航天器多路射频频谱自动监测系统设计

李宏亮, 魏邦友，张亚非,彭超然

(中国空间技术研究院 载人航天总体部，北京 100094)

航天器多路射频频谱自动监测系统设计

李宏亮, 魏邦友，张亚非,彭超然

(中国空间技术研究院 载人航天总体部，北京 100094)

为提高航天器测试时射频信号监测效率，提出了一种航天器多路射频频谱自动监测系统;该系统由频谱分析仪进行射频信号频谱测量，由微波开关切换矩阵进行不同射频信号通路切换，通过自主设计的多路射频频谱自动监测软件对系统进行实时控制和数据读取，实现了多达15路、50 MHz～3 GHz频率范围内射频信号的频谱自动监测;测试用时从原来3 min/信号通道减少至10 s/信号通道，人力从2人减少到1人，有效地提高了航天器射频信号监测效率;该系统已应用于空间站工程测试中。

航天器；多路射频；频谱；自动监测；空间站

0 引言

射频信号的监测在无线通信、信号广播、航天器测控等领域具有重要的意义，通过信号的实时监测可迅速掌握系统状态。移动无线通信系统中的射频信号监测主要关注信号的功率补偿及检测精度[1-2]；搭载测控设备的舰船、广播电视基站等需要进行长时间连续射频信号监测的较大规模系统着重探索监测过程、数据记录的自动化[3-5]。不难发现，利用计算机、通用化测试设备、软件技术等手段快速、准确地实现射频信号的自动监测，是系统级射频测试的发展方向。

随着航天器技术的不断发展、系统复杂性的日益提高，航天器与地面测控系统间的测控与通信链路数量也日益增多。在航天器系统级测试中，测控与通信链路是航天器与地面测控系统进行信息交互的主要通道，链路中传输的射频信号的质量，直接影响着航天器测试的有效性、准确性。本文提出了一种航天器多路射频频谱自动监测系统，可以通过系统中软件与硬件的配合自动完成多路射频信号频谱的切换、测量、存储，提高航天器测试中射频信号监测效率。

1 系统总体结构及原理

航天器多路射频信号频谱自动监测系统由以下设备组成：频谱分析仪、微波开关切换矩阵、控制计算机。射频信号通过天线或射频电缆，经微波开关切换矩阵的多个输入接口(输入1～输入N)输入至矩阵内，矩阵内部微波开关受控切换至特定通道，输出至系统中的频谱分析仪进行射频信号频谱测量；控制计算机运行多路射频频谱自动监测软件，与频谱分析仪、微波开关切换矩阵通过网络接口通信，控制后两者响应相关指令并完成微波开关切换(射频通道切换)、测量参数调整等动作，并进行数据读取、存储、记录测试日志等工作。系统组成如图1所示。

图1 多路射频信号频谱自动监测系统组成

航天器多路射频信号频谱自动监测系统的工作流程可概括为：

1)待测量的射频信号输入至微波开关切换矩阵；

2)微波开关切换矩阵由控制计算机程控进行通道切换；

3)射频信号输出至频谱分析仪；

4)频谱分析仪由控制计算机程控进行参数测量；

5)控制计算机记录测量结果、系统运行状态。

系统工作时，按照流程1)～5)顺序循环往复，对射频信号进行连续自动监视。

2 系统硬件设计

2.1 微波开关切换矩阵

微波开关切换矩阵机箱设计为宽度19″、高度3U的标准结构，对外全部射频接口均采用Nf型不锈钢接口，内置具备程控功能的2个单刀六掷开关、1个双刀双掷开关。在每个单刀六掷开关的其中一路输入端，分别连接有1个0°二合路器和0°三合路器，用于实现异频射频信号的合路输入，合路器的输入、输出端均设置有隔离器，以降低信号反射影响；在2个单刀六掷开关的各路输入端口，均设置有检波组件对射频信号进行功率连续采集。微波开关切换矩阵的原理如图2所示。

