宽带中频测控信号记录回放系统设计与实现

马 宏, 史学书

(装备学院光电装备系,北京101416)

宽带中频测控信号记录回放系统设计与实现

马 宏, 史学书

(装备学院光电装备系,北京101416)

分析了宽带中频测控信号记录回放系统设备研制的目的和意义。提出一种基于整带抽取和整带内插的宽带测控信号采集及恢复方法,利用高性能软件无线电平台设计了宽带中频测控信号记录回放系统,所给出的记录回放方案具有算法简单、消耗硬件资源少、易于实现的特点。最后描述了系统测试结果,并结合工程实际介绍了系统应用推广情况。

测控;记录;回放;内插;抽取

我国航天测控试验过程中有大量数据要进行记录、存储和事后分析处理。利用现代信号处理技术和计算机技术,对测控设备中频信号进行数字化存储,可真实记录中频信号中包含的跟踪测量、遥测遥控、设备工作状态等丰富信息,获得大量珍贵的试验数据。将记录数据作为任务联调数据源进行回放,可真实再现任务场景[1]。对记录数据进行处理,可对接收信号幅度、频率和相位变化情况,噪声和干扰信号的频率和强度,测量设备本身的幅频特性等进行精细地分析和仿真复演,为测控系统故障定位、故障机理分析和故障归零提供必要手段。

靶场测控信号记录通常是针对70 MHz中频信号进行处理[2],由于记录设备设计和实现方法不同,目前各类记录设备在测控信号的采集、处理和恢复的算法上有较大的区别。文献[3]46-48采用正交数字变频的方法,实现70 MHz中频信号的基带转换和中频恢复。这种方法首先将AD采集后的数字信号,经过正交数字下变频,把频谱搬移到零中频基带,获得I、Q 2路信号;然后采用低通滤波器进行滤波和抽取,滤波抽取后的基带信号存储在磁盘阵列中。信号恢复时,采用正交数字上变频,将零中频基带信号上变频,恢复出数字中频,然后经过高速DA输出。文献[4]1-4采取与文献[1]类似的方法,但在数字正交下变频时,首先将数字中频变换到零中频基带,然后再次正交变换形成实信号存储。信号恢复时,记录信号首先经过数字移相网络和延迟网络得到2路正交信号,再经正交数字上变频器将信号恢复到中频段,最后经高速DA输出。通过分析可得知,文献[3]46-48和文献[4]1-4采用正交数字变频的方法,实现70 MHz中频数字信号的基带转换和中频恢复,需要用到数控振荡器、数字变频器以及多个抽取和内插滤波器,过多的信号处理会导致信噪比的损失,并消耗更多的硬件资源[5]。本文提出一种中频带通采样与整带内插、抽取相结合的数字处理方法,实现带宽和采样速率的有效匹配以及记录数据到中频信号的直接转换,在保证记录回放信噪比恶化损失小的同时,降低了传输速率和存储容量,且消耗很小的硬件,易于实现。

1 系统设计

宽带中频测控信号记录回放系统硬件构成如图1所示。系统采用高性能软件无线电信息处理平台[6],实现数据宽带中频信号的采集、记录、缓存和恢复;采用PCI总线结构实现对高速持续数据流的实时记录和回放;采用移动硬盘实现数据备份;通过网络接口,实现对记录设备的本地及远程监控。系统具有完善的操作、显示、自检和网络监控等功能。

图1 系统硬件结构

信号记录时,70 MHz中频输入信号经自动增益控制(automatic gain control,AGC)、抗混叠滤波等输入信号调理后,送给模数转换器(analog-digital converter,ADC)进行带通采样。ADC采样后的数字信号经数据缓存后,通过PCI总线进入微机内存,再经过SCSI(small computer system interface)接口存储在磁盘阵列中。

当进行信号回放时,首先读取磁盘阵列中的数据,经过SCSI接口板、微机内存、PCI总线进入数据缓存单元。数据缓存单元的数据经过内抽、滤波等处理后,得到70 MHz中频数字信号,经高速数模转换器(digital-analog converter,DAC)及信号放大、滤波和数控衰减等输出信号调理后,最终输出70 MHz中频模拟信号。可见,信号记录时,70 MHz中频宽带信号经过带通采样存储在磁盘阵列的信号回放关键在于：如何将带通采样后的信号恢复到70 MHz中频。

2 宽带中频信号的采样与恢复

测控中频信号的中心频率常为70 MHz,最大带宽23 MHz,最小带宽2 MHz。若采用低通采样,采样速率为200 MHz左右,过采样将导致存储容量和传输速率的增加,不利于实时的记录、传输和回放。相对于过采样,中频带通采样可显著降低采样速率,并减少后端数据处理量,且保留原始信号所携带的中频信息[7]。因此,系统采用带通采样方式来实现宽带中频信号的数字化。

