基于開關(guān)矩陣的衛(wèi)星通信測(cè)控站多路頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賈 帥，張永波

(延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000)

0 引言

衛(wèi)星是指以衛(wèi)星為中繼站，在多個(gè)地面站間轉(zhuǎn)發(fā)無線電信號(hào)。在對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤時(shí)，測(cè)控站天線跟蹤是否良好，直接影響到測(cè)控站能否正常接收及發(fā)送遙測(cè)信號(hào)和遙控信號(hào)[1]。在衛(wèi)星發(fā)射階段，測(cè)控站的天線系統(tǒng)需要連續(xù)跟蹤衛(wèi)星，此時(shí)，衛(wèi)星仍在傳輸軌道中運(yùn)行，衛(wèi)星姿態(tài)和跟蹤信號(hào)均不穩(wěn)定[2]。該方法根據(jù)下行中頻信號(hào)頻譜的監(jiān)測(cè)狀態(tài)，確定天線跟蹤情況，依據(jù)跟蹤情況相應(yīng)地實(shí)時(shí)調(diào)整地面站配置，以完成連續(xù)跟蹤衛(wèi)星的任務(wù)，并預(yù)先檢測(cè)衛(wèi)星的干擾信號(hào)，相應(yīng)地采取緊急措施，最大程度地消除干擾信號(hào)的影響。基于人工監(jiān)測(cè)頻譜方法是由操作者完成頻譜分析儀的安裝，電纜的連接，配置頻譜分析儀的參數(shù)，并在需要時(shí)監(jiān)測(cè)頻譜。人工方式實(shí)時(shí)性差，不能有效地記錄和分析頻譜數(shù)據(jù)，并且自動(dòng)頻譜監(jiān)測(cè)和處理方法不足。針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)了基于開關(guān)矩陣的衛(wèi)星通信測(cè)控站多路頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在衛(wèi)星發(fā)射階段，一般需要利用兩臺(tái)頻譜分析儀實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)的監(jiān)測(cè)，并依據(jù)衛(wèi)星信號(hào)的大小，判斷天線的旋轉(zhuǎn)方向。為了節(jié)省成本系統(tǒng)不再使用多個(gè)頻譜分析儀監(jiān)測(cè)每個(gè)信號(hào)，而采用中頻切換矩陣監(jiān)測(cè)多個(gè)頻譜[3]。監(jiān)測(cè)的中頻信號(hào)主要由各天線變頻器輸出和測(cè)試的中頻信號(hào)組成，并根據(jù)需要臨時(shí)接線。在衛(wèi)星通信測(cè)控站中，檢測(cè)中頻信號(hào)主要是通過接入基帶上行中頻信號(hào)來獲取遙控信號(hào)頻譜。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)包括頻譜監(jiān)測(cè)工作站、頻譜分析儀、中頻開關(guān)矩陣、射頻設(shè)備以及中頻設(shè)備等。

1)場(chǎng)效應(yīng)管放大器：場(chǎng)效應(yīng)管放大器放大后的微弱信號(hào)由天線接收，噪聲系數(shù)很小。

2)低頻率轉(zhuǎn)換裝置：將場(chǎng)放大器輸出的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成中頻信號(hào)，并在一定范圍內(nèi)放大。反相器的輸出信號(hào)分支到另一個(gè)中頻信號(hào)，并與中頻開關(guān)矩陣通過電纜相連。

3)開關(guān)矩陣：主要是選擇多個(gè)輸入信號(hào)，并將兩個(gè)輸出端口分別連接頻譜分析儀。

4)光譜儀：主要是將復(fù)雜的光分解為光譜線。由于光譜分析器能夠覆蓋中頻波段，因此，選擇了rigole-dsa800中頻數(shù)字頻譜分析儀，它的頻率范圍是9千赫到1千赫，最小分辨率的5 GHz帶寬和100 Hz的視頻帶寬。