图2 微波开关切换矩阵原理图

矩阵机箱内各微波组件间以及组件与机箱前、后面板的射频连接器间均采用两端为SMAm连接器的半刚性电缆连接。半刚性电缆可三维成形，在3 GHz频段附近电缆损耗约0.7 dB/m。机箱内共使用半刚性电缆20根，单根电缆最大长度不超过40 cm，因此机箱内模块间射频信号在半钢性电缆内传输的功率损耗可忽略不计。微波组件安装在一块固定于机箱底板的镀锌钢板上，按照机箱重心居中、可简单快速拆装单个组件或电缆的原则，各组件安装时在空间上相互错开，半刚性电缆走向尽量互不干涉；微波组件底部为金属平面，四角具有安装用通孔，通过不锈钢紧固件与镀锌钢板连接。各个微波组件底面与镀锌钢板紧贴，安装于机箱前后面板的射频连接器外壳经由半刚性射频电缆与微波组件的射频连接器壳体连通，实现各个微波组件壳体、机箱面板上射频连接器之间共同接地。切换矩阵机箱的顶盖、底板、左侧板、右侧板均有散热孔，保证机箱具备良好的散热能力。

矩阵内的单刀六掷开关选用Agilent 87106A(SP6T，option 24)，双刀双掷开关选用Agilent 87222C(Transfer Switch)，二者均属磁保持同轴开关，切换时间≤15 ms，可重复切换寿命≥500万次，在3 GHz隔离度≥100 dB，插损≤0.35 dB。

矩阵内的0°二合路器和0°三合路器均采用Wilkinson原理、微带线结构实现，将两路或三路输入信号合成一路输出信号。采用Wilkinson方式实现的合路器具有如下特点：1)各个输入端信号间具有隔离特性；2)若输入信号间的相位差较小，信号经合路输出后的功率差也较小。

矩阵内的检波器件的检波功率准确度为±0.5 dB，检波功率分辨率20 mV/dBm，输入功率动态范围-40～-5dBm。

微波开关切换矩阵通过由W77E58单片机、外围电路(放大器AD620、模数转换器AD574、驱动接口电路等)组成的控制模块实现对设备的控制。各个检波器输出的射频信号经过模拟选通通道后进入AD620，经过功率放大、调理，进入AD574；单片机采集AD转换器转换后的数字信号，通过网络接口送多路射频信号频谱自动监测软件进行处理。同时，单片机还通过微波开关的驱动接口电路控制微波开关的切换，并采集开关状态，通过网络接口与多路射频信号频谱自动监测软件进行通信。控制模块原理如图3所示。

图3 微波开关切换矩阵控制模块原理图

控制模块中的驱动接口电路以TTL电平控制微波开关的切换，其核心为74HC573芯片和74HC244芯片。单片机通过74HC573芯片输出TTL高电平并将其加载于微波开关的相应管脚上实现开关选通，通过74HC244读取开关的返回状态。以87106A为例，管脚1为直流电源供电端，管脚15为接地端，管脚3/5/7/9/11/13对应6个选通路径，管脚4/6/8/10/12/14为相应选通路径的电子位置指示器。需要选通开关的第一路时，将TTL高电平加载至管脚3，并保持其它引脚的TTL电平均为低电平；需要切换其它通路时，先将所有引脚的电平置为低，再将高电平置于需要切换路径对应的引脚上。

控制模块中选用的AD620是一款低成本高精度放大器，放大倍数1～10 000。AD574是高速12位逐次比较型AD转换器，模拟电压输入范围0～10 V，非线性误差±1 LSB，电压采集精确度约为10 mV，与检波组件配合，可实现射频信号功率分辨率达到0.5 dBm。

微波开关切换矩阵的对外通信接口为符合IEEE 802.3 100/1 000BASE-T标准的RJ45连接器，控制模块中的单片机对网卡芯片进行读写，可对网卡IP地址进行设置。选用W5100网络接口芯片作为网卡芯片与单片机通信。对芯片进行Socket编程后，可实现以太网数据通信功能。为保证网卡芯片与单片机的直流工作电压相匹配，利用电平转换芯片对供电电压进行转换。

