船載USB系統(tǒng)偏饋信號(hào)動(dòng)態(tài)控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

何 謙, 程 剛,王 瀟,劉 帥,朱昱銘

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰 214431)

船載USB系統(tǒng)偏饋信號(hào)動(dòng)態(tài)控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

何 謙, 程 剛,王 瀟,劉 帥,朱昱銘

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰 214431)

通常采用對(duì)前桅方式接收轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)的射頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)測(cè)試或系統(tǒng)無(wú)線聯(lián)試，此種方式需要多崗位配合且USB固態(tài)功放發(fā)射功率有可能導(dǎo)致S頻段導(dǎo)航雷達(dá)受到干擾;通過(guò)研究數(shù)控衰減器在單片機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了船載USB系統(tǒng)偏饋信號(hào)動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線在對(duì)冷空的情況下接收靜態(tài)或動(dòng)態(tài)變化的偏饋射頻信號(hào)，進(jìn)而分析對(duì)系統(tǒng)跟蹤性能的影響;該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)數(shù)次海上測(cè)控任務(wù)的檢驗(yàn)，證明其操作方便快捷、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，達(dá)到了充分檢驗(yàn)設(shè)備性能、提高任務(wù)準(zhǔn)備效率的目的。

航天測(cè)量船；測(cè)控系統(tǒng)；偏饋信號(hào)；動(dòng)態(tài)控制

0 引言

船載USB系統(tǒng)通常對(duì)前桅喇叭進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)測(cè)試或系統(tǒng)無(wú)線聯(lián)試，通過(guò)前桅喇叭天線連接標(biāo)校機(jī)房的可調(diào)衰減器人工手動(dòng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)在空間輻射的強(qiáng)弱變化，以達(dá)到相關(guān)指標(biāo)測(cè)試或聯(lián)試時(shí)所需要的門(mén)限信噪比。采用該種方式需要伺服操作手操作雷達(dá)天線對(duì)準(zhǔn)前桅電標(biāo)，而且構(gòu)建系統(tǒng)無(wú)線方式時(shí)發(fā)射機(jī)發(fā)射的功率可能干擾S波段導(dǎo)航雷達(dá)正常工作。為增加標(biāo)校手段，通常借助主天線和偏饋振子構(gòu)成無(wú)線射頻閉環(huán)，可以實(shí)時(shí)、精確測(cè)定船載雷達(dá)的距離零值，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)塔零值標(biāo)校[1]。也可利用偏饋振子作為跟蹤通道的校準(zhǔn)源調(diào)整雷達(dá)跟蹤和通道/差通道間的相移，完成跟蹤接收機(jī)的無(wú)塔校相[2]。

本文設(shè)計(jì)了船載USB系統(tǒng)偏饋信號(hào)動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)需轉(zhuǎn)動(dòng)天線即可自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)整接收射頻信號(hào)幅度的變化，滿足相關(guān)指標(biāo)的測(cè)試需求或系統(tǒng)聯(lián)試的需要；也可模擬目標(biāo)信號(hào)大范圍動(dòng)態(tài)衰落導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼率增大的情況，為分析和判斷設(shè)備狀態(tài)提供了有效的檢驗(yàn)手段。

1 偏饋信號(hào)動(dòng)態(tài)控制的構(gòu)建

在S波段雷達(dá)天線主反射面適當(dāng)位置安裝一偏饋振子，作為旋轉(zhuǎn)拋物面上的一個(gè)點(diǎn)，其接收電磁波行程相等，因而電波均為同相，安裝位置需要考慮不改變?cè)O(shè)備原有的任務(wù)狀態(tài)和信號(hào)通路，不影響天線主輻射方向圖，減少多徑效應(yīng)對(duì)信號(hào)電平的影響，不降低設(shè)備的性能指標(biāo)[3]。當(dāng)高功率放大器輻射出已調(diào)制的上行電波信號(hào)后，偏饋振子接收信號(hào)并通過(guò)信號(hào)線纜和環(huán)形器把接收到的信號(hào)送至中心體校零變頻器，中心體校零變頻器按一定的轉(zhuǎn)發(fā)比進(jìn)行頻率的變換輸出，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)研發(fā)的動(dòng)態(tài)信號(hào)控制系統(tǒng)后，再經(jīng)過(guò)環(huán)形器和信號(hào)線纜傳輸?shù)狡佌褡舆M(jìn)行信號(hào)空間輻射，副反射面將部分信號(hào)反射進(jìn)入雷達(dá)饋源系統(tǒng)，然后再送至高頻接收信道放大變頻后送綜合基帶終端進(jìn)行信號(hào)的解調(diào)處理或送給角跟蹤接收機(jī)進(jìn)行和差通道的相位調(diào)整。圖1為USB系統(tǒng)無(wú)線偏饋射頻信號(hào)環(huán)境構(gòu)建圖。

