卫星信号采集终端设计

孟繁伦 张晓玲 李孟 郭新哲

摘要：卫星信号采集终端是用于接入和存储AD采样数据的终端设备，可对采集的波形数据进行复现和信号分析，为通信类产品的物理层设计提供可靠的数据参考。以卫星信号采集为切入点，针对市场上现有数据采集器存在的不足，设计了一款宽带、小型化且性能可靠的卫星信号采集终端，该终端采用AD9361射频芯片，可满足绝大多数情况下的卫星频段要求，以高性能的ZYNQ7030芯片作为基带处理器，搭配桌面显控软件，实现卫星信号的采集和配置。

关键词：卫星信号；数据采集；AD9361

中图分类号：TP31文献标志码：A文章编号：1008-1739（2020）11-64-3

0引言

数据采集器或实时数据处理系统，在进行科研实验和系统调试分析的时候都能起到至关重要的作用。目前市场上的数据采集器分为下变频模块和无下变频模块2种，其中无下变频模块的数据采集器难以做到对高频信号的采样，且系统实现复杂度高、成本高；而自带下变频模块的数据采集器往往只支持单独的某个频段，面对多个频段数据采集的需求，目前的解决方案都是采用若干个下变频模块和一个数据采集器组装而成，造成整个系统体积庞大且成本高，并且给需要在户外进行数据采集的用户造成诸多不便。

因此，针对市场中不同种类数据采集器的缺陷，设计了一款卫星信号采集终端，其频段范围包括70～6 050 MHz，能够满足绝大多数情况下的卫星频段要求，远超市场上数据采集器的下变频范围。而采用的射频芯片AD9361能够支持高达125 MHz的采样率，在同类产品中脱颖而出。

1总体方案

1.1硬件设计

终端硬件主要包含2个主要芯片，分别是射频芯片AD9361和ZYNQ芯片，其中ZYNQ系列芯片可根据不同的资源需求，进行原位替换。同时，为进行信号分析，设计了信号分析软件，可部署于上位机，通过网口相连，该软件为用户提供了可视化的图形界面，可实时观测信号参数和配置终端工作模式，如图1所示。

芯片间的接口设计方案如图2所示，ZYNQ芯片集成了处理系统（Processing System，PS）和可编程逻辑（Programmable Logic，PL）处理器，PS和PL直接的接口根据AXI总线协议设计了3种基本接口方式，分别是只写CPU_InterfaceA、只读CPU_InterfaceB及实时交互CPU_InterfaceC。AD9361的控制接口采用SPI模式和PL进行连接，并在PL中设计了SPI时序电路，且SPI时序电路的输入参数都由PS进行下发。AD9361的数据接口采用LVDS模式与PL连接，并在PL中设计了LVDS的时序电路和数据采集电路，将采集到的数据上报到PS端。PL内部设计配置各种速率的接收适配器Rev_Adapter，可通过PS进行模式设置。

1.2軟件设计

方案包括PS数据采集软件和上位机分析软件2部分，其中PS数据采集软件用于接收AD采样的数据，并通过网口发送给上位机信号分析软件，并接收上位机软件的参数配置；上位机分析软件主要包括4个图形化界面，分别是基本信息设置、AD9361参数配置、终端参数设置和图形显示，如图3所示。

1.2.1 PS数据采集软件设计

PS软件主要完成AD9361采样数据的读取，并将读取的数据送至上位机软件进行分析，同时接收上位机软件的参数配置。为读取AD9361大量的采样数据，方案采用了AXI的高速总线，实时阻塞读取采样数据，并通过网口发送至上位机软件。

PS与上位机之间采用C/S架构，PS作为服务器，上位机软件作为客户端，采用TCP通信协议，保证数据的可靠性。 1.2.2上位机软件设计

（1）基本信息配置

数据采集终端与上位机软件通过以太网口进行数据交互，IP地址和端口号用于网络通信设置。基本参数包括接收频率、采样速率、通道带宽以及采集到的数据存储类型及文件名称。信号格式包括调制方式、滚降因子、符号速率和采样倍数。以上参数设置均可在程序运行过程中进行动态配置，单击“设置”按钮即可，如图4所示。

（2）AD9361参数配置

通过参数配置界面主要完成以下功能：配置写地址和写数据实现对AD9361单个地址的写操作；配置读起始地址、读数据长度可以实现读AD9361某段连续内存的数据并逐一显示；通过选取AD9361的Excel配置文档，将Excel中的命令、地址和数据写入AD9361，如图5所示。