基于開關矩陣的衛(wèi)星通信測控站多路頻譜監(jiān)測系統(tǒng)設計

賈 帥，張永波

(延安大學 物理與電子信息學院，陜西 延安 716000)

0 引言

衛(wèi)星是指以衛(wèi)星為中繼站，在多個地面站間轉發(fā)無線電信號。在對衛(wèi)星進行跟蹤時，測控站天線跟蹤是否良好，直接影響到測控站能否正常接收及發(fā)送遙測信號和遙控信號[1]。在衛(wèi)星發(fā)射階段，測控站的天線系統(tǒng)需要連續(xù)跟蹤衛(wèi)星，此時，衛(wèi)星仍在傳輸軌道中運行，衛(wèi)星姿態(tài)和跟蹤信號均不穩(wěn)定[2]。該方法根據(jù)下行中頻信號頻譜的監(jiān)測狀態(tài)，確定天線跟蹤情況，依據(jù)跟蹤情況相應地實時調整地面站配置，以完成連續(xù)跟蹤衛(wèi)星的任務，并預先檢測衛(wèi)星的干擾信號，相應地采取緊急措施，最大程度地消除干擾信號的影響。基于人工監(jiān)測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)，并在需要時監(jiān)測頻譜。人工方式實時性差，不能有效地記錄和分析頻譜數(shù)據(jù)，并且自動頻譜監(jiān)測和處理方法不足。針對上述問題，設計了基于開關矩陣的衛(wèi)星通信測控站多路頻譜監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體結構設計

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

圖1 系統(tǒng)的總體結構

該系統(tǒng)包括頻譜監(jiān)測工作站、頻譜分析儀、中頻開關矩陣、射頻設備以及中頻設備等。

1)場效應管放大器：場效應管放大器放大后的微弱信號由天線接收，噪聲系數(shù)很小。

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

3)開關矩陣：主要是選擇多個輸入信號，并將兩個輸出端口分別連接頻譜分析儀。

4)光譜儀：主要是將復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，用戶只需運用工作站中的光譜監(jiān)控軟件，選擇 IF信號n5就可以開始頻譜監(jiān)測了。

2 系統(tǒng)硬件結構設計

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

圖2 系統(tǒng)硬件結構

如圖2所示，衛(wèi)星監(jiān)測站有兩個天線，C波段和Ku波段，每一個天線都能接收正、負極化雙向信號，有CA、CB、Ku-A、Ku-B四個連接通道。通過低噪聲放大器對載波信號進行變頻放大，再通過分配器分割，將載波信號一路傳送到電視監(jiān)測和頻譜分析儀進行頻譜監(jiān)測[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L-band信號的單極四投開關連接的計算機，切換通過RS232接口連接到計算機。微機控制開關和頻譜分析器，實現(xiàn)頻譜分析器下的四個下行載波信號分時顯示。

2.1 存儲器

單片計算機內(nèi)部沒有ROM，或雖有 ROM，但在容量較小時，需要擴展外部程序存儲器，以便于設計工作。因為選擇的單片機只有8 K閃存，RAM容量是512字節(jié)，EEPROM是2 K，所以需要擴展外接程序存儲器，系統(tǒng)外接存儲器芯片選擇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器[6]。在24C64中C后面的數(shù)字表示芯片的存儲容量，64表示存儲位是64 k，也就是能夠存儲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，只需兩條時鐘線和兩條數(shù)據(jù)線就可以進行數(shù)據(jù)傳輸。該方案僅需占用微處理器的兩個 I/O接口，實現(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設備，每個設備可以有自己的設備地址。當執(zhí)行讀寫操作時，需要先發(fā)送設備地址，確認后再執(zhí)行相應的操作[7]。在同一個總線上其他設備沒有響應，這一過程稱為設備編址。本設計中采用不同用戶間通話原理，24C64總線通過I2C總線與單片機通訊。圖3是24C64芯片的電路結構圖，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主要是設置芯片的設備地址。假如同一總線上存在多個設備，那么可以通過設置A0-A2引腳判斷設備地址。由于只有一臺設備，所以三根針都接地。SCL管腳是設備的一個串行同步時鐘信號。在微控制器系統(tǒng)中使用時，SCL引腳應由微控制器控制。根據(jù)程序要求，微控制器產(chǎn)生串行同步時鐘信號，實現(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，輸入或輸出數(shù)據(jù)以及地址。使用時必須使用拉力電阻，wp pin是一個寫保護的pin。當引腳連接到高電平時，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芯片的詳細信息)。在WP pin聯(lián)機時，當它與地面連接時，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)，因為電路需要正常使用[8]。只有當維護設置時，才能修改數(shù)據(jù)，此時，可以將WP跳線設置在電路中，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

