摘 要： 主要對通用化遙測前端設(shè)備的組成、功能及性能指標(biāo)進(jìn)行了描述，并對通用化遙測前端設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)途徑進(jìn)行了重點(diǎn)論述,。
關(guān)鍵詞： 遙測前端設(shè)備 遙測信號模擬" title="信號模擬">信號模擬源 遙測信號" title="遙測信號">遙測信號匹配器 遙測信號解調(diào)器" title="信號解調(diào)器">信號解調(diào)器 副載波(PSK)信號
遙測前端設(shè)備是地面綜合測試系統(tǒng)與衛(wèi)星的主要信息接口之一,，負(fù)責(zé)下行遙測數(shù)據(jù)采集，同時(shí)與總控測試設(shè)備(OCOE)的主測試計(jì)算機(jī)(MTP)和專用測試設(shè)備(SCOE)計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)相連接,，構(gòu)成衛(wèi)星地面綜合測試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),，完成整星的綜合測試。
遙測前端設(shè)備是衛(wèi)星地面綜合測試系統(tǒng)的重要組成部分,，它由遙測信號模擬源,、遙測信號匹配器、遙測信號解調(diào)器組成,。要實(shí)現(xiàn)遙測前端設(shè)備的通用化,，關(guān)鍵在于對遙測前端設(shè)備的副載波頻率、幀格式,、碼速率,、調(diào)制體制等參數(shù)的設(shè)置，達(dá)到同一套遙測前端設(shè)備能適應(yīng)不同衛(wèi)星的測試,。
1遙測前端設(shè)備的功能和性能
1.1設(shè)備的主要功能
遙測前端設(shè)備的三個(gè)組成部分分別完成以下功能：
a.遙測信號模擬源可以輸出衛(wèi)星遙測模擬信號,，提供給遙測信號解調(diào)器自檢和誤碼率測試用；
b. 完成副載波(PSK)信號功率,、阻抗匹配與隔離,；
c.完成對遙測遙控和數(shù)傳專用測試設(shè)備(TT&C SCOE) 或遙測信號模擬源輸出的一定范圍內(nèi)任意頻率的副載波解調(diào)和數(shù)據(jù)恢復(fù)；
d. 多星兼容,，具有一定的可擴(kuò)展性,；
e. 可以本控或遠(yuǎn)控完成對遙測信號模擬源、遙測信號解調(diào)器工作參數(shù),、工作狀態(tài),、設(shè)備配置的控制；
f. 按衛(wèi)星的數(shù)據(jù)要求通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送原始遙測數(shù)據(jù)組合數(shù)據(jù)幀和實(shí)時(shí)幀，具備遙測數(shù)據(jù)挑點(diǎn)處理,、顯示及數(shù)據(jù)回放功能,；
g. 具有設(shè)備狀態(tài)、工作參數(shù)巡檢,、故障報(bào)警功能,。
1.2設(shè)備的主要性能
通用遙測前端設(shè)備的主要性能指標(biāo)如下：
·副載波信號頻率覆蓋范圍：5kHz~512kHz；
·碼速率頻率覆蓋范圍：100bps~16kbps,；
·調(diào)制體制：PCM/PSK,；
·字長：8bit；
·幀長：4~1024字(偶數(shù)),；
·幀同步碼組：16,、24、32bit可選,。
2 遙測前端設(shè)備通用化方案設(shè)計(jì)
2.1設(shè)備組成
遙測前端設(shè)備的總線形式采用PCI總線,，基于PCI接口的遙測前端設(shè)備組成框圖如圖1。信號模擬源和信號匹配器單獨(dú)由一個(gè)機(jī)箱組成,，遙測解調(diào)器作為一塊功能卡插在遙測前端計(jì)算機(jī)的PCI插槽中,，通過PCI總線與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，遙測前端計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理軟件完成遙測數(shù)據(jù)的采集,、處理,、存儲、顯示等功能,。
2.2 遙測信號模擬源通用化設(shè)計(jì)