(5)光譜監(jiān)控工作站：是在工作站中利用光譜進(jìn)行監(jiān)控的軟件，該工作站屬于Windows XP操作系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)或upi-usb適配器與頻譜分析器相連[4]。建立頻譜監(jiān)控系統(tǒng)后，用戶只需運(yùn)用工作站中的光譜監(jiān)控軟件，選擇 IF信號(hào)n5就可以開始頻譜監(jiān)測(cè)了。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2是衛(wèi)星通信多載波綜合監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的硬件組成框圖。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

如圖2所示，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)站有兩個(gè)天線，C波段和Ku波段，每一個(gè)天線都能接收正、負(fù)極化雙向信號(hào)，有CA、CB、Ku-A、Ku-B四個(gè)連接通道。通過低噪聲放大器對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行變頻放大，再通過分配器分割，將載波信號(hào)一路傳送到電視監(jiān)測(cè)和頻譜分析儀進(jìn)行頻譜監(jiān)測(cè)[5]。AgilentN9320AC (L-band)頻譜分析儀，通過USB接口與頻譜分析儀和控制四個(gè)L-band信號(hào)的單極四投開關(guān)連接的計(jì)算機(jī)，切換通過RS232接口連接到計(jì)算機(jī)。微機(jī)控制開關(guān)和頻譜分析器，實(shí)現(xiàn)頻譜分析器下的四個(gè)下行載波信號(hào)分時(shí)顯示。

2.1 存儲(chǔ)器

單片計(jì)算機(jī)內(nèi)部沒有ROM，或雖有 ROM，但在容量較小時(shí)，需要擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器，以便于設(shè)計(jì)工作。因?yàn)檫x擇的單片機(jī)只有8 K閃存，RAM容量是512字節(jié)，EEPROM是2 K，所以需要擴(kuò)展外接程序存儲(chǔ)器，系統(tǒng)外接存儲(chǔ)器芯片選擇24C64型。

常用的EEPROM可以分為并行 EEPROM和串行 EEPROM，雖然并行EEPROM器件讀寫速度快，但需要使用大量電路引腳，使用方便。串行EEPROM器件與上并行EEPROM器件具有基本相同的功能，能夠提供較少的電壓、較小的封裝、較低的電壓和功耗，成為最靈活的非易失性存儲(chǔ)器[6]。在24C64中C后面的數(shù)字表示芯片的存儲(chǔ)容量，64表示存儲(chǔ)位是64 k，也就是能夠存儲(chǔ)8 k (即8 192)字節(jié)，支持1.8到5 V供電，可以重寫百萬次。

內(nèi)部集成總線為雙線串行，只需兩條時(shí)鐘線和兩條數(shù)據(jù)線就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該方案僅需占用微處理器的兩個(gè) I/O接口，實(shí)現(xiàn)了完全的雙工同步。資料傳送，使用十分方便，還可以將I2C總線連接到同一總線上的多個(gè)設(shè)備，每個(gè)設(shè)備可以有自己的設(shè)備地址。當(dāng)執(zhí)行讀寫操作時(shí)，需要先發(fā)送設(shè)備地址，確認(rèn)后再執(zhí)行相應(yīng)的操作[7]。在同一個(gè)總線上其他設(shè)備沒有響應(yīng)，這一過程稱為設(shè)備編址。本設(shè)計(jì)中采用不同用戶間通話原理，24C64總線通過I2C總線與單片機(jī)通訊。圖3是24C64芯片的電路結(jié)構(gòu)圖，SCL和 SDK的管腳需要與上拉電阻連接。

