遥测前端设备通用化方案设计及实现
2008-09-11
作者：蔡晓东
摘 要： 主要对通用化遥测前端设备的组成、功能及性能指标进行了描述，并对通用化遥测前端设备的关键技术和实现途径进行了重点论述。
关键词： 遥测前端设备 遥测信号模拟" title="信号模拟">信号模拟源 遥测信号" title="遥测信号">遥测信号匹配器 遥测信号解调器" title="信号解调器">信号解调器 副载波(PSK)信号
遥测前端设备是地面综合测试系统与卫星的主要信息接口之一，负责下行遥测数据采集，同时与总控测试设备(OCOE)的主测试计算机(MTP)和专用测试设备(SCOE)计算机通过网络相连接，构成卫星地面综合测试系统网络，完成整星的综合测试。
遥测前端设备是卫星地面综合测试系统的重要组成部分，它由遥测信号模拟源、遥测信号匹配器、遥测信号解调器组成。要实现遥测前端设备的通用化，关键在于对遥测前端设备的副载波频率、帧格式、码速率、调制体制等参数的设置，达到同一套遥测前端设备能适应不同卫星的测试。
1遥测前端设备的功能和性能
1.1设备的主要功能
遥测前端设备的三个组成部分分别完成以下功能：
a.遥测信号模拟源可以输出卫星遥测模拟信号，提供给遥测信号解调器自检和误码率测试用；
b. 完成副载波(PSK)信号功率、阻抗匹配与隔离；
c.完成对遥测遥控和数传专用测试设备(TT&C SCOE) 或遥测信号模拟源输出的一定范围内任意频率的副载波解调和数据恢复；
d. 多星兼容，具有一定的可扩展性；
e. 可以本控或远控完成对遥测信号模拟源、遥测信号解调器工作参数、工作状态、设备配置的控制；
f. 按卫星的数据要求通过计算机网络发送原始遥测数据组合数据帧和实时帧，具备遥测数据挑点处理、显示及数据回放功能；
g. 具有设备状态、工作参数巡检、故障报警功能。
1.2设备的主要性能
通用遥测前端设备的主要性能指标如下：
·副载波信号频率覆盖范围：5kHz~512kHz；
·码速率频率覆盖范围：100bps~16kbps；
·调制体制：PCM/PSK；
·字长：8bit；
·帧长：4~1024字(偶数)；
·帧同步码组：16、24、32bit可选。
2 遥测前端设备通用化方案设计
2.1设备组成
遥测前端设备的总线形式采用PCI总线，基于PCI接口的遥测前端设备组成框图如图1。信号模拟源和信号匹配器单独由一个机箱组成，遥测解调器作为一块功能卡插在遥测前端计算机的PCI插槽中，通过PCI总线与计算机进行数据交互，遥测前端计算机的数据处理软件完成遥测数据的采集、处理、存储、显示等功能。
2.2 遥测信号模拟源通用化设计
通用遥测模拟源主要包括：通用遥测仿真计算机、通用PSK调制器。通用遥测仿真计算机由遥测前端计算机和测试软件组成。仿真软件可对卫星遥测格式、参数内容等进行设置，可以产生两种仿真数据流，一种用于设备自检或软件调试，另一种用于误码率测试。仿真信号经异步串行接口送通用PSK调制器进行调制，通用PSK调制器为可设置副载波频率和码速率的通用调制设备。
遥测信号模拟源由遥测前端计算机、数字信号处理器、数字副载波产生器、码同步产生器、低通滤波器和PCI接口等组成，其原理框图如图2所示。它采用直接数字频率合成器(DDS)作为数字副载波产生器、码同步产生器，通过数字信号处理器的控制和运算，产生相应的数字调制波，经PSK数字调制产生PSK信号。
2.3 遥测信号匹配器通用化设计
输入、输出端均采用DC/DC电源供电，从而实现输入信号与输出信号的电源、地隔离，输入信号与输出信号之间采用变压器进行隔离，在变压器的输出端有增益可调放大电路。
遥测信号匹配器原理框图如图3所示。
2.4 遥测信号解调器通用化设计
2.4.1基本原理与组成
通用遥测解调器的原理框图如图4所示，其中时钟产生器、载波NCO、码NCO、码时钟产生、载波时钟产生、数字下变频器、相关累加器等均在FPGA中设计完成；载波环路滤波器" title="环路滤波器">环路滤波器、码环路滤波器、数据解调、位同步脉冲产生等均由DSP完成。
