中频信号实时监测系统的设计与实现

孟学军,何高峰,寇 鹏

（1.西安卫星测控中心,陕西 西安 710043;2.国防科技大学,湖南 长沙 410073）

0 引言

在系统卫星通信网中,目前各个卫星通信地球站中频信号运行状态的监测手段主要是频谱分析仪,需要人工输入参数,人工记录链路状态,对站内业务中频信号监测一遍需要时间长,特别是在多颗卫星同时进行测控和任务联调时,无法对每一路卫星通信信道的中频信号进行全天候监测,也不能对故障隐患实现诊断告警。监测方式反应迟缓,故障确认及排除效率低,需要尽快建立一套智能化的监测手段,以适应地球站发展的需要。中频信号实时监测系统的设计实现了卫星通信中频信号频谱信息的实时自动监测和频谱特性的精确分析。

1 系统结构及组成

1.1 系统结构

系统主要由2部分组成:硬件和监测计算机,如图1所示。

图1 系统结构图

硬件由模拟部分和数字部分组成。系统硬件通过接入下变频器输出支路,计算载波和噪声电平值。监测计算机通过接口电路接收载波的信号和噪声电平值,软件部分采用信号处理技术,近似计算载噪比,测量分析频谱特性,对载波信号通断、载波干扰、功率衰减、日凌等提供决策告警,并自动存储监测结果,实现对站内所有中频信号载波的实时自动监测。

1.2 系统的功能

系统通过对卫星通信系统中的中频信号进行自动和连续的测量、统计分析、决策和告警,实现对卫星通信地球站收发中频信号载波的实时监测,及时发现存在的隐患,主要功能有:

①监测载噪比:实时监测站内所有中频信号的载噪比以及电平;

②自动告警:对中频信号载波的有无、载噪比异常进行判断,对异常情况进行告警;

③频谱分析:对设定的中频信号载波进行扫描并绘制出频谱图,显示其频谱特性;

④状态存储:对每次监测到的中频信号载波电平和载噪比进行对比分析,并记录结果;

⑤选择功能:可以选择需要监测的信号,只对选择的信号载波进行监测;

⑥参数设置:对要监测的中频信号载波的数量、参数等进行设置,满足不同用户需求;

⑦信息查询和打印:对系统记录的载噪比、告警记录等信息进行查询和打印。

1.3 系统的组成

中频信号实时监测系统主要由信号接收、信号采集和处理、实时监测以及系统管理计算机等部分组成,如图2所示。

图2 系统组成框图

信号接收部分的主要功能就是接收中频信号。系统只接收从卫星下来的信号而不向卫星发射信号,可独立连接到任何能接收到卫星下行中频信号的设备上。

信号采集和处理部分主要由模拟开关、窄带滤波器、功率有效值检测及数字信号的有源分配器和合成器等硬件系统构成。接收到中频信号后,按程序预先设置的卫通信道,对指定的中频信号载波进行频率变换、频带选择和采样、数字化滤波,对所得数据进行分析处理,得到反映系统当前性能和运行状态的实际参数值。

实时监测部分按照事先设定的程序负责日常的自动轮询监测。用户通过计算机对各部分进行管理,使其在指定方式下协调一致工作,以完成设定的任务。

2 硬件部分的设计与实现

中频信号实时监测系统的硬件包括模拟部分和数字部分。硬件部分的主要任务是根据主机设置的参数完成输入信号的频率变换、参数的采样及数字化滤波等。

2.1 模拟部分的设计及实现

卫星地球站调制解调的输出输入信号是70MHz的中频信号。为了降低监测系统硬件电路在设计上的复杂度,经过再次变频使模拟信号的频率降为10.7MHz,这样做不仅是滤波器的需要,而且可以避免频率过高带来的锁相环电路不能稳定工作等问题。

模拟电路接收下变频器输出的70MHz±18MHz中频信号,经滤波放大送入混频器,和频率合成器产生的另一中频信号进行差频,得到一固定10.7MHz中频信号,经过两级窄带滤波后放大送入功率检测电路,监测得到一个反映原信号功率的直流电压,然后将该电压送入数字部分。

中频率合成器电路由PLL频率合成芯片MC145158、前置分频器MC12018、放大电路和参考晶振组成,频率合成器根据被测试频率,经压控振荡器后输出一个相应的中频信号,经过调整后与输入中频监测信号混频,产生一个固定的10.7MHz的信号。混频电路主要由AD831组成,芯片的工作电压为+9.5V直流。中频信号输入与压控振荡器输入经混频输出一个差频信号。调制功率检测电路采用AD606芯片作为功率有效值检测器,输入信号先经过一个带宽为1.5kHz的带通滤波器,送入AD606,经梯形电阻衰减器进行衰减,使衰减值可以连续准确变化,衰减值由电压控制。衰减后的信号送到一个高性能宽带放大器进行放大,再由一个宽带平方律检波器检波,检波输出的信号经滤波后与另一个平方电路的输出进行比较。2个平方电路的输出信号差分输入到高增益误差放大器后,检测结果由D606的VLOG输出,它是一个直流信号。电压变换公式为:

式中,Vin为D606芯片的管脚INHI和INLO端电压差;Vx和Vy为固定值;Vx=0.5V,Vy=37.5mV/dB。

2.2 数字部分的设计与实现

数字部分将模拟电路部分的功率检测结果反馈至监测计算机,计算机获得反馈结果后,利用软件对监测的信息实时输出;根据计算机指令对数模转换模块和频率合成器进行初始化配置和编程。数字部分不仅要处理好与模拟部分的数据交换,而且要通过串行口及时将检测结果上传至计算机。同时要保证本机初始状态的确定性。电路如图3所示。