圖3 24C64芯片電路連接圖

引腳A0-A2主要是設(shè)置芯片的設(shè)備地址。假如同一總線上存在多個(gè)設(shè)備，那么可以通過設(shè)置A0-A2引腳判斷設(shè)備地址。由于只有一臺(tái)設(shè)備，所以三根針都接地。SCL管腳是設(shè)備的一個(gè)串行同步時(shí)鐘信號(hào)。在微控制器系統(tǒng)中使用時(shí)，SCL引腳應(yīng)由微控制器控制。根據(jù)程序要求，微控制器產(chǎn)生串行同步時(shí)鐘信號(hào)，實(shí)現(xiàn)總線訪問控制。SDA是串行數(shù)據(jù)引腳，主要作用是在讀寫芯片時(shí)，輸入或輸出數(shù)據(jù)以及地址。使用時(shí)必須使用拉力電阻，wp pin是一個(gè)寫保護(hù)的pin。當(dāng)引腳連接到高電平時(shí)，芯片的數(shù)據(jù)處于禁止寫入數(shù)據(jù)的狀態(tài)(禁止地址段取決于每個(gè)芯片的詳細(xì)信息)。在WP pin聯(lián)機(jī)時(shí)，當(dāng)它與地面連接時(shí)，芯片處于正常的讀寫狀態(tài)。

程序不允許修改 EEPROM中的數(shù)據(jù)，因?yàn)殡娐沸枰Ｊ褂肹8]。只有當(dāng)維護(hù)設(shè)置時(shí)，才能修改數(shù)據(jù)，此時(shí)，可以將WP跳線設(shè)置在電路中，或使用微處理器控制WP跳線，并且只能在特定的電路狀態(tài)下更改數(shù)據(jù)。

2.2 RS232串行接口

串口通信是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中一種常用的通訊機(jī)制，串行通信的數(shù)據(jù)通過位傳送。串行通信比以字節(jié)傳輸采用的傳輸線要少一些，適合長距離通信。通過串行接口，數(shù)據(jù)發(fā)送方將有一定規(guī)格的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行排序，按位順序發(fā)送到傳輸線。該數(shù)據(jù)接收器的串行接口是逐個(gè)接收數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，供計(jì)算機(jī)或外部設(shè)備使用。S3C2440有三個(gè)獨(dú)立的 DART控制器，每一個(gè)都能在中斷(中斷)模式或 DMA模式(直接內(nèi)存訪問)下工作，這意味著當(dāng) CPU和 DART控制器傳送數(shù)據(jù)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)中斷或 DMA請(qǐng)求，DART控制器就可以使用。每一個(gè)集成在S3C2440中的 DART具有兩個(gè)64字節(jié)的 FIFOS，支持最大波特率為230.4 kbps。選用MAX3232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，其工作原理見圖4。

圖4 串口電平轉(zhuǎn)換電路

基礎(chǔ)的調(diào)試端口只需要完成最基本的串口通信功能，實(shí)際上就是 RXD, TXD, GND。標(biāo)準(zhǔn)中定義的高低電平信號(hào)與S3C2410系統(tǒng)中定義的 TTL電路中定義的高低電平信號(hào)是截然不同的。標(biāo)準(zhǔn)邏輯“1”對(duì)應(yīng)著2～3.3 V電平，標(biāo)準(zhǔn)邏輯“0”對(duì)應(yīng)著0～0.4 V電平，RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)采用負(fù)邏輯，標(biāo)準(zhǔn)邏輯“1”對(duì)應(yīng)著-5～15 V電平，標(biāo)準(zhǔn)邏輯“0”對(duì)應(yīng)著-5～+15 V電平。很明顯，二者的通信必須通過信號(hào)電平轉(zhuǎn)換。

2.3 頻譜監(jiān)測(cè)服務(wù)器

頻譜分析儀是根據(jù)用戶要求，按照相應(yīng)的要求，對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理而成，可以在本地輸出處理結(jié)果，包括數(shù)據(jù)庫中的顯示、打印和存儲(chǔ)。利用視窗2000作為載體，在VC++環(huán)境下調(diào)用 HP接口功能，可以在 PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)光譜監(jiān)測(cè)軟件，完成計(jì)算機(jī)與光譜分析儀的交互。該系統(tǒng)由 GPIB卡、專用連接電纜和通訊軟件組成，實(shí)現(xiàn)了 PC機(jī)與頻譜儀之間交互。