通用遙測模擬源主要包括：通用遙測仿真計(jì)算機(jī),、通用PSK調(diào)制器。通用遙測仿真計(jì)算機(jī)由遙測前端計(jì)算機(jī)和測試軟件組成,。仿真軟件可對衛(wèi)星遙測格式,、參數(shù)內(nèi)容等進(jìn)行設(shè)置，可以產(chǎn)生兩種仿真數(shù)據(jù)流,，一種用于設(shè)備自檢或軟件調(diào)試,，另一種用于誤碼率測試。仿真信號經(jīng)異步串行接口送通用PSK調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制,，通用PSK調(diào)制器為可設(shè)置副載波頻率和碼速率的通用調(diào)制設(shè)備,。
遙測信號模擬源由遙測前端計(jì)算機(jī)、數(shù)字信號處理器,、數(shù)字副載波產(chǎn)生器,、碼同步產(chǎn)生器,、低通濾波器和PCI接口等組成,，其原理框圖如圖2所示。它采用直接數(shù)字頻率合成器(DDS)作為數(shù)字副載波產(chǎn)生器,、碼同步產(chǎn)生器,，通過數(shù)字信號處理器的控制和運(yùn)算,，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字調(diào)制波，經(jīng)PSK數(shù)字調(diào)制產(chǎn)生PSK信號,。
2.3 遙測信號匹配器通用化設(shè)計(jì)
輸入,、輸出端均采用DC/DC電源供電，從而實(shí)現(xiàn)輸入信號與輸出信號的電源,、地隔離,，輸入信號與輸出信號之間采用變壓器進(jìn)行隔離，在變壓器的輸出端有增益可調(diào)放大電路,。
遙測信號匹配器原理框圖如圖3所示,。
2.4 遙測信號解調(diào)器通用化設(shè)計(jì)
2.4.1基本原理與組成
通用遙測解調(diào)器的原理框圖如圖4所示，其中時(shí)鐘產(chǎn)生器,、載波NCO,、碼NCO、碼時(shí)鐘產(chǎn)生,、載波時(shí)鐘產(chǎn)生,、數(shù)字下變頻器、相關(guān)累加器等均在FPGA中設(shè)計(jì)完成,；載波環(huán)路濾波器" title="環(huán)路濾波器">環(huán)路濾波器,、碼環(huán)路濾波器、數(shù)據(jù)解調(diào),、位同步脈沖產(chǎn)生等均由DSP完成,。
2.4.2高速A/D" title="A/D">A/D采集電路
為了實(shí)現(xiàn)解調(diào)器的技術(shù)指標(biāo)，選擇AD公司的AD9220芯片作為產(chǎn)品中的高速A/D轉(zhuǎn)換器,，它提供12位分辨率,、10MHz的采集速率、單一+5V電源供電,、由外部接入基準(zhǔn)電壓,。高速A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)如下：
·A/D轉(zhuǎn)換分辨率：12位；
·A/D轉(zhuǎn)換速率：10MHz,；
·模擬量傳輸及轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的總誤差：優(yōu)于0.3%FSR,；
·模擬信號頻帶寬度：400kHz。
2.4.3 數(shù)字下變頻器
數(shù)字下變頻器主要作用是將A/D采樣所得到的中頻信號進(jìn)行下變頻處理,，從而去除中頻,，得到基帶信號。數(shù)字下變頻器的主要原理是：利用載波數(shù)控振蕩器產(chǎn)生與輸入中頻信號頻率相同的正弦和余弦本地載波信號,，與輸入信號進(jìn)行乘法運(yùn)算,，然后對運(yùn)算結(jié)果做低通濾波，即可完成對中頻信號下變頻操作。以上過程均為數(shù)字化處理,。所以,，本振信號、乘法模塊,、低通濾波器均采用數(shù)字化設(shè)計(jì),。
2.4.4 碼的捕獲
利用本地碼元與接收碼元的相關(guān)值進(jìn)行判決是否捕獲，如果連續(xù)8次取得的相關(guān)值都大于所設(shè)置的門限,，則判定為捕獲,，之后轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)；如果任何一次低于門限值則重新進(jìn)行捕獲,。
2.4.5 副載波跟蹤
利用自動頻率控制進(jìn)行載波環(huán)路跟蹤,。根據(jù)所取得的當(dāng)前路的相關(guān)值，利用自動頻率控制算法提取載波誤差信號,，把得到的誤差信號送入環(huán)路濾波器,，環(huán)路濾波器輸出的調(diào)整量送入載波NCO，形成閉環(huán),，載波NCO根據(jù)濾波器的輸出適時(shí)調(diào)整,，直至本地載波與接收載波的穩(wěn)態(tài)誤差在誤差允許的范圍內(nèi)為止。