串口通信是計算機系統(tǒng)中一種常用的通訊機制，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)轉換為二進制數(shù)據(jù)，并對其進行排序，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接收數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)轉換成并行數(shù)據(jù)，供計算機或外部設備使用。S3C2440有三個獨立的 DART控制器，每一個都能在中斷(中斷)模式或 DMA模式(直接內(nèi)存訪問)下工作，這意味著當 CPU和 DART控制器傳送數(shù)據(jù)時，產(chǎn)生一個中斷或 DMA請求，DART控制器就可以使用。每一個集成在S3C2440中的 DART具有兩個64字節(jié)的 FIFOS，支持最大波特率為230.4 kbps。選用MAX3232芯片進行電平轉換，其工作原理見圖4。

圖4 串口電平轉換電路

基礎的調試端口只需要完成最基本的串口通信功能，實際上就是 RXD, TXD, GND。標準中定義的高低電平信號與S3C2410系統(tǒng)中定義的 TTL電路中定義的高低電平信號是截然不同的。標準邏輯“1”對應著2～3.3 V電平，標準邏輯“0”對應著0～0.4 V電平，RS-232-C標準采用負邏輯，標準邏輯“1”對應著-5～15 V電平，標準邏輯“0”對應著-5～+15 V電平。很明顯，二者的通信必須通過信號電平轉換。

2.3 頻譜監(jiān)測服務器

頻譜分析儀是根據(jù)用戶要求，按照相應的要求，對獲得的數(shù)據(jù)進行處理而成，可以在本地輸出處理結果，包括數(shù)據(jù)庫中的顯示、打印和存儲。利用視窗2000作為載體，在VC++環(huán)境下調用 HP接口功能，可以在 PC機上實現(xiàn)光譜監(jiān)測軟件，完成計算機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，實現(xiàn)了 PC機與頻譜儀之間交互。

MS27103A是一種多端口RFID監(jiān)控平臺，可部署在需要使用多個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扇區(qū)、每個扇區(qū)有多個頻率的手機基礎設施設備[9]。多種來源的干擾都會導致呼叫中斷，數(shù)據(jù)傳輸速度慢，網(wǎng)絡性能差。MS27103A能對基站接收站(BTS)接收的信號進行監(jiān)控，便于識別和排除干擾。該監(jiān)測器還能檢測不需要的信號活動類型，有效地確定干擾源的特征并對其進行定位。

3 軟件部分設計

干擾信號指的是其本身信號的突然減少或增加，或者是相鄰干擾信號的出現(xiàn)，或者是衛(wèi)星在長期運行或早期軌道運行時，低噪聲功率的增加。利用開關矩陣對干擾信號進行控制。

開關矩陣是指開關量的行和列交叉排列，用來切換輸入輸出的各種信號，通常采用m*n矩陣結構，即在多個輸入條件下，可能存在多個輸出選項，這是一個中繼陣列，有m個輸入，n個輸出[10]。選擇一個或多個m信道，在控制部分的控制下，將信號輸出到n信道的指定信道，這意味著系統(tǒng)可以是一對一或多對一的輸入和輸出，其主要功能是傳送指定信號。

在自動接線監(jiān)測系統(tǒng)中主要完成每個衛(wèi)星通信測控站多路頻譜信號對應于發(fā)射和傳輸兩個延時時間，設每條線路頻譜監(jiān)測編號為：

h1i(i=1,2,…,i,…,n)

(1)

發(fā)射信號延時時間為：

g1i(i=1,2,…,i,…,n)

(2)

傳輸信號延時時間為：

g2i(i=1,2,…,i,…,n)

(3)

發(fā)射信號延時時間對應的時間差為：

t1i(i=1,2,…,i,…,n)

(4)