MS27103A是一種多端口RFID監(jiān)控平臺(tái)，可部署在需要使用多個(gè)天線覆蓋更大頻率范圍的系統(tǒng)中。該顯示器通常用于具有多個(gè)扇區(qū)、每個(gè)扇區(qū)有多個(gè)頻率的手機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備[9]。多種來源的干擾都會(huì)導(dǎo)致呼叫中斷，數(shù)據(jù)傳輸速度慢，網(wǎng)絡(luò)性能差。MS27103A能對(duì)基站接收站(BTS)接收的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控，便于識(shí)別和排除干擾。該監(jiān)測(cè)器還能檢測(cè)不需要的信號(hào)活動(dòng)類型，有效地確定干擾源的特征并對(duì)其進(jìn)行定位。

3 軟件部分設(shè)計(jì)

干擾信號(hào)指的是其本身信號(hào)的突然減少或增加，或者是相鄰干擾信號(hào)的出現(xiàn)，或者是衛(wèi)星在長期運(yùn)行或早期軌道運(yùn)行時(shí)，低噪聲功率的增加。利用開關(guān)矩陣對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行控制。

開關(guān)矩陣是指開關(guān)量的行和列交叉排列，用來切換輸入輸出的各種信號(hào)，通常采用m*n矩陣結(jié)構(gòu)，即在多個(gè)輸入條件下，可能存在多個(gè)輸出選項(xiàng)，這是一個(gè)中繼陣列，有m個(gè)輸入，n個(gè)輸出[10]。選擇一個(gè)或多個(gè)m信道，在控制部分的控制下，將信號(hào)輸出到n信道的指定信道，這意味著系統(tǒng)可以是一對(duì)一或多對(duì)一的輸入和輸出，其主要功能是傳送指定信號(hào)。

在自動(dòng)接線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中主要完成每個(gè)衛(wèi)星通信測(cè)控站多路頻譜信號(hào)對(duì)應(yīng)于發(fā)射和傳輸兩個(gè)延時(shí)時(shí)間，設(shè)每條線路頻譜監(jiān)測(cè)編號(hào)為：

h1i(i=1,2,…,i,…,n)

(1)

發(fā)射信號(hào)延時(shí)時(shí)間為：

g1i(i=1,2,…,i,…,n)

(2)

傳輸信號(hào)延時(shí)時(shí)間為：

g2i(i=1,2,…,i,…,n)

(3)

發(fā)射信號(hào)延時(shí)時(shí)間對(duì)應(yīng)的時(shí)間差為：

t1i(i=1,2,…,i,…,n)

(4)

傳輸信號(hào)延時(shí)時(shí)間對(duì)應(yīng)的時(shí)間差為：

t2i(i=1,2,…,i,…,n)

(5)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的開關(guān)矩陣編程數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(6)

開關(guān)矩陣數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(7)

式(6)、(7)中：t1i、t2i都是由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)生成的?；谠摽刂品桨福胮lc編程軟件設(shè)計(jì)基于開關(guān)矩陣的多路頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件流程，如圖5所示。

圖5 多路頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件流程

由圖5可知，利用SW401-RS232管腳單刀式四投開關(guān)組件，根據(jù)開關(guān)矩陣中不同通道的選擇，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與開關(guān)的串行通訊。對(duì)開關(guān)矩陣的控制是通過調(diào)用這些串口通信類和函數(shù)來完成的，采用 VISA技術(shù)，通過USB接口控制頻譜儀，設(shè)置頻譜儀的參數(shù)，讀取頻譜信息。將上述步驟寫入系統(tǒng)之中，由此實(shí)現(xiàn)多路頻譜監(jiān)測(cè)控制。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證基于開關(guān)矩陣的衛(wèi)星通信測(cè)控站多路頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