2.2 频谱分析仪与控制计算机

系统中的频谱分析仪采用Agilent公司PSA系列产品E4447A，具备3 Hz～42.98 GHz的测量范围，在2～3 GHz频段的平均噪声电平可达-150dBm；用户界面友善，Agilent公司提供了大量远程控制接口命令，可方便地通过符合IEEE 802.3 100/1000BASE-T标准的网卡对仪器进行控制和操作。由于Agilent公司的系列化产品的控制接口完全一致，系统中的频谱分析仪同样可由PSA系列中的其它型号或ESA系列、ESA-L系列中的型号替换，这提升了本频谱监测系统的通用性。

系统中的控制计算机采用HP 公司E8080商用PC机，配置Core II双核CPU(主频2.83 GHz)，4 GB内存，网卡符合IEEE 802.3 100/1000BASE-T标准。经测试，多路射频信号频谱自动监测软件运行时对系统资源占用很少(CPU占用率仅为1%，内存占用约为12 MB)。因此CPU主频2 GHz以上、内存1 GB以上、具备千兆以太网接口的计算机均可作为系统中的控制计算机使用。

3 系统软件设计

3.1 软件架构

本系统使用的多路射频信号频谱自动监测软件采用Visual Studio 6.0开发，程序开发语言是面向对象语言C++。软件基本结构基于对话框搭建，针对不同的功能进行分类化模块化设计，包括控制模块、显示模块、系统配置模块、数据记录模块等。软件工作流程如图4所示。

图4 多路射频信号频谱自动监测软件工作流程图

3.2 软件主要模块设计

3.2.1 控制模块

多路射频信号频谱自动监测软件通过Agilent公司的标准控制命令库实现对监测系统中的频谱分析仪的控制。软件与指定IP地址的频谱分析仪以TCP/IP协议建立网络连接后，按照控制命令库定义的格式向设备发送控制命令。控制命令是频谱仪可识别的可编程仪器标准命令(standard commands for programmable instruments, SCPI)。通过查询控制命令库中的各类命令内容，SCPI可方便地转换为程序语言，提供了用户与被控设备的控制接口。

以设置频谱分析仪的分辨带宽(RBW)参数为例，其控制命令为：

:SENS :BAND 1 kHz

相应的设置功能代码为：

CString str = :SENS :BAND 1 kHz;

int len_str = str.GetLength();

int ret=m_socket.Send(LPCTSTR(str),len_str);

每条控制命令均被封装为一个对应特定操作的功能函数，并通过Visual C++开发工具中的控件管理工具与软件界面上Manual功能页面的相应按钮绑定。控制函数执行流程如下：

1)定义控制命令名称、命令长度、待设置的参数值等变量，并进行初始化；

2)调用UpdateData()函数，函数参数值为TRUE，函数执行后界面数据可以被重置；

3)判别待设置参数值是否超出设备要求的限定范围；

4)构建控制命令内容，并调用Windows AsyncSocket类中的Send()函数向设备发出控制命令；

5)检查Send()函数的返回值，判别命令是否发送成功；若发送失败，记录函数返回的错误代码；

6)调用UpdateData()函数，函数参数值为FALSE，函数执行后软件界面将重新初始化，待设置参数将显示在软件界面上。

多路射频信号频谱自动监测软件对微波开关切换矩阵的控制通过自定义的控制命令实现。命令格式见表1。命令中信息体部分的“xxx”可置为001～014，分别对应着两个单刀六掷开关及一个双刀双掷开关的单路选通状态。软件与指定IP地址的微波开关切换矩阵建立网络连接后，将控制命令以网络方式发送给矩阵，由矩阵的控制模块对接收到的控制命令进行解析并执行，微波开关的电子位置指示器将切换后的开关状态通过控制模块经网络反馈给监测软件。

