中頻信號實時監測系統的設計與實現

孟學軍,何高峰,寇 鵬

（1.西安衛星測控中心,陜西 西安 710043;2.國防科技大學,湖南 長沙 410073）

0 引言

在系統衛星通信網中,目前各個衛星通信地球站中頻信號運行狀態的監測手段主要是頻譜分析儀,需要人工輸入參數,人工記錄鏈路狀態,對站內業務中頻信號監測一遍需要時間長,特別是在多顆衛星同時進行測控和任務聯調時,無法對每一路衛星通信信道的中頻信號進行全天候監測,也不能對故障隱患實現診斷告警。監測方式反應遲緩,故障確認及排除效率低,需要盡快建立一套智能化的監測手段,以適應地球站發展的需要。中頻信號實時監測系統的設計實現了衛星通信中頻信號頻譜信息的實時自動監測和頻譜特性的精確分析。

1 系統結構及組成

1.1 系統結構

系統主要由2部分組成:硬件和監測計算機,如圖1所示。

圖1 系統結構圖

硬件由模擬部分和數字部分組成。系統硬件通過接入下變頻器輸出支路,計算載波和噪聲電平值。監測計算機通過接口電路接收載波的信號和噪聲電平值,軟件部分采用信號處理技術,近似計算載噪比,測量分析頻譜特性,對載波信號通斷、載波干擾、功率衰減、日凌等提供決策告警,并自動存儲監測結果,實現對站內所有中頻信號載波的實時自動監測。

1.2 系統的功能

系統通過對衛星通信系統中的中頻信號進行自動和連續的測量、統計分析、決策和告警,實現對衛星通信地球站收發中頻信號載波的實時監測,及時發現存在的隱患,主要功能有:

①監測載噪比:實時監測站內所有中頻信號的載噪比以及電平;

②自動告警:對中頻信號載波的有無、載噪比異常進行判斷,對異常情況進行告警;

③頻譜分析:對設定的中頻信號載波進行掃描并繪制出頻譜圖,顯示其頻譜特性;

④狀態存儲:對每次監測到的中頻信號載波電平和載噪比進行對比分析,并記錄結果;

⑤選擇功能:可以選擇需要監測的信號,只對選擇的信號載波進行監測;

⑥參數設置:對要監測的中頻信號載波的數量、參數等進行設置,滿足不同用戶需求;

⑦信息查詢和打印:對系統記錄的載噪比、告警記錄等信息進行查詢和打印。

1.3 系統的組成

中頻信號實時監測系統主要由信號接收、信號采集和處理、實時監測以及系統管理計算機等部分組成,如圖2所示。

圖2 系統組成框圖

信號接收部分的主要功能就是接收中頻信號。系統只接收從衛星下來的信號而不向衛星發射信號,可獨立連接到任何能接收到衛星下行中頻信號的設備上。

信號采集和處理部分主要由模擬開關、窄帶濾波器、功率有效值檢測及數字信號的有源分配器和合成器等硬件系統構成。接收到中頻信號后,按程序預先設置的衛通信道,對指定的中頻信號載波進行頻率變換、頻帶選擇和采樣、數字化濾波,對所得數據進行分析處理,得到反映系統當前性能和運行狀態的實際參數值。

實時監測部分按照事先設定的程序負責日常的自動輪詢監測。用戶通過計算機對各部分進行管理,使其在指定方式下協調一致工作,以完成設定的任務。

2 硬件部分的設計與實現

中頻信號實時監測系統的硬件包括模擬部分和數字部分。硬件部分的主要任務是根據主機設置的參數完成輸入信號的頻率變換、參數的采樣及數字化濾波等。

2.1 模擬部分的設計及實現

衛星地球站調制解調的輸出輸入信號是70MHz的中頻信號。為了降低監測系統硬件電路在設計上的復雜度,經過再次變頻使模擬信號的頻率降為10.7MHz,這樣做不僅是濾波器的需要,而且可以避免頻率過高帶來的鎖相環電路不能穩定工作等問題。

模擬電路接收下變頻器輸出的70MHz±18MHz中頻信號,經濾波放大送入混頻器,和頻率合成器產生的另一中頻信號進行差頻,得到一固定10.7MHz中頻信號,經過兩級窄帶濾波后放大送入功率檢測電路,監測得到一個反映原信號功率的直流電壓,然后將該電壓送入數字部分。