傳輸信號延時時間對應的時間差為：

t2i(i=1,2,…,i,…,n)

(5)

監(jiān)測系統(tǒng)中的開關矩陣編程數(shù)學表達式為：

(6)

開關矩陣數(shù)學表達式為：

(7)

式(6)、(7)中：t1i、t2i都是由監(jiān)測系統(tǒng)上位機生成的。基于該控制方案，利用plc編程軟件設計基于開關矩陣的多路頻譜監(jiān)測系統(tǒng)軟件流程，如圖5所示。

圖5 多路頻譜監(jiān)測系統(tǒng)軟件流程

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

4 實驗結果與分析

為了驗證基于開關矩陣的衛(wèi)星通信測控站多路頻譜監(jiān)測系統(tǒng)設計的合理性，進行實驗驗證分析。

4.1 實驗平臺設計

所有數(shù)據(jù)采集和處理計算機要求能力較強，如果數(shù)據(jù)處理量較大，會給計算機負荷造成嚴重死機現(xiàn)象，因此設計實驗平臺，保證整個實驗能在該平臺下順利進行。實驗平臺設計如圖6所示。

圖6 實驗平臺

在該實驗平臺下，數(shù)據(jù)采集接口復雜，集中在一起，不會對實驗過程造成任何干擾。

4.2 實驗結果與分析

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

圖7 四路射頻輸入端捕獲監(jiān)測信號強度分析

1)RF1：使用基于人工監(jiān)測頻譜監(jiān)測系統(tǒng)在90 s監(jiān)測時間內(nèi)，監(jiān)測信號強度最高為84 dBm，最低為32 dBm；使用基于開關矩陣監(jiān)測系統(tǒng)在90 s監(jiān)測時間內(nèi)，監(jiān)測信號強度最高為125 dBm，最低為32 dBm，與實際值基本一致。

2)RF2：使用基于人工監(jiān)測頻譜監(jiān)測系統(tǒng)在90 s監(jiān)測時間內(nèi)，監(jiān)測信號強度最高為120 dBm，最低為62 dBm；使用基于開關矩陣監(jiān)測系統(tǒng)在90 s監(jiān)測時間內(nèi)，監(jiān)測信號

強度最高為205 dBm，最低為100 dBm，與實際值基本一致。

3)RF3：使用基于人工監(jiān)測頻譜監(jiān)測系統(tǒng)在90 s監(jiān)測時間內(nèi)，監(jiān)測信號強度最高為225 dBm，最低為100dBm；使用基于開關矩陣監(jiān)測系統(tǒng)在90 s監(jiān)測時間內(nèi)，監(jiān)測信號強度最高為310 dBm，最低為210 dBm，實際值在90 s監(jiān)測時間內(nèi)，監(jiān)測信號強度最高為325 dBm，最低為210 dBm。

4)RF4：使用基于人工監(jiān)測頻譜監(jiān)測系統(tǒng)在90 s監(jiān)測時間內(nèi)，監(jiān)測信號強度最高為95 dBm，最低為25 dBm；使用基于開關矩陣監(jiān)測系統(tǒng)在90 s監(jiān)測時間內(nèi)，監(jiān)測信號強度最高為245 dBm，最低為100 dBm，實際值在90 s監(jiān)測時間內(nèi)，監(jiān)測信號強度最高為270 dBm，最低為100 dBm。

通過上述研究內(nèi)容可知，使用基于開關矩陣監(jiān)測系統(tǒng)對四路射頻輸入端處信號監(jiān)測精準度較高。

5 結束語

針對衛(wèi)星通信網(wǎng)絡管理中心的實際工作需求，設計了一種基于交換矩陣的衛(wèi)星通信多信道測控站頻譜監(jiān)測系統(tǒng)。大量收集，使人力資源從繁重的監(jiān)控任務中解放出來，提高了工作效率。使用基于開關矩陣監(jiān)測系統(tǒng)對四路射頻輸入端處信號監(jiān)測系統(tǒng)，不僅提高了衛(wèi)星通信和傳輸?shù)氖褂每煽啃裕€提高了衛(wèi)星通信管理的自動化水平，在衛(wèi)星公司網(wǎng)絡管理中心和通信業(yè)務監(jiān)測等領域具有廣泛的推廣和應用價值。

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