所有數(shù)據(jù)采集和處理計(jì)算機(jī)要求能力較強(qiáng)，如果數(shù)據(jù)處理量較大，會(huì)給計(jì)算機(jī)負(fù)荷造成嚴(yán)重死機(jī)現(xiàn)象，因此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)茉谠撈脚_(tái)下順利進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下，數(shù)據(jù)采集接口復(fù)雜，集中在一起，不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)過程造成任何干擾。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

選擇RF1、RF2、RF3、RF4四路射頻輸入端，分別使用基于人工監(jiān)測(cè)頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和基于開關(guān)矩陣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從這四路射頻輸入端處捕獲監(jiān)測(cè)信號(hào)，如圖7所示。

圖7 四路射頻輸入端捕獲監(jiān)測(cè)信號(hào)強(qiáng)度分析

1)RF1：使用基于人工監(jiān)測(cè)頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在90 s監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)，監(jiān)測(cè)信號(hào)強(qiáng)度最高為84 dBm，最低為32 dBm；使用基于開關(guān)矩陣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在90 s監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)，監(jiān)測(cè)信號(hào)強(qiáng)度最高為125 dBm，最低為32 dBm，與實(shí)際值基本一致。

2)RF2：使用基于人工監(jiān)測(cè)頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在90 s監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)，監(jiān)測(cè)信號(hào)強(qiáng)度最高為120 dBm，最低為62 dBm；使用基于開關(guān)矩陣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在90 s監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)，監(jiān)測(cè)信號(hào)

強(qiáng)度最高為205 dBm，最低為100 dBm，與實(shí)際值基本一致。

3)RF3：使用基于人工監(jiān)測(cè)頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在90 s監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)，監(jiān)測(cè)信號(hào)強(qiáng)度最高為225 dBm，最低為100dBm；使用基于開關(guān)矩陣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在90 s監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)，監(jiān)測(cè)信號(hào)強(qiáng)度最高為310 dBm，最低為210 dBm，實(shí)際值在90 s監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)，監(jiān)測(cè)信號(hào)強(qiáng)度最高為325 dBm，最低為210 dBm。

4)RF4：使用基于人工監(jiān)測(cè)頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在90 s監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)，監(jiān)測(cè)信號(hào)強(qiáng)度最高為95 dBm，最低為25 dBm；使用基于開關(guān)矩陣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在90 s監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)，監(jiān)測(cè)信號(hào)強(qiáng)度最高為245 dBm，最低為100 dBm，實(shí)際值在90 s監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)，監(jiān)測(cè)信號(hào)強(qiáng)度最高為270 dBm，最低為100 dBm。

通過上述研究內(nèi)容可知，使用基于開關(guān)矩陣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)四路射頻輸入端處信號(hào)監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度較高。

5 結(jié)束語

針對(duì)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理中心的實(shí)際工作需求，設(shè)計(jì)了一種基于交換矩陣的衛(wèi)星通信多信道測(cè)控站頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。大量收集，使人力資源從繁重的監(jiān)控任務(wù)中解放出來，提高了工作效率。使用基于開關(guān)矩陣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)四路射頻輸入端處信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不僅提高了衛(wèi)星通信和傳輸?shù)氖褂每煽啃?，還提高了衛(wèi)星通信管理的自動(dòng)化水平，在衛(wèi)星公司網(wǎng)絡(luò)管理中心和通信業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

該系統(tǒng)支持不同類型微波開關(guān)的替換和組合，但需要根據(jù)開關(guān)配置手動(dòng)生成針對(duì)控制系統(tǒng)的配置文件。各類型微波開關(guān)的自動(dòng)檢測(cè)和圖形化配置，使用戶功能更加完善，使用更加方便，是今后的發(fā)展方向。