)條件和各路信號(hào)的分析結(jié)果生成觸發(fā)信號(hào)；

4）抓取模塊根據(jù)觸發(fā)信號(hào)生成4 路信號(hào)的快照數(shù)據(jù)；

5）4 路抓取信號(hào)數(shù)據(jù)通過PCIe 總線以DMA方式上傳到主控板，由監(jiān)控軟件將信號(hào)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)板中；

6）監(jiān)控軟件生成告警信息和相應(yīng)抓取日志。

6 測試驗(yàn)證

為驗(yàn)證系統(tǒng)有效性，構(gòu)建了測試驗(yàn)證環(huán)境，基于矢量信號(hào)源對(duì)瞬時(shí)畸變信號(hào)抓取系統(tǒng)性能進(jìn)行了測試，測試環(huán)境如圖10 所示。

圖10 瞬時(shí)畸變信號(hào)抓取系統(tǒng)測試環(huán)境結(jié)構(gòu)Fig.10 Structure of test environment for instantaneous distortion signal capture system

矢量信號(hào)源產(chǎn)生一路隨機(jī)突發(fā)中斷的中頻信號(hào)，信號(hào)編碼前信息速率為2 Mbps，編碼方式為卷積（7，1／2），調(diào)制方式為BPSK，中斷時(shí)長3 ～5 ms 不等。矢量信號(hào)源通過分路器將中頻信號(hào)分成4 路，分別連接至瞬時(shí)畸變信號(hào)抓取系統(tǒng)的4 個(gè)中頻采集端口，抓取系統(tǒng)按要求配置4 路中頻采集通道參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測4 路中頻信號(hào)。監(jiān)測到異常發(fā)生時(shí)，觸發(fā)采集4 路異常信號(hào)，并以文件形式存盤。對(duì)測試中抓取的一段異常信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分析，結(jié)果如圖11 所示。

圖11 瞬時(shí)畸變信號(hào)小波分析結(jié)果Fig.11 Wavelet analysis results of instantaneous distortion signal

測試結(jié)果表明本文系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1）抓取精度高，可實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)時(shí)長的瞬時(shí)畸變信號(hào)波形抓??；

2）觸發(fā)精確可控，系統(tǒng)對(duì)于觸發(fā)參量響應(yīng)靈敏，如通過判斷誤碼率是否超限來產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)長度一定的情況下誤碼門限逐比特可調(diào)；

3）支持連續(xù)觸發(fā)抓捕，系統(tǒng)依據(jù)觸發(fā)條件，可完成所有異常時(shí)刻信號(hào)的自動(dòng)觸發(fā)和抓取。

7 結(jié)論

本文研究基于多參量觸發(fā)的瞬時(shí)畸變信號(hào)時(shí)域波形抓取方法，突破了常規(guī)手段捕獲瞬時(shí)畸變信號(hào)難題，實(shí)現(xiàn)了極低概率、毫秒級(jí)時(shí)長畸變信號(hào)的精確抓取，為衛(wèi)星通信鏈路載波信號(hào)的瞬時(shí)健康監(jiān)測提供了手段。

采集的畸變信號(hào)波形片段可用于開展深度分析和系統(tǒng)故障診斷，對(duì)于盡早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)及設(shè)備存在的故障隱患具有一定應(yīng)用價(jià)值。