圖1 無(wú)線偏饋射頻信號(hào)環(huán)境構(gòu)建圖

2 動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

USB系統(tǒng)偏饋射頻信號(hào)動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)主要由系統(tǒng)監(jiān)控臺(tái)工控機(jī)、控制模塊及外圍電路、串口服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)組成。系統(tǒng)的上位機(jī)依托于USB系統(tǒng)監(jiān)控臺(tái)和與之配套的遠(yuǎn)程控制軟件實(shí)現(xiàn)，通過(guò)軟件界面手動(dòng)設(shè)置靜態(tài)衰減數(shù)值，或讀取事先制作的動(dòng)態(tài)控制文件以需要的時(shí)間間隔對(duì)數(shù)控衰減器的衰減量進(jìn)行增減控制；而下位機(jī)與偏饋校零變頻器共同位于天線背部支架的中心體內(nèi)，采用單片機(jī)最小系統(tǒng)、數(shù)控衰減器及其外圍電路組成控制模塊，根據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送的數(shù)值實(shí)現(xiàn)對(duì)偏饋校零變頻器所發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度的增減控制。

2.1 信息傳輸路徑

偏饋信號(hào)動(dòng)態(tài)控制信息傳輸鏈路復(fù)雜，傳輸距離較遠(yuǎn)，必須利用USB系統(tǒng)現(xiàn)有連接關(guān)系進(jìn)行信息傳輸研究。為便于系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)管理、IP化數(shù)據(jù)管理和存取，系統(tǒng)監(jiān)控臺(tái)對(duì)下位機(jī)及偏饋校零變頻器的遠(yuǎn)程控制信息首先以RJ45網(wǎng)線方式發(fā)送至高頻接收機(jī)房，然后在跟蹤機(jī)柜下行開(kāi)關(guān)控制插箱內(nèi)部借助MOXA公司的DE-211串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，完成TCP/IP網(wǎng)絡(luò)信息與RS-422異步通訊串口信息的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與串口的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸。RS-422異步通訊信息經(jīng)過(guò)雷達(dá)天線內(nèi)部的方位轉(zhuǎn)接板、低頻滑環(huán)、俯仰轉(zhuǎn)接板、俯仰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)才能將上位機(jī)的控制信息傳送到中心體的動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)偏饋校零變頻器的信號(hào)幅度控制。同理偏饋校零變頻器的反饋信息采用逆向傳輸路徑完成信息的上報(bào)和顯示。圖2為控制信號(hào)傳輸路徑的連接框圖。

圖2 控制信號(hào)傳輸路徑的轉(zhuǎn)接框圖

DE-211串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器通過(guò)其內(nèi)置的以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議和系統(tǒng)監(jiān)控臺(tái)進(jìn)行交換數(shù)據(jù)，使用前必須設(shè)置DE-211的IP地址和網(wǎng)關(guān)等參數(shù)，同時(shí)也要為系統(tǒng)監(jiān)控臺(tái)設(shè)置相應(yīng)的IP和網(wǎng)關(guān)，使兩者處于同一個(gè)監(jiān)控網(wǎng)網(wǎng)段，這樣兩者就可以通過(guò)以太網(wǎng)傳輸協(xié)議交換數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率和安全性。RS-422異步通訊串口采用差模傳輸，抗干擾信號(hào)能力強(qiáng)，最大傳輸距離高達(dá)1200米，最大傳輸速率為10 Mb/s，其四線接口可以采用單獨(dú)的發(fā)送和接收通道，在經(jīng)過(guò)低頻滑環(huán)多路擁擠信號(hào)的路徑下提高了系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃?，非常適合多狀態(tài)遠(yuǎn)距離傳輸。傳輸路徑中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是將RS-422異步通訊信息的控制及反饋信息利用天線低頻滑環(huán)的電刷進(jìn)行信號(hào)傳遞，避免了串口線纜被天線卷繞的缺陷[4]。