带通采样具有下变频的功能,即将模拟中频信号用位于0～fs/2的等效基带谱表示,实现模拟中频信号向低频数字信号的转换[8-9]。在信号回放过程中,问题关键在于：如何将位于等效基带谱的数字信号变换为70 MHz中频数字信号。

根据信号带宽,系统工作方式分为宽带和窄带2种方式。宽带、窄带方式记录速率分别为56 MS/s、18.67 MS/s,可以满足最大23 MHz和6.6 MHz带宽的信号记录与回放。

2.1 宽带工作模式

宽带中频信号首先经过AGC、滤波、放大等信号调理送给ADC,采样数据直接进入微机内存并存储在磁盘阵列中,每通道记录转换速率为56 MS/s,可以满足最大23 MHz带宽信号的记录。回放是记录的逆过程,采用整带内插和多相滤波的方法,将低频数字信号变换为70 MHz数字中频信号,再经过DAC转换为模拟信号输出,工作原理如图2所示。

图2 宽带记录回放原理图

在记录过程中,70 MHz中频输入信号经过带通滤波器滤除带外信号,AGC电路将信号电平调理后接近ADC的满量程。ADC以56 MS/s的转换速率将中频模拟信号,经带通采样变换为数字信号,同时完成下变频。带通采样将信号中心频率由70 MHz变为14 MHz,采样前后信号频谱如图3(a)和图3(b)所示,采样后的数据直接进行存储。

在回放过程中,回放数据首先在现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)中进行4倍内插(每2个采样点间补3个零值),采样频率上升到224 MHz,信号可分析带宽上升到112 MHz,频谱如图3(c)所示。4倍内插使得频谱产生搬移,内插前信号频谱中的镜像落入了可分析带宽内。随后,用70±11.5 MHz的带通滤波器进行滤波,选择需要的中频为70 MHz、带宽为23 MHz的信号,频谱如图3(d)所示。将该信号送入DAC,以224 MS/s的采样率进行数模转换,得到模拟中频信号。最后,模拟中频信号在信号调理模块中经过滤波、放大、数控衰减等处理后,获得中心频率为70 MHz中频信号。

图3 宽带记录回放信号频谱变化图(仅标出等效基带谱)

从上述分析可知,仅通过一个4倍内插后的带通滤波,就可将带通采样后的中频信号恢复到70 MHz中频。4倍内插和后续的带通滤波可视为带通采样的逆过程,消耗很少的硬件资源。

2.2 窄带工作模式

若窄带测控信号进行记录存储时,仍然采用高速率采样存储,则会使冗余信息过多,数据量相对信号带宽而言也会过大,不利于信号的存储、传输等。为此,宽带中频测控信号记录回放系统设计实现了窄带信号记录模式,并与宽带记录模式进行了有机结合。窄带记录回放设计与宽带记录回放设计相比,在记录通道增加了滤波和3倍抽取,在回放通道增加了3倍内插和带通滤波,记录速率18.67 MS/s,可以满足最大6.6 MHz带宽的信号记录与回放,其工作原理如图4所示。

图4 窄带记录回放原理图

在记录过程中,70 MHz中频输入信号经过带通滤波、AGC调理和ADC带通采样后,其中心频率变换为14 MHz,频谱如图5(a)所示。随后在3倍抽取前对信号进行滤波,滤波器中心频率14 MHz、带宽6.6 MHz。对滤波后的信号进行3倍抽取,频谱如图5(b)所示。经过3倍抽取后信号的采样率由56 MHz降低为18.67 MHz。

在回放过程中,信号经3倍内插,数据率重新上升到56 MS/s,可分析带宽上升到28 MHz,频谱如图5(c)所示。随后采用中心频率14 MHz、带宽6.6 MHz带通滤波器,从3倍内插后的信号频谱中,选出需要的中心频率为14 MHz信号,频谱如图5(d)所示。3倍内插滤波后的信号回放过程与宽带模式完全一致。

图5 窄带记录回放信号频谱变换(仅标出等效基带谱)

从上述分析可知,当信号带宽较窄时,可通过滤波和抽取,降低实际采样速率,减小存储容量。抽取的倍数与信号带宽有关,本文选取抽取倍数为3倍,也可根据实际情况调整抽取倍数,抽取倍数越大,可分析信号带宽越窄,实际采样速率越低,需要存储容量越小。由于带通采样后,信号中频频率为14 MHz,位于等效基带谱的中间,因此抽取倍数必须是奇数,否则将发生频谱混叠。

在回放过程中,采用3倍内插及带通滤波可将信号恢复到14 MHz中频,如图5(d)所示,然后共用宽带信号恢复时的4倍内插及滤波器,将信号恢复到70 MHz中频,尽可能地减少硬件消耗。

