一種衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)鏈路數(shù)據(jù)異常分析

陳建光 向 前 朱 丹 周希俠

(上海航天測(cè)控通信研究所,上海 201109)

1 引言

某衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)在軌測(cè)試初期發(fā)現(xiàn)數(shù)傳分系統(tǒng)延時(shí)云圖發(fā)射機(jī)(DPT)鏈路偶爾有個(gè)別軌道數(shù)據(jù)接收異常現(xiàn)象。在軌衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)固態(tài)存儲(chǔ)器工作溫度在0℃左右,DPT 工作溫度在10℃左右,出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時(shí),整個(gè)跟蹤軌道接收數(shù)據(jù)均異常,這種數(shù)據(jù)異常現(xiàn)象在其他地面接收站接收時(shí)都出現(xiàn)過(guò),最后通過(guò)采取衛(wèi)星溫控系統(tǒng)加熱和數(shù)傳發(fā)射機(jī)提前開(kāi)機(jī)措施后,數(shù)傳系統(tǒng)單機(jī)工作溫度有所提高,DPT數(shù)傳鏈路這種數(shù)據(jù)接收異常現(xiàn)象消失。為防止后續(xù)衛(wèi)星數(shù)傳系統(tǒng)出現(xiàn)重復(fù)問(wèn)題,本文對(duì)該型號(hào)衛(wèi)星數(shù)傳鏈路問(wèn)題進(jìn)行了分析研究,并通過(guò)地面試驗(yàn)?zāi)M問(wèn)題復(fù)現(xiàn)、電路改進(jìn)、試驗(yàn)驗(yàn)證等一系列措施,最終提高了產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)能力和系統(tǒng)的可靠性。

2 數(shù)傳鏈路數(shù)據(jù)異常問(wèn)題分析

觀察地面站接收信號(hào)頻譜[1]以及其他射頻指標(biāo)正常,從云圖顯示上看,不能看出云圖信息,只有不規(guī)則的橫條和麻點(diǎn),對(duì)地面站接收數(shù)據(jù)進(jìn)行事后分析,出錯(cuò)數(shù)據(jù)幀頭、虛擬信道標(biāo)識(shí)號(hào)(VCID)、幀計(jì)數(shù)錯(cuò)誤較多,數(shù)據(jù)出錯(cuò)位置毫無(wú)規(guī)律,用高速率數(shù)據(jù)接收機(jī)(HDR)測(cè)試觀察,異常現(xiàn)象表現(xiàn)為接收數(shù)據(jù)大量丟幀、幀同步有失鎖現(xiàn)象、接收碼速率相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的124M bit/s 偏移達(dá)到10kHz 以上,這種數(shù)據(jù)異常現(xiàn)象在其他地面接收站都曾出現(xiàn)。綜合以上現(xiàn)象可以分析得出,數(shù)傳分系統(tǒng)DPT 數(shù)傳發(fā)射機(jī)的信道編碼(3/4,7卷積編碼)、信號(hào)調(diào)制、調(diào)制信號(hào)功率放大等都沒(méi)有問(wèn)題。固態(tài)存儲(chǔ)器(SS R)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)沒(méi)有問(wèn)題,因?yàn)榇嫒牍檀娴臄?shù)據(jù)是由數(shù)傳系統(tǒng)信息處理器提供,信息處理器輸出的帶有幀格式的數(shù)據(jù)是通過(guò)其他數(shù)傳鏈路下傳的,地面站接收正常。因此,問(wèn)題出在固態(tài)存儲(chǔ)器和數(shù)傳發(fā)射機(jī)之間的數(shù)據(jù)時(shí)鐘接口部分,固態(tài)存儲(chǔ)器是以1 路時(shí)鐘加8 路并行數(shù)據(jù)的方式傳送給數(shù)傳發(fā)射機(jī)。從HDR 接收機(jī)顯示的碼速率偏差10kHz 以上的情況進(jìn)一步判斷,數(shù)傳發(fā)射機(jī)中93MHz時(shí)鐘晶振鎖相環(huán)(PLL)[2]發(fā)生了失鎖現(xiàn)象。