2.4.6 碼跟蹤
利用碼的相關(guān)特性進(jìn)行碼環(huán)路跟蹤,。根據(jù)所取得的超前路和滯后路的相關(guān)值,，利用碼的S鑒相算法提取碼誤差信號，把得到的誤差信號送入環(huán)路濾波器,，環(huán)路濾波器輸出的調(diào)整量送入碼NCO,，形成閉環(huán)，碼NCO根據(jù)濾波器的輸出適時(shí)調(diào)整,，直至本地碼元與接收碼元的穩(wěn)態(tài)誤差在誤差允許的范圍內(nèi)為止,。
2.4.7 數(shù)據(jù)解調(diào)
利用相位旋轉(zhuǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)。由于載波和碼都有很小的穩(wěn)態(tài)誤差存在,，不能完全消除,，為了正確解調(diào)數(shù)據(jù)減少誤碼，采用軟件Costas環(huán)算法進(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)解調(diào),。
3 設(shè)備的實(shí)現(xiàn)和特點(diǎn)
為了達(dá)到遙測前端設(shè)備通用化,、小型化設(shè)計(jì)的目的，在設(shè)備研制過程中采用高速數(shù)字信號處理芯片(DSP),，將遙測模擬信號進(jìn)行數(shù)字化,，采用自適應(yīng)濾波器的方法，大大提高處理遙測信號副載頻和碼速率的范圍,；利用EDA工具,，采用復(fù)雜的可編程邏輯器件(CPLD),、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和直接頻率合成器(DDS)等器件，通過硬件描述語言設(shè)計(jì)芯片來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能,，完成系統(tǒng)級仿真和綜合，不僅可以實(shí)現(xiàn)多種數(shù)字邏輯功能,，而且大大減少芯片數(shù)量從而縮小系統(tǒng)體積,、能耗，同時(shí)提高系統(tǒng)的性能及可靠性,，可以真正實(shí)現(xiàn)遙測設(shè)備的小型化設(shè)計(jì),；利用硬件軟件化技術(shù)對軟件進(jìn)行通用化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的通用化設(shè)計(jì),；采用PCI總線形式,，可以將解調(diào)器直接插入計(jì)算機(jī)的PCI插槽中，使解調(diào)器小型化,。
目前,，通用的遙測前端設(shè)備樣機(jī)已研制成功，通過遙測前端計(jì)算機(jī)中的上位機(jī)軟件,，對副載頻,、碼速率和相關(guān)格式進(jìn)行設(shè)置后，就可以實(shí)現(xiàn)遙測信號的模擬和解調(diào),，實(shí)現(xiàn)遙測前端設(shè)備的通用化,。本方案提出了一種新型全數(shù)字化遙測信號解調(diào)器，在技術(shù)上采用不需載波同步即可完成碼元捕獲的非相干快捕技術(shù),、碼元跟蹤的超前—滯后型非相干數(shù)字延遲鎖相環(huán)(DDLL)以及跟蹤環(huán)路的軟件化技術(shù)等,。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，USB接口將成為測試設(shè)備的主流,。因此研制基于USB接口的通用遙測前端設(shè)備成為首選,；同時(shí)隨著擴(kuò)頻等先進(jìn)技術(shù)在衛(wèi)星產(chǎn)品上的應(yīng)用，電子,、通信領(lǐng)域的新技術(shù),、新思路更應(yīng)該提前應(yīng)用到地面測試設(shè)備的研制中。
參考文獻(xiàn)
1 張呤瑞,，張 軍,，羅志強(qiáng)編著.現(xiàn)代測控原理，北京:北京航空航天大學(xué)出版社,，1995
2 陳以恩編著.無線電遙測遙控.北京:國防工業(yè)出版社,，2002
3 陳以恩編著.遙測數(shù)據(jù)處理.北京:國防工業(yè)出版社，2002
4.張翰英編著.衛(wèi)星電測技術(shù).北京:宇航出版社,，1999