遙測前端設(shè)備通用化方案設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

1、    遙測前端設(shè)備通用化方案設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)        蔡曉東 時間:2008年09月11日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:        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)

2、論述。關(guān)鍵詞：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)備的三個組成部分分別完成以下功能：a.遙測信號模

3、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：

4、·副載波信號頻率覆蓋范圍：5kHz512kHz；·碼速率頻率覆蓋范圍：100bps16kbps；·調(diào)制體制：PCM/PSK；·字長：8bit；·幀長：41024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

5、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

6、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)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

7、；·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。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)。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

8、門限值則重新進(jìn)行捕獲。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。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。利用相位旋轉(zhuǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)。由于載波和

9、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)(