3 時(shí)鐘鎖相環(huán)晶振電路失鎖分析

3.1 時(shí)鐘鎖相環(huán)晶振電路組成和工作原理

DPT 數(shù)傳發(fā)射機(jī)93M Hz時(shí)鐘鎖相環(huán)晶振電路[3-4]由輸入時(shí)鐘(固態(tài)存儲(chǔ)器送至DPT 數(shù)傳發(fā)射機(jī))2分頻電路、壓控晶振電路、2倍頻和放大電路、16分頻電路和鑒相器[5]電路等組成。93M Hz時(shí)鐘鎖相環(huán)晶振電路組成如圖1所示。

圖1 93M Hz時(shí)鐘鎖相環(huán)晶振電路組成圖Fig.1 Block diagram of the 93M Hz PLL

壓控晶體產(chǎn)生的46.5M Hz 的正弦波信號(hào),經(jīng)過(guò)2倍頻、放大后得到93M Hz 的正弦波信號(hào),再將正弦波轉(zhuǎn)成93M Hz 方波信號(hào),93M Hz 方波信號(hào)一路輸出給數(shù)據(jù)編碼電路使用,作為發(fā)射機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào),另一路進(jìn)行16分頻后與外部輸入11.625M Hz時(shí)鐘(固態(tài)存儲(chǔ)器輸出時(shí)鐘信號(hào))的2分頻信號(hào)進(jìn)行鑒相,如此來(lái)保證DPT 數(shù)傳發(fā)射機(jī)中信道編碼電路用93M Hz 方波信號(hào)與固態(tài)存儲(chǔ)器輸入11.625M Hz時(shí)鐘信號(hào)同步對(duì)齊。

3.2 時(shí)鐘鎖相環(huán)晶振電路失鎖問(wèn)題分析

考慮造成DPT 數(shù)傳發(fā)射機(jī)93M Hz時(shí)鐘鎖相環(huán)晶振電路失鎖有兩種可能:

1)固態(tài)存儲(chǔ)器輸出到DPT 的11.625MHz時(shí)鐘頻率發(fā)生較大偏差,超出數(shù)傳發(fā)射機(jī)可以鎖定的時(shí)鐘頻率范圍。

固態(tài)存儲(chǔ)器采用的晶振是MM DC-Tech 公司生產(chǎn)的軍用抗輻級(jí)晶振WO50AV11.625 000M Hz,工作溫度在-55℃～+125℃之間,頻率穩(wěn)定度在1×10-4～1×10-5[6]。

為進(jìn)一步掌握該器件的性能,將同一批晶振選擇2 片進(jìn)行了0℃、5℃和10℃(固態(tài)存儲(chǔ)器在星上實(shí)際工作環(huán)境溫度0℃～10℃)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試和電壓拉偏測(cè)試以及0℃的24h 以上的頻率漂移測(cè)試,測(cè)試結(jié)果良好,頻率偏差不超過(guò)0.2kHz;進(jìn)行晶振帶負(fù)載0℃、5℃和10℃的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試和電壓拉偏±10%測(cè)試以及0℃的24h 頻率漂移測(cè)試,結(jié)果頻率偏差也不超過(guò)0.2kHz,符合要求。

為了進(jìn)一步排查問(wèn)題,固態(tài)存儲(chǔ)器進(jìn)行單機(jī)自檢測(cè)試以及與DPT 數(shù)傳發(fā)射機(jī)連接進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試,固態(tài)存儲(chǔ)器輸出11.625M Hz 的標(biāo)準(zhǔn)值偏差不超過(guò)±0.2kHz;將固態(tài)存儲(chǔ)器初樣單機(jī)上的晶振更換為正樣單機(jī)所用的同批次11.625M Hz 晶振,固態(tài)存儲(chǔ)器單機(jī)置于真空罐內(nèi)與DPT 發(fā)射機(jī)進(jìn)行聯(lián)試,并用頻率計(jì)數(shù)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)頻率變化,固態(tài)存儲(chǔ)器在真空-15℃～+45℃溫度范圍內(nèi)輸出時(shí)鐘頻率變化情況見(jiàn)表1。

表1 固態(tài)存儲(chǔ)器輸出時(shí)鐘頻率Table1 Output frequency of the SSR

由上述測(cè)試數(shù)據(jù)可以初步得出,固態(tài)存儲(chǔ)器輸出11.625 M Hz時(shí)鐘頻率隨溫度的變化關(guān)系是高溫時(shí)輸出頻率偏低,低溫時(shí)輸出頻率偏高。在低溫-14℃時(shí),頻率偏差為+0.218 kHz;在高溫+46℃時(shí),頻率偏差為-0.352kHz。