2.4.2高速A/D" title="A/D">A/D采集电路
为了实现解调器的技术指标，选择AD公司的AD9220芯片作为产品中的高速A/D转换器，它提供12位分辨率、10MHz的采集速率、单一+5V电源供电、由外部接入基准电压。高速A/D转换器的技术指标如下：
·A/D转换分辨率：12位；
·A/D转换速率：10MHz；
·模拟量传输及转换为数字量的总误差：优于0.3%FSR；
·模拟信号频带宽度：400kHz。
2.4.3 数字下变频器
数字下变频器主要作用是将A/D采样所得到的中频信号进行下变频处理，从而去除中频，得到基带信号。数字下变频器的主要原理是：利用载波数控振荡器产生与输入中频信号频率相同的正弦和余弦本地载波信号，与输入信号进行乘法运算，然后对运算结果做低通滤波，即可完成对中频信号下变频操作。以上过程均为数字化处理。所以，本振信号、乘法模块、低通滤波器均采用数字化设计。
2.4.4 码的捕获
利用本地码元与接收码元的相关值进行判决是否捕获，如果连续8次取得的相关值都大于所设置的门限，则判定为捕获，之后转入跟踪状态；如果任何一次低于门限值则重新进行捕获。
2.4.5 副载波跟踪
利用自动频率控制进行载波环路跟踪。根据所取得的当前路的相关值，利用自动频率控制算法提取载波误差信号，把得到的误差信号送入环路滤波器，环路滤波器输出的调整量送入载波NCO，形成闭环，载波NCO根据滤波器的输出适时调整，直至本地载波与接收载波的稳态误差在误差允许的范围内为止。
2.4.6 码跟踪
利用码的相关特性进行码环路跟踪。根据所取得的超前路和滞后路的相关值，利用码的S鉴相算法提取码误差信号，把得到的误差信号送入环路滤波器，环路滤波器输出的调整量送入码NCO，形成闭环，码NCO根据滤波器的输出适时调整，直至本地码元与接收码元的稳态误差在误差允许的范围内为止。
2.4.7 数据解调
利用相位旋转进行数据解调。由于载波和码都有很小的稳态误差存在，不能完全消除，为了正确解调数据减少误码，采用软件Costas环算法进行相位旋转解调。
3 设备的实现和特点
为了达到遥测前端设备通用化、小型化设计的目的，在设备研制过程中采用高速数字信号处理芯片(DSP)，将遥测模拟信号进行数字化，采用自适应滤波器的方法，大大提高处理遥测信号副载频和码速率的范围；利用EDA工具，采用复杂的可编程逻辑器件(CPLD)、现场可编程门阵列(FPGA)和直接频率合成器(DDS)等器件，通过硬件描述语言设计芯片来实现系统功能，完成系统级仿真和综合，不仅可以实现多种数字逻辑功能，而且大大减少芯片数量从而缩小系统体积、能耗，同时提高系统的性能及可靠性，可以真正实现遥测设备的小型化设计；利用硬件软件化技术对软件进行通用化设计，实现设备的通用化设计；采用PCI总线形式，可以将解调器直接插入计算机的PCI插槽中，使解调器小型化。
目前，通用的遥测前端设备样机已研制成功，通过遥测前端计算机中的上位机软件，对副载频、码速率和相关格式进行设置后，就可以实现遥测信号的模拟和解调，实现遥测前端设备的通用化。本方案提出了一种新型全数字化遥测信号解调器，在技术上采用不需载波同步即可完成码元捕获的非相干快捕技术、码元跟踪的超前—滞后型非相干数字延迟锁相环(DDLL)以及跟踪环路的软件化技术等。
随着计算机技术的普及，USB接口将成为测试设备的主流。因此研制基于USB接口的通用遥测前端设备成为首选；同时随着扩频等先进技术在卫星产品上的应用，电子、通信领域的新技术、新思路更应该提前应用到地面测试设备的研制中。
参考文献
1 张呤瑞，张 军，罗志强编著.现代测控原理，北京:北京航空航天大学出版社，1995
2 陈以恩编著.无线电遥测遥控.北京:国防工业出版社，2002
3 陈以恩编著.遥测数据处理.北京:国防工业出版社，2002
4.张翰英编著.卫星电测技术.北京:宇航出版社，1999