中頻率合成器電路由PLL頻率合成芯片MC145158、前置分頻器MC12018、放大電路和參考晶振組成,頻率合成器根據被測試頻率,經壓控振蕩器后輸出一個相應的中頻信號,經過調整后與輸入中頻監測信號混頻,產生一個固定的10.7MHz的信號。混頻電路主要由AD831組成,芯片的工作電壓為+9.5V直流。中頻信號輸入與壓控振蕩器輸入經混頻輸出一個差頻信號。調制功率檢測電路采用AD606芯片作為功率有效值檢測器,輸入信號先經過一個帶寬為1.5kHz的帶通濾波器,送入AD606,經梯形電阻衰減器進行衰減,使衰減值可以連續準確變化,衰減值由電壓控制。衰減后的信號送到一個高性能寬帶放大器進行放大,再由一個寬帶平方律檢波器檢波,檢波輸出的信號經濾波后與另一個平方電路的輸出進行比較。2個平方電路的輸出信號差分輸入到高增益誤差放大器后,檢測結果由D606的VLOG輸出,它是一個直流信號。電壓變換公式為:

式中,Vin為D606芯片的管腳INHI和INLO端電壓差;Vx和Vy為固定值;Vx=0.5V,Vy=37.5mV/dB。

2.2 數字部分的設計與實現

數字部分將模擬電路部分的功率檢測結果反饋至監測計算機,計算機獲得反饋結果后,利用軟件對監測的信息實時輸出;根據計算機指令對數模轉換模塊和頻率合成器進行初始化配置和編程。數字部分不僅要處理好與模擬部分的數據交換,而且要通過串行口及時將檢測結果上傳至計算機。同時要保證本機初始狀態的確定性。電路如圖3所示。

圖3 數字部分的設計框圖

單片機主要完成設備運行狀況的檢測,包括電源電壓、頻率合成器狀態等。通過串口接收主機輸出的指令和參數,設置測試載波的頻率范圍,控制信號采樣和功率,并將設備運行狀態和測試的信號電平值輸入主機。看門狗電路的功能是當程序發生故障時能使受控系統重新啟動,增加系統的穩定性;程序寄存器、參數寄存器是單片機在編程過程中的程序代碼、變量、預制狀態值等的存儲空間。

在實現過程中,選用80C552單片機作為主控CPU,完成設備運行狀況的檢測,包括電源電壓、頻率合成器狀態等。通過串口接收主機輸出的指令和參數,設置測試載波的頻率范圍,控制信號采樣和功率,并將設備運行狀態和測試的信號電平值輸入主機。選用LT1139芯片進行信號電平轉換,實現硬件與主機的通信。

被檢測信號經過窄帶濾波器時,由于實際濾波器特性與理想濾波器特性存在差異,為精確計算被測信號功率值,采用三階切比雪夫濾波器進行了修正。

3 軟件部分的設計

3.1 軟件結構設計

監測軟件主程序采用了C++編寫,頻譜分析外掛程序采用VB編寫,系統數據庫使用SQL SERVER搭建,運行在Windows XP環境下。主程序采用單進程多線程設計模式。

（1）線程設計

系統線程包括數據顯示主線程和串口測試線程。主線程采用MFC的單視圖文檔結構模版搭建,主線流程如圖4所示。

圖4 主線程流程圖

主線程啟動時先檢查有無正在運行的監測進程,如果有,報告后程序退出;如果沒有,則先檢查數據庫連接情況,如果數據庫已連接,則初始化主窗口界面,界面左下角顯示當前數據庫中頻載波參數表中有記錄的所有方向供用戶選擇,界面當前狀態顯示上次測試的方向。當主界面成功初始化后,進入窗口測試線程初始化同步串口,成功后將線程掛起,等待用戶開始測試。