固態(tài)存儲(chǔ)器輸出時(shí)鐘頻率隨溫度變化對(duì)應(yīng)曲線如圖2所示。

圖2 固態(tài)記錄器輸出時(shí)鐘頻率與溫度對(duì)應(yīng)曲線圖Fig.2 Output f requency of the SS R at different temperature points

由上述分析和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可以看出,固態(tài)存儲(chǔ)器輸出時(shí)鐘頻率變化正常,問(wèn)題發(fā)生在固態(tài)存儲(chǔ)器輸出頻率偏差較大的可能性較小,但仍不能完全排除發(fā)生問(wèn)題的可能性,該類(lèi)晶振的頻率穩(wěn)定度指標(biāo)最大可能至1×10-4,所以對(duì)固態(tài)存儲(chǔ)器內(nèi)部時(shí)鐘晶振應(yīng)加強(qiáng)環(huán)境試驗(yàn)考核。

2)DPT 數(shù)傳發(fā)射機(jī)93M Hz時(shí)鐘鎖相環(huán)晶振電路出現(xiàn)問(wèn)題,造成環(huán)路失鎖。

用5臺(tái)DPT 發(fā)射機(jī)分別做不同溫度下的時(shí)鐘鎖定試驗(yàn),其中4臺(tái)工作正常,1臺(tái)單機(jī)在高溫45℃以上出現(xiàn)時(shí)鐘失鎖現(xiàn)象。另外,對(duì)DPT 數(shù)傳發(fā)射機(jī)時(shí)鐘鎖定頻率范圍變化進(jìn)行試驗(yàn)摸底。連接測(cè)試如圖3所示。

圖3 DPT時(shí)鐘鎖定頻率范圍變化測(cè)試框圖Fig.3 Testing sketch of the DPT PLL frequency lock range

碼源設(shè)置輸出速率為93Mbit/s,PN23 的偽隨機(jī)碼,且傳輸速率可以1kbit/s 步進(jìn)調(diào)整。通過(guò)8路分路輸入到DPT ,通過(guò)HDR 進(jìn)行PN 23 偽隨機(jī)碼比對(duì)。在-15℃～+45℃溫度變化范圍選擇多個(gè)測(cè)試溫度點(diǎn),以93M bit/s為中心頻率、以1kbit/s步進(jìn)上下調(diào)整碼源輸出頻率,直到HDR 接收對(duì)比數(shù)據(jù)有誤碼出現(xiàn),記錄此時(shí)的碼源輸出頻率,得到DPT 鎖定時(shí)鐘頻率范圍。測(cè)試記錄如表2所示。

DPT 鎖定時(shí)鐘頻率范圍與溫度對(duì)應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 DPT時(shí)鐘鎖定頻率范圍對(duì)應(yīng)曲線圖Fig.4 DPT PLL locked f requency at different temperature points

表2 DPT 發(fā)射機(jī)時(shí)鐘鎖定頻率范圍Table2 DPT transmitter PLL frequency lock range

由上述測(cè)試數(shù)據(jù)看出,DPT時(shí)鐘鎖定時(shí),在低溫-15℃時(shí)允許的頻率偏差范圍為:+0.9kHz～-2.9kHz,在高溫+45℃時(shí),允許的頻率偏差范圍為:+1kHz～-1.6kHz。隨著環(huán)境溫度由低到高,時(shí)鐘鎖定頻率范圍逐漸縮小。

全溫度范圍內(nèi)固態(tài)存儲(chǔ)器輸出時(shí)鐘的頻偏(相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)11.625M Hz)與DPT 發(fā)射機(jī)鎖相環(huán)鎖定允許頻差變化曲線如圖5所示。

圖5 DPT 鎖相環(huán)時(shí)鐘鎖定范圍與固態(tài)存儲(chǔ)器輸入時(shí)鐘頻率隨溫度變化曲線Fig.5 DPT PLL frequency lock range and SSR frequency at different temperature points

由圖5可以看出,在-10℃～+50℃全溫度范圍內(nèi),固態(tài)存儲(chǔ)器時(shí)鐘頻率都在DPT時(shí)鐘鎖定范圍之內(nèi),且有一定余量。