3 系统实现与性能测试

宽带中频测控信号记录回放系统采用高性能软件无线电信息处理平台进行设计,实现对宽带中频信号的采集、处理、存储和恢复,采用CPCI总线结构实现了对高速持续数据流的实时记录和回放[10],系统可完成8种主要功能：自检、参数设置、记录、回放、实时状态检测、远程监控、数据处理和数据交换。最终设计的设备主体是一个4U高CPCI机箱,在机箱中安装有CPCI工控机、记录回放板、信号调理与频综模块、磁盘阵列和液晶触摸显示屏等。单台设备可同时完成对2路中频信号的记录及回放任务。

图6 记录信号信噪比与回放误码率仿真测试

经过性能测试：输入中频信号电平适应性达到-70～0 d Bm;回放输出中频信号电平适应性达到-20～-30 dBm,可1 dB步进;能够适应记录RS-422电平B码信号,并回放输出B码信号,记录时间长度大于120 min;记录回放的误码率门限允许比实时解调的误码率门限恶化优于1 dB,测试结果如图6所示(数据率为12.6 Mb/s的BPSK信号,在经过3 dB带宽为23 MHz的带通滤波器后,根据误码率折算,对解调带来的误码率损失为0.5 dB左右);硬盘数据备份速度大于23.7 MB/s。此外,系统所需要的硬件开销,包括6个数字锁相环、6个数字滤波器、256字节寄存器控制以及总线控制等,集成在一片60万门的FPGA中,且资源占用率低于60%,表明本文提出的基于整带抽取和整带内插的数字信号处理算法在保证系统性能指标的前提下,硬件资源消耗较少,易于实现。

4 结束语

本文介绍了一种基于整带抽取和整带内插的宽带中频测控信号记录回放系统。该系统已装备到国内外30余个测控站,共计180余台套,先后参加了载人航天、深空探测等大型航天任务,经受了实战考验,获得了大量宝贵的试验数据。在执行任务过程中,该系统表现出功能齐全、性能稳定可靠、操作方便简单等特点,整体技术水平居国内领先,为我国航天测控系统建设做出了重大贡献。可以预见：该项目成果在未来的几年间将会得到更广泛的应用前景,并将取得更大的社会效益。

References)

[1]王元钦,杨文革.高速大容量雷达信号采集与分析系统[J].飞行器测控学报,2002,21(4)：32-35.

[2]李晓松,黄凌.航天测控通信系统综合基带中频接收单元数字化方案[J].电讯技术,2001,41(3)：19-21.

[3]刘洋,何晶,周承斌.基于磁盘阵列的全数字遥测记录系统的设计[J].现代电子技术,2007,30(9)：46-48.

[4]余为国,刘向荣.新一代中频检前记录器设计与实现[J].遥测遥控,2006,27(1)：1-4.

[5]徐伟,王旭东.基于FPGA的高效灵活性数字正交下变频器设计[J].电子技术应用,2012,38(9)：5-7.

[6]史学书,王元钦,马宏.分布式航天器间距离测量信号处理机的设计[J].装备指挥技术学院学报,2008,19(1)：60-64.

[7]蒋华,王书相.带通欠采样定理在软件无线电中的应用[J].西安科技大学学报,2004,24(4)：492-495.

[8]苟亚男.宽带数字通信接收技术研究[J].现代电子技术, 2012,35(14)：103-105.

[9]杨小牛,楼才义,徐建良.软件无线电原理与应用[M].北京：北京理工大学出版社,2010：126-128.

[10]焦义文,王元钦,马宏.深空测控VLBI数据记录回放系统设计[J].机电产品开发与创新,2010,23(5)：112-114.

(编辑：孙陆青)

Design and Realization of Wideband Intermediate Frequency Signal Recording and Playback System

MA Hong, SHI Xueshu

(Department of Optical and Electronic Equipment,Equipment Academy,Beijing 101416,China)

The developing aim and meaning of telemetry track and command(TT&C)wideband signal recording and playback equipment in space range are analyzed.A signal sampling and recovering method based on whole-band decimation and interpolation is proposed.Based on high performance software radio platform,the wideband intermediate frequency signal recording and playback system is designed.The system structure has the advantages of simple algorithm,low hardware resource consumption and easy realization.Finally,the system performance testing result is given, and applying on actually engineering some successful examples are introduced.

telemetry track and command;record;playback;interpolation;decimation

TP 274.1

2095-3828(2014)04-0085-04

ADOI10.3783/j.issn.2095-3828.2014.04.019

2014-02-26

国家自然科学基金资助项目(61271265)

马 宏(1976-),男,副教授,博士.主要研究方向：航天测控.