綜上考慮，偏饋射頻信號(hào)動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)采用RS-232串口實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)近距離的高效實(shí)時(shí)控制，而采用RS-422總線完成控制信號(hào)從天線中心體到高頻接收機(jī)房的遠(yuǎn)距離傳輸。

2.2 數(shù)控衰減器的選型

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，USB偏饋信號(hào)動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)中的數(shù)控衰減器，所需要的衰減量為60 dB，采用6位數(shù)控衰減器，可以實(shí)現(xiàn)最大26-1=63 dB的衰減量。而且數(shù)控衰減器在改變衰減量時(shí)，必然會(huì)對(duì)接收通道的信號(hào)相位一致性及增益一致性產(chǎn)生一定影響，所以要使衰減器改變數(shù)值時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定，需嚴(yán)控配置數(shù)控衰減器的相位變化和衰減精度。具體指標(biāo)如下：1)衰減精度：≤±0.3 dB；2)各衰減狀態(tài)相位一致性：≤±0.2°；3)相位穩(wěn)定性：全溫范圍≤1°；4)駐波比：≤1:1.5；5)衰減平坦度：帶寬內(nèi)≤0.5 dB。

綜合考慮市場(chǎng)，采用亞光電子VJBS1122數(shù)控衰減器，該型衰減器采用微型真空繼電器和貼片電阻網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)而成，一般用于信號(hào)源與負(fù)載之間調(diào)節(jié)信號(hào)輸出的強(qiáng)度，防止負(fù)載電路過(guò)載?？赏ㄟ^(guò)單片機(jī)采用TTL電平對(duì)其衰減量的增減進(jìn)行高速數(shù)控，并且相位恒定、衰減精度高，具有適用面廣，使用更方便等特點(diǎn)。

2.3 控制模塊硬件電路設(shè)計(jì)

控制模塊包括交直流電源、亞光電子VJBS1122數(shù)控衰減器、深圳宏晶科技有限公司的STC89C52RC單片機(jī)以及51系列單片機(jī)最小系統(tǒng)等部分，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示?？刂颇K中單片機(jī)STC89C52RC是整個(gè)電路中最核心的元件，可以精確控制數(shù)控衰減器數(shù)值，并進(jìn)行相關(guān)電平的轉(zhuǎn)換。該單片機(jī)控制引腳及指令代碼完全兼容傳統(tǒng)80C51單片機(jī)，具有串行口編程功能，是一種易編程、低功耗、高性能、抗干擾的CMOS8位微控制器[5]。單片機(jī)最小控制系統(tǒng)是基于RS-232串口完成數(shù)據(jù)信息的交換，為提升系統(tǒng)可靠性和適應(yīng)遠(yuǎn)距離傳輸，在控制模塊內(nèi)部將RS-232串行接口利用NPORT 5110轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換為適合于遠(yuǎn)距離傳輸通信的RS-422串行接口標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 控制模塊結(jié)構(gòu)圖

由于單片機(jī)控制系統(tǒng)采用RS-232串口電平，而STC89C52RC單片機(jī)工作在TTL電平，因此需采用MAX232轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。該轉(zhuǎn)換芯片可以把輸入的+5 V電源變換成RS-232C 輸出電平所需±12 V 電壓，只需配5個(gè)0.1 μF的電容即可完成電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的串行信號(hào)直接與單片機(jī)連接。為保證單片機(jī)的運(yùn)行速度和所有指令能得以有效執(zhí)行，系統(tǒng)選用11.059 2 MHz的外部晶振產(chǎn)生固定[4]的時(shí)鐘周期。根據(jù)上述元器件的選擇，其硬件接口電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 STC89C52RC的外部連接圖

2.4 監(jiān)控信息幀格式

一般監(jiān)控信息幀由系統(tǒng)監(jiān)控臺(tái)發(fā)出，偏饋信號(hào)動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收并以適當(dāng)?shù)慕邮臻g隔返回響應(yīng)幀，不應(yīng)引起設(shè)備通訊出錯(cuò)或丟失通訊信息。監(jiān)控信息幀格式見(jiàn)表1。