表1 微波开关切换矩阵自定义控制命令

3.2.2 显示模块

多路射频信号频谱自动监测软件实现了Agilent E4447A频谱仪工作时监测频谱的实时显示。软件显示频谱的原理为：软件向频谱仪发送“保存当前显示图像”的控制命令，频谱仪保存当前显示的频谱图像后，通过网络方式将图像文件发送至控制计算机，文件以GIF格式存储。软件找到位于设置路径的图像文件后，在计算机内存中以堆方式创建一个临时内存区域，通过CFile类对象采用只读权限打开图像文件并将图像数据内容读取到该临时内存区域中，之后软件创建一个指向该块内存区域的流对象指针。软件在Windows消息响应函数OnPaint()内调用OleLoadPicture()函数，该函数会创建新的图像对象并通过流对象指针指向的数据内容对图像对象进行初始化。设置定时器并利用Windows消息响应函数OnTimer()，在定时器作用域内依次调用InvalidateRect()(将bErase参数设置为FALSE)和UpdateWindow()函数对显示频谱图像的矩形区域和软件窗口进行刷新，WM_Paint消息将定时发出，OnPaint()函数会随之定时响应WM_Paint消息，实现在软件界面的特定矩形区域对频谱图像进行显示。相关代码段如下：

If (file.Open(path, CFile::modeRead)&&file.GetStatus(path, fstatus)&&((cb=fstatus.m_size)!=-1))

{

HGLOBAL hGlobal = GlobalAlloc(GMEM_MOVEABLE, cb);

LPVOID pvData = NULL;

if (hGlobal != NULL)

{

If ((pvData = GlobalLock(hGlobal))!=NULL)

{

file.ReadHuge(pvData, cb);

GlobalUnlock(hGlobal); CreateStreamOnHGlobal(hGlobal, TRUE, &pStm);

}

}

}

IPicture *pPic;

if (SUCCEEDED(OleLoadPicture(pStm, fstatus.m_size, TRUE, IID_IPicture, (LPVOID*)&pPic)))

{

OLE_XSIZE_HIMETRIC hmWidth;

OLE_YSIZE_HIMETRIC hmHeight;

pPic->get_Width(&hmWidth);

pPic->get_Height(&hmHeight);

if(FAILED(pPic->Render(dc,230,0,640,480,0,hmHeight,hmWidth,-hmHeight,NULL)))

AfxMessageBox("渲染图像失败！");

pPic->Release();

pStm->Release();

}

软件可实现最快间隔1 s的图像刷新速率，可满足航天器型号测试中对射频信号频谱远程实时监视的需求。对某中心频率为720 MHz的宽带信号的频谱监视效果如图5所示。

图5 频谱自动监测软件获取频谱图像

3.2.3 系统配置模块

多路射频信号频谱的自动切换、监测、记录是软件的核心功能。通过系统配置模块，本软件实现了多达15路射频信号的自动序列化测试功能。

本模块在设计时采用了多线程处理方法。对需要监测的各路射频信号，分别创建一个独立线程用于执行对应该路信号测量的全部设备操作和数据读写。每个线程运行过程中都涉及包括微波开关切换、频谱图像保存和传输、频谱分析仪参数设置、测量数据存储、操作日志记录等数十个具体功能函数的执行。根据设备对各个函数执行的响应时间的差异，软件编写时在每两个函数的运行代码间设置有100～5 000 ms不等的线程休眠时间。多线程设计方法保证了控制计算机可以在当前信号监测线程暂停执行期间，释放系统资源去执行其它信号监测线程，即用户可以在监测某一路射频信号的过程中，同时启动其它路信号的监测，既降低系统资源的占用又提升信号监测的效率。

对每一路监测信号，用户可在软件界面的Auto Seq功能页面中对监测信号的测量频率范围、参考电平、显示带宽、分辨带宽等测量参数，微波开关的选通状态等控制参数，信号标识等数据记录参数进行自定义，定义好的参数作为软件的配置文件，在软件启动时自动读取。每切换一路信号，软件可相应完成信号频谱图像、中心频率、峰值功率、监测带宽等数据的记录，配合监视信号的信息标识和记录时间，方便用户随时查询数据状态；用户可以点击页面上某一路通道前的按钮对该路信号进行单独监测，也可将选中的多个通道按照自动化序列的方式轮巡监测，序列中用户可自主定义需监视的射频信号通道数量、类别、监测参数，以及通道间切换的时间间隔。多路射频信号频谱自动监测软件的测试通道配置界面如图6所示。