1臺(tái)初樣DPT 的93M Hz時(shí)鐘鎖相環(huán)在高溫下試驗(yàn)出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象,用示波器監(jiān)測(cè)高溫失鎖單機(jī)鎖相環(huán)內(nèi)部電路信號(hào),監(jiān)測(cè)點(diǎn)①②③④⑤⑥如圖6所示。

圖6 鎖相環(huán)示波器測(cè)試點(diǎn)圖Fig.6 Testing points of the DPT PLL with Oscilloscope

鎖相環(huán)在常溫下鎖定時(shí),圖6中測(cè)試點(diǎn)①②③ ④的波形正常同步,波形依次如圖7,測(cè)試點(diǎn)①的波形是93M Hz時(shí)鐘信號(hào),測(cè)試點(diǎn)②的波形是93M Hz時(shí)鐘信號(hào)的4分頻信號(hào),測(cè)試點(diǎn)③的波形是93M Hz時(shí)鐘信號(hào)的16分頻信號(hào)。測(cè)試點(diǎn)④的波形是11.625M Hz時(shí)鐘信號(hào)的2分頻信號(hào)。

圖7 各測(cè)試點(diǎn)正常波形圖Fig.7 Normal waveforms of testing points on oscilloscope

在高溫+45℃以上,鎖相環(huán)失鎖時(shí),觀測(cè)到鑒相器輸入波形③和④不能同步鎖定,且周期也不一樣。此時(shí),測(cè)試點(diǎn)②的波形信號(hào)同時(shí)有4分頻和6分頻存在時(shí),測(cè)試點(diǎn)③輸出波形是測(cè)試點(diǎn)②的4分頻信號(hào)正常,如圖8所示。

圖8 測(cè)試點(diǎn)波形圖Fig.8 Waveforms of testing points on oscilloscope

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),DPT 數(shù)傳發(fā)射機(jī)的時(shí)鐘鎖相環(huán)失鎖,問(wèn)題主要出在位號(hào)D3 的54S74 芯片的第一個(gè)2分頻電路。測(cè)試點(diǎn)⑥處的波形由正常時(shí)①處波形的2分頻變成了3分頻。

分析其中機(jī)理,DPT 數(shù)傳發(fā)射機(jī)時(shí)鐘鎖相環(huán)內(nèi)位號(hào)為D3 的54S74 芯片(93MHz時(shí)鐘的2分頻)在某溫度條件下產(chǎn)生了3分頻的錯(cuò)誤時(shí)鐘,而產(chǎn)生錯(cuò)誤時(shí)鐘是由于54S74分頻器芯片的實(shí)際工作頻率93MHz 已經(jīng)接近器件110M Hz 極限工作頻率[7],從而造成時(shí)鐘鎖相環(huán)失鎖。時(shí)鐘鎖相環(huán)的失鎖導(dǎo)致DPT 數(shù)傳發(fā)射機(jī)用不同步的93M Hz時(shí)鐘信號(hào)對(duì)固態(tài)存儲(chǔ)器送來(lái)的8 路并行輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行采數(shù),在數(shù)據(jù)時(shí)鐘接口處直接造成采數(shù)出錯(cuò),固態(tài)存儲(chǔ)器輸出的是具有幀格式的數(shù)據(jù),數(shù)傳發(fā)射機(jī)信道編碼電路對(duì)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行了卷積編碼處理,因此,地面接收站接收處理的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常現(xiàn)象。

此故障現(xiàn)象與衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)在軌飛行初期測(cè)試偶爾出現(xiàn)的數(shù)據(jù)異常現(xiàn)象吻合。

4 時(shí)鐘鎖相環(huán)晶振電路設(shè)計(jì)改進(jìn)及試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 時(shí)鐘鎖相環(huán)晶振電路改進(jìn)

利用DPT 數(shù)傳發(fā)射機(jī)原有卷積編碼的高速現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)芯片[8-9]將54S04 和54S74芯片替換掉,完成正弦波轉(zhuǎn)方波和時(shí)鐘分頻的功能,改進(jìn)后的93M Hz時(shí)鐘鎖相環(huán)晶振電路方案如圖9所示。