表1 監(jiān)控信息幀格式

ADB：目的地址段(1字節(jié))，規(guī)定在30 H～5 FH之間；CMB：命令字段(1字節(jié))，規(guī)定在30 H～5 FH之間；PRB：參數(shù)字段(0～n字節(jié))，規(guī)定在20 H～5 FH之間。

2.5 控制軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)監(jiān)控臺(tái)軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境選用Borland C++ Bulider 6.0，采用C/S軟件編程結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒āＯ到y(tǒng)監(jiān)控軟件基于CORBA體系分為服務(wù)端和客戶端兩個(gè)軟件，服務(wù)端軟件主要完成下位機(jī)數(shù)據(jù)的分析和底層數(shù)據(jù)處理，監(jiān)控客戶端軟件主要完成校零變頻器及控制模塊的參數(shù)控制及狀態(tài)監(jiān)視。通過(guò)CORBA接口與監(jiān)控服務(wù)端軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)軟件之間進(jìn)行信息交互。

上位機(jī)程序采用系統(tǒng)監(jiān)控臺(tái)的客戶端軟件進(jìn)行功能擴(kuò)展而成，嵌入到系統(tǒng)監(jiān)控臺(tái)軟件中，與原系統(tǒng)監(jiān)控臺(tái)共用服務(wù)端程序，既可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控衰減器的精確控制，又可以采集控制校零變頻器的工作狀態(tài)。可以充分利用系統(tǒng)監(jiān)控臺(tái)的固有資源，從而有效降低軟件開(kāi)發(fā)成本，增強(qiáng)軟件的維護(hù)性，并擴(kuò)大軟件的適應(yīng)性范圍。其主要功能是可靜態(tài)設(shè)置數(shù)控衰減器數(shù)值或動(dòng)態(tài)調(diào)用控制文件實(shí)現(xiàn)數(shù)控衰減器的控制，而調(diào)用控制文件控制可調(diào)用預(yù)先準(zhǔn)備好的*.txt文件進(jìn)行控制[6]。其主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

控制軟件程序界面如圖6所示?！拔募幪?hào)選擇”選項(xiàng)框有4個(gè)選項(xiàng)，每個(gè)選項(xiàng)對(duì)應(yīng)目錄中的一個(gè)配置文件ZRTConfig，可根據(jù)需要提前準(zhǔn)備1～4個(gè)配置文件，以便隨時(shí)調(diào)用?！伴g隔時(shí)間”選項(xiàng)框中間隔時(shí)間從1～10 s，表示每隔一個(gè)“間隔時(shí)間”，系統(tǒng)監(jiān)控軟件向偏饋校零變頻器發(fā)送一條衰減數(shù)值參數(shù)控制命令。點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕以后，系統(tǒng)監(jiān)控軟件首先從硬盤(pán)指定目錄下讀取選擇的配置文件，然后定時(shí)向偏饋校零變頻器發(fā)送一條參數(shù)控制命令，如果不按其它按鈕，需要等到配置文件中的參數(shù)依次發(fā)送完畢以后，才會(huì)停止向校零變頻器發(fā)送命令。如果系統(tǒng)監(jiān)控軟件沒(méi)有正在向校零變頻器發(fā)送“停止”按鈕命令，此按鈕為灰色，即點(diǎn)擊無(wú)效。此按鈕為可點(diǎn)擊狀態(tài)時(shí)，點(diǎn)擊“停止”按鈕可以終止向校零變頻器發(fā)送參數(shù)控制命令，如果想繼續(xù)發(fā)送控制命令，需要重新點(diǎn)擊“開(kāi)始”，按照配置文件中衰減量的順序依次發(fā)送參數(shù)控制命令。點(diǎn)擊“暫?！卑粹o可以使系統(tǒng)監(jiān)控軟件暫停向校零變頻器發(fā)送參數(shù)控制命令，此時(shí)軟件會(huì)記住當(dāng)前衰減量在控制文件中的位置，等待點(diǎn)擊“繼續(xù)”按鈕以后，從該位置繼續(xù)往下讀取衰減量。