图6 频谱自动监测软件通道切换操作界面

3.2.4 数据记录模块

软件记录的测量数据、测试日志分别以Excel电子表格、文本形式存档，按照日均测试12小时、完成300次测量估算，测试数据与日志文件的数据量约500 KB/d。相较于常见的采用二进制文件的数据存储形式，Excel文件有以下优势：一是可采用计算机通常均会搭载的Office组件查看，不需要安装专用的二进制文件分析软件，便于用户操作和部署；二是Excel软件具备一定的数据统计功能，可方便地对测试数据进行统计、查询。

4 系统测试和应用效果

多路射频频谱自动监测系统已在载人航天空间站工程综合测试中使用。与测试人员在测试仪器前进行操作的传统方法相比，本系统在工程应用中具有以下优势：

1) 自动化程度提高。监测系统中仪器的各个动作均通过软件控制自动完成，测试人员不再需要在测试仪器前进行繁琐的仪器设置操作；

2) 测试效率提高。传统测试方法中，进行射频通道功率调节、频谱分析仪参数设置、测试数据记录等工作，每个射频信号通道耗时约需3 min，且需要在仪器端和测试计算机前配置2名人员；频谱自动监测系统利用指令串可快速完成全部设置，仅需1人操作监测软件即可；

3) 支持远程测试。该监测系统可将微波开关切换矩阵、频谱分析仪放置于被测试航天器附近或其它测试人员不易进入的区域，仅需保障网络通信畅通，测试人员在远端通过控制计算机即可进行远程测试。

多路射频频谱自动监测系统的应用效果分析如表2所示。

5 结论

航天器多路射频频谱自动监测系统，可以通过系统中软件与硬件的配合自动完成50 MHz～3GHz频率范围内多达15路的射频信号频谱切换、测量、存储， 实现了自动发送指令、自

表2 系统应用效果

动记录数据、自动切换信号通道等功能，用户可通过配置文件实现“一键式”频谱监测。从使用效果看，该系统较传统的频谱测量方法节省了人力资源，单通道的监测耗时由原先的3 min减少至10 s左右；同时系统具备远程控制功能，将其用于载人航天器综合测试过程，可有效提高航天器上下行射频信号的监测效率，为载人航天器自动、远程测试提供了有效方法。该系统可通过修改配置文件，适应不同型号航天器的多路频谱监测需求，具备一定的可扩展性。

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Design of Spacecraft Multi-RF Electrical Spectrum Automatic Monitoring and Measuring System

Li Hongliang,Wei Bangyou,Zhang Yafei,Peng Chaoran

(Dept. of Manned Space System Engineering, Chinese Academy of Space Technology, Beijing 100094, China)

A spacecraft multi-RF electrical spectrum automatic monitoring and measuring system has been designed in order to improve the efficiency of spacecraft RF signals monitoring and measuring. RF spectrum is measured by the spectrum analyzer, and the different RF signal channels are switched by the microwave switch matrix equipment. A multi-RF spectrum automatic monitoring and measuring software has been developed to control the whole system and perform read-write operation of data. Automatic monitoring and measuring of 15 RF signal spectrums with frequency range between 50 MHz and 3 GHz is implemented. The efficiency of spacecraft RF signal monitoring is improved significantly, with the time cost reducing from 3min/channel to 10 s/channel and manpower saving from 2 to 1. This system has been applied in testing of Chinese space station.

spacecraft; multi-RF; electrical spectrum; automatic monitoring and measuring; space station

2017-06-27；

2017-07-26。

李宏亮(1985-)，男，山西大同人，硕士，工程师，主要从事载人航天器地面测试设备研制和综合测试工作方向的研究。

1671-4598(2017)12-0001-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.12.001

TM931

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