經(jīng)過(guò)時(shí)鐘鎖相環(huán)晶振電路的局部改進(jìn)以及信號(hào)電纜走向與結(jié)構(gòu)作相應(yīng)地小改動(dòng),此方案解決了原先54S04 和54S74 實(shí)際工作頻率與截止工作頻率接近,工作頻率降額設(shè)計(jì)[10]余量不足的問(wèn)題。

圖9 93MH z時(shí)鐘鎖相環(huán)晶振電路改進(jìn)后的組成圖Fig.9 Diagram of improved circuit of 93MH z PLL

4.2 設(shè)計(jì)改進(jìn)后的時(shí)鐘鎖定試驗(yàn)驗(yàn)證

DPT 數(shù)傳發(fā)射機(jī)的93M Hz時(shí)鐘鎖相環(huán)電路設(shè)計(jì)改進(jìn)后,經(jīng)過(guò)整機(jī)常溫測(cè)試和高低溫試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證,鎖相環(huán)時(shí)鐘鎖定范圍明顯增大,系統(tǒng)測(cè)試無(wú)誤碼。在全溫-15℃～+55℃范圍內(nèi),時(shí)鐘可鎖定的頻率偏差范圍測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù),畫(huà)出DPT 數(shù)傳發(fā)射機(jī)整機(jī)在高低溫環(huán)境下,對(duì)應(yīng)時(shí)鐘鎖定范圍的高端頻率偏差和低端頻率偏差變化曲線如圖10所示,從圖10中可以更直觀地看出改進(jìn)后的DPT時(shí)鐘鎖定頻率范圍,要比改進(jìn)前增加1倍左右,其鎖定范圍隨溫度變化小,更加穩(wěn)定,允許固態(tài)存儲(chǔ)器輸出時(shí)鐘頻率的偏差范圍也就相應(yīng)地增加。

表3 DPT數(shù)傳發(fā)射機(jī)的時(shí)鐘鎖定允許頻率偏差范圍Table3 Allowed frequency deviation range of DPT PLL

圖10 改進(jìn)后的DPT時(shí)鐘可鎖定的頻率偏差范圍與溫度曲線圖Fig.10 Improved DPT PLL locked frequency deviation range at different temperature points

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)在軌測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象的分析研究,查找引起此類(lèi)異常現(xiàn)象的可能原因,并通過(guò)地面試驗(yàn)?zāi)M和問(wèn)題現(xiàn)象復(fù)現(xiàn),找出了產(chǎn)生問(wèn)題的具體原因,對(duì)暴露的時(shí)鐘鎖相環(huán)晶振電路存在的缺陷進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn),通過(guò)各種溫度試驗(yàn)驗(yàn)證,提高了產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)能力和可靠性,最終對(duì)在軌衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)DPT 鏈路出現(xiàn)的異常現(xiàn)象給出了合理解釋,可防止后續(xù)型號(hào)衛(wèi)星出現(xiàn)相同的問(wèn)題。

References)

[1]Christoph Rauscher.頻譜分析原理[M].羅德與施瓦茨公司,1999

[2]張厥盛,鄭繼禹,萬(wàn)心平.鎖相技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2003

[3]胡華春,石玉.數(shù)字鎖相環(huán)路原理與應(yīng)用[M].上海:科學(xué)技術(shù)出版社,1990

[4]王文理,張霞.基于FPGA的全數(shù)字鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2009,17(1):39-40,43

[5]劉震余,宋鴻霞,夏仲英.MC4044 數(shù)字鑒相器的分析及應(yīng)用[J].無(wú)線電通信技術(shù),1982(4)

[6]M MDC-Tech 公司.Frequency control products[Z].M MDC-Tech 公司,2009

[7]TI 公司.Dual D-type positive-edge-triggered flip-flops with preset and clear[EB/OL].[1983-12-01].http://focus.ti.com/lit/ds/sym link/sn54s74.pdf

[8]Xilinx 公司.QPROTMVirtexTM2.5V radiation hardened FPGAs [EB/OL].[2001-02-13].http://www.xilinx.com

[9]Xilinx 公司.QPro series configuration PROMs (XQ) including radiation-hardened series (XQR)[EB/OL].[2001-11-05].http://www.xilinx.com

[10]戴慈莊.降額設(shè)計(jì)中若干問(wèn)題的研究[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),1995,21(4):30-34