圖6 軟件程序界面圖

3 偏饋信號(hào)的動(dòng)態(tài)測(cè)試

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，構(gòu)建船載測(cè)控雷達(dá)系統(tǒng)無(wú)線偏饋射頻鏈路，對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)衰減控制測(cè)試。綜合基帶采用FM遙測(cè)模擬源作為上行激勵(lì)信號(hào)模擬遙測(cè)誤碼率測(cè)試，并對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)記盤(pán)，系統(tǒng)監(jiān)控臺(tái)讀取的控制文件采用簡(jiǎn)單的1 dB步進(jìn)，每秒發(fā)送一次控制命令。其中高頻發(fā)射機(jī)分別對(duì)天線上功率20 W，50 W,100 W。當(dāng)高頻發(fā)射機(jī)對(duì)天線上功率100 W時(shí)，數(shù)控衰減器經(jīng)過(guò)24 s(即經(jīng)過(guò)24 dB)的變化后，綜合基帶已出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象，見(jiàn)圖7的局部放大圖。

圖7 無(wú)線偏饋射頻信號(hào)變化情況

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的USB系統(tǒng)偏饋信號(hào)動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，選用51系列單片機(jī)及高精度數(shù)控衰減器作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，以控制偏饋射頻信號(hào)的強(qiáng)弱，具有控制精度高、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，既可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控臺(tái)遠(yuǎn)程設(shè)置靜態(tài)衰減值，也可以根據(jù)制作的控制文件設(shè)置動(dòng)態(tài)衰減值，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)試時(shí)射頻無(wú)線信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化，檢驗(yàn)了設(shè)備對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)的適應(yīng)能力。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多次海上測(cè)控任務(wù)的檢驗(yàn)，證明其方法科學(xué)有效、操作方便快捷、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，達(dá)到了充分檢驗(yàn)設(shè)備性能、提高任務(wù)準(zhǔn)備效率的目的。

[1] 侯 輝，周 江，伍德勇.船載USB距離零值標(biāo)校數(shù)據(jù)分析[J].電訊技術(shù),2004,4:166-170.

[2] 楊福濤，馮炳煊.利用偏饋振子調(diào)整測(cè)控雷達(dá)跟蹤通道相移技術(shù)研究[J].遙測(cè)遙控,2001,22(6):30-34.

[3] 董建偉，高長(zhǎng)生，熊 偉，等.脈沖測(cè)量雷達(dá)無(wú)塔標(biāo)校系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2013,21(3):685-686.

[4] 何 謙，徐 耀，程 剛，等.雷達(dá)中心體溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2013,21(15):95-98.

[5] 蔡禮田,逢 博,邱 政，等.基于STC89C52RC的雷達(dá)模擬器數(shù)字鍵盤(pán)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試,2011,10:55-57.

[6] 何 謙，吳有杏，李仁龍.擴(kuò)頻多目標(biāo)信號(hào)動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2014,22(6):1908-1910.

Design and Implementation of Dynamic Signal Control in Offset Dipole on Shipboard USB System

He Qian，Cheng Gang，Wang Xiao，Liu Shuai，Zhu Yuming

(China Satellite Maritime Tracking and Controlling Department, Jiangyin 214431,China)

Usually, it can receive the RF signal transmitted by converter to achieve certain testing and wireless joint debugging for antenna pointing to the fore mast. It needs to cooperation for multi-system and causes the interference for S-band navigation radar by USB solid state power amplifier. By the study on MCU control system with numerical control attenuator, the paper designs a dynamic control system in offset dipole on shipboard USB system. It can achieve static or dynamic RF signals in offset dipole by radar antenna pointing to the sky, help to analysis effects of the tracking performance in the system. Since the system has been verified in maritime track and control tasks, it is proved that the operation is convenient and rapid, and the working is stable and reliable. With this system, the performance of equipments can be tested sufficiently and the efficiency of preparing tasks can also be improved.

measurement ship; TT&C; offset dipole signal; dynamic control

2016-05-06；

2016-07-05。

何 謙(1978-)，男，陜西合陽(yáng)人，高級(jí)工程師，主要從事航天測(cè)控雷達(dá)信號(hào)處理與標(biāo)校方向的研究。

1671-4598(2016)12-0093-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.12.026

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