串口測試線程用于打開、設置串口,與監測單元交互數據,接收返回數據并處理。主要包括打開并設置串口函數,用于設置串口通信速率、奇偶校驗模式、流量控制、數據位、停止位和超時等參數;寫串口函數,用于將測試數據寫入串口緩沖區;循環發送函數,用于將主界面上“當前狀態顯示”列表中測試數據循環發送;接收等待函數,用于等待接收事件觸發中斷;接收數據處理函數,用于將接收到的數據處理,判斷是否記錄,判斷是否告警,計算載噪比,將載波狀態顯示在主界面上;封裝數據格式,用于將載波參數封裝成設計的數據格式。串口收發采用異步模式,接收數據采用中斷觸發方式。

（2）數據格式

系統軟件部分的功能由多個功能單元模塊來實現,各個功能模塊之間有數據交換,通過定義內部數據接口來規范進程之間的數據通信。

3.2 軟件模塊的劃分

監測軟件按照功能分為5個模塊:人機交互模塊、數據庫管理模塊、數據通信模塊、數據處理與存儲模塊、顯示監測模塊。

人機交互模塊負責對用戶輸入參數的檢查存儲,將被監測信道列出供用戶選擇。使用時只需在“當前狀態顯示”區點擊“開始測試”按鈕,軟件就能自動發送測試指令并接收監測單元返回的監測數據。

數據庫管理模塊實現對監測數據庫中電路參數表、狀態記錄表、告警列表的管理。如有告警,立即記錄到告警列表中,同時發出聲音“XX方向告警”,提示值班人員進行處理。

數據通信模塊實現與監測單元的通信功能。通過消息機制將數據送往數據處理與存儲模塊。先從數據處理與存儲模塊中讀取被測量的中頻信號載波的中心頻率和帶寬,啟動串口收發數據線程,將測試數據發往監測單元,等待硬件穩定后接收其發回的測試結果,并傳遞給數據處理與存儲模塊,然后循環執行上述過程。

數據處理與存儲模塊首先從數據庫管理模塊中讀取被監測中頻載波的參數,用一個數組將其存儲,根據需要進行發送;響應數據通信模塊發送的數據接收消息,從數據隊列中讀出數據;將需存盤的數據送往數據庫管理模塊保存,需要顯示的數據利用消息機制通知顯示監測模塊進行顯示。考慮到數據庫大小及查詢快慢問題,系統在每月結束時,自動將本月數據導出數據庫,并以文本文件形式存儲在data文件夾中,文本文件命名格式為:XXXX年XX月.txt。

顯示監測模塊完成監測結果的顯示,包括當前電路狀態顯示、告警列表顯示及告警聲音啟動,提供人機界面來選擇測試方式,選擇被監測電路。

3.3 類的劃分

①外部接口類。外部接口類主要是串口類,用于建立網絡接口類實現網絡套接字創建、連接和讀寫操作;建立串口類實現命名串口的創建、異步讀寫操作;

②數據處理類。用于接收數據通信部件傳送的內部格式數據,并進行處理,需要顯示更新的發消息通知顯示類,有發往外部接口的數據通信通過數據通信部件進行發送;

③顯示類。提供人機接口界面實現對觀察項的配置,收到數據處理類發送的顯示更新消息后,從數據隊列中提取出數據進行顯示;

④數據庫類。數據庫類的變量建立與數據庫字段的捆綁;

⑤數據庫窗口。提供對數據庫的讀寫、添加刪除操作功能。

4 結束語

中頻信號實時監測系統開發完成后,對其性能與在用頻譜儀的測試結果進行了比較,經過該系統處理后得到的載波頻譜與頻譜儀測得到的載波頻譜圖形一致,完全滿足實際工作的需求。該系統的實現,克服了傳統監測手段的局限性,對提高設備在線維護能力,快速壓縮、排除設備故障,提供了可靠的保證。通過衛星通信網內部多個通信地球站的應用,驗證了該系統設計的合理性和實用性,不僅可以為值勤人員提供可靠、實時的載波信息,同時可對載波中斷、星上干擾、日凌和星蝕等情況進行及時告警,極大地提高了衛星通信電路故障告警和集中監測的能力。

[1]王秉鈞,王少勇.衛星通信系統[M].北京:機械工業出版社,2004.

[2]李學坤.VSAT網絡監控系統的研制[D].四川大學:Y462703.四川:四川大學,2002:1-3.

[3]彭啟蹤.DSP與實時數字信號處理[M].成都:電子科技大學出版社,1995:2-4.