图3 数字部分的设计框图

单片机主要完成设备运行状况的检测,包括电源电压、频率合成器状态等。通过串口接收主机输出的指令和参数,设置测试载波的频率范围,控制信号采样和功率,并将设备运行状态和测试的信号电平值输入主机。看门狗电路的功能是当程序发生故障时能使受控系统重新启动,增加系统的稳定性;程序寄存器、参数寄存器是单片机在编程过程中的程序代码、变量、预制状态值等的存储空间。

在实现过程中,选用80C552单片机作为主控CPU,完成设备运行状况的检测,包括电源电压、频率合成器状态等。通过串口接收主机输出的指令和参数,设置测试载波的频率范围,控制信号采样和功率,并将设备运行状态和测试的信号电平值输入主机。选用LT1139芯片进行信号电平转换,实现硬件与主机的通信。

被检测信号经过窄带滤波器时,由于实际滤波器特性与理想滤波器特性存在差异,为精确计算被测信号功率值,采用三阶切比雪夫滤波器进行了修正。

3 软件部分的设计

3.1 软件结构设计

监测软件主程序采用了C++编写,频谱分析外挂程序采用VB编写,系统数据库使用SQL SERVER搭建,运行在Windows XP环境下。主程序采用单进程多线程设计模式。

（1）线程设计

系统线程包括数据显示主线程和串口测试线程。主线程采用MFC的单视图文档结构模版搭建,主线流程如图4所示。

图4 主线程流程图

主线程启动时先检查有无正在运行的监测进程,如果有,报告后程序退出;如果没有,则先检查数据库连接情况,如果数据库已连接,则初始化主窗口界面,界面左下角显示当前数据库中频载波参数表中有记录的所有方向供用户选择,界面当前状态显示上次测试的方向。当主界面成功初始化后,进入窗口测试线程初始化同步串口,成功后将线程挂起,等待用户开始测试。

串口测试线程用于打开、设置串口,与监测单元交互数据,接收返回数据并处理。主要包括打开并设置串口函数,用于设置串口通信速率、奇偶校验模式、流量控制、数据位、停止位和超时等参数;写串口函数,用于将测试数据写入串口缓冲区;循环发送函数,用于将主界面上“当前状态显示”列表中测试数据循环发送;接收等待函数,用于等待接收事件触发中断;接收数据处理函数,用于将接收到的数据处理,判断是否记录,判断是否告警,计算载噪比,将载波状态显示在主界面上;封装数据格式,用于将载波参数封装成设计的数据格式。串口收发采用异步模式,接收数据采用中断触发方式。

（2）数据格式

系统软件部分的功能由多个功能单元模块来实现,各个功能模块之间有数据交换,通过定义内部数据接口来规范进程之间的数据通信。

3.2 软件模块的划分

监测软件按照功能分为5个模块:人机交互模块、数据库管理模块、数据通信模块、数据处理与存储模块、显示监测模块。

人机交互模块负责对用户输入参数的检查存储,将被监测信道列出供用户选择。使用时只需在“当前状态显示”区点击“开始测试”按钮,软件就能自动发送测试指令并接收监测单元返回的监测数据。

数据库管理模块实现对监测数据库中电路参数表、状态记录表、告警列表的管理。如有告警,立即记录到告警列表中,同时发出声音“XX方向告警”,提示值班人员进行处理。

数据通信模块实现与监测单元的通信功能。通过消息机制将数据送往数据处理与存储模块。先从数据处理与存储模块中读取被测量的中频信号载波的中心频率和带宽,启动串口收发数据线程,将测试数据发往监测单元,等待硬件稳定后接收其发回的测试结果,并传递给数据处理与存储模块,然后循环执行上述过程。

数据处理与存储模块首先从数据库管理模块中读取被监测中频载波的参数,用一个数组将其存储,根据需要进行发送;响应数据通信模块发送的数据接收消息,从数据队列中读出数据;将需存盘的数据送往数据库管理模块保存,需要显示的数据利用消息机制通知显示监测模块进行显示。考虑到数据库大小及查询快慢问题,系统在每月结束时,自动将本月数据导出数据库,并以文本文件形式存储在data文件夹中,文本文件命名格式为:XXXX年XX月.txt。

显示监测模块完成监测结果的显示,包括当前电路状态显示、告警列表显示及告警声音启动,提供人机界面来选择测试方式,选择被监测电路。

3.3 类的划分

①外部接口类。外部接口类主要是串口类,用于建立网络接口类实现网络套接字创建、连接和读写操作;建立串口类实现命名串口的创建、异步读写操作;

②数据处理类。用于接收数据通信部件传送的内部格式数据,并进行处理,需要显示更新的发消息通知显示类,有发往外部接口的数据通信通过数据通信部件进行发送;

③显示类。提供人机接口界面实现对观察项的配置,收到数据处理类发送的显示更新消息后,从数据队列中提取出数据进行显示;

④数据库类。数据库类的变量建立与数据库字段的捆绑;

⑤数据库窗口。提供对数据库的读写、添加删除操作功能。

4 结束语

中频信号实时监测系统开发完成后,对其性能与在用频谱仪的测试结果进行了比较,经过该系统处理后得到的载波频谱与频谱仪测得到的载波频谱图形一致,完全满足实际工作的需求。该系统的实现,克服了传统监测手段的局限性,对提高设备在线维护能力,快速压缩、排除设备故障,提供了可靠的保证。通过卫星通信网内部多个通信地球站的应用,验证了该系统设计的合理性和实用性,不仅可以为值勤人员提供可靠、实时的载波信息,同时可对载波中断、星上干扰、日凌和星蚀等情况进行及时告警,极大地提高了卫星通信电路故障告警和集中监测的能力。

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