星地高速通信系统测试技术研究*

2020-12-23方科

通信技术 2020年12期

方科

（中国电子科技集团公司第十研究所，四川成都 610036）

0 引言

随着高速通信技术的发展和卫星平台搭载能力的提升，星地间的传输速率越来越高，已从数百兆数量级提升到吉比特量级。同时，为了能适应不同卫星所需的通信速率、调制模式以及编码方式，高速通信系统功能越来越复杂。高速率、多体制、多模式的发展趋势，导致在星地高速通信系统的研制过程中日常维护和测试工作量巨大。从国外星地高速通信系统的发展来看，在功能、指标发展的同时，星地高速通信系统的在线测试分析功能越来越完善。因此，研制高效实时在线测试系统对星地高速通信系统的研制和未来的使用维护具有重要意义。

1 系统组成与指标体系

1.1 系统组成

星地高速通信系统借鉴商用货架产品（Commercial Off-The-Shelf，COTS）整机设计技术，基于PCIExpress 标准构建。产品平台可分为结构子系统、硬件电路子系统、算法固件子系统和应用软件子系统4 个子系统，如图1 所示。

图1 星地高速通信系统组成

1.1.1 结构子系统

结构子系统包括一体化机箱、电源、内部电缆、风扇以及外部接口等，主要作用是为硬件电路板卡提供必要的结构空间、供电以及散热等支持。

1.1.2 硬件子系统

硬件子系统包括主板、高速背板、调制板、解调板、译码板以及高速存储硬盘阵列等组成，主要作用是为高码率通信调制和解调提供硬件支持。

1.1.3 固件子系统

固件子系统是指运行硬件板卡上的调制、解调以及信道编译码等算法模块。

1.1.4 应用软件子系统

应用软件系统是指运行于产品的监控软件，是用户进行参数设置的应用层软件。

1.2 指标体系

星地高速通信系统的主要功能是完成宽带高速通信信号的解调、译码并记录，同时配置模拟调制功能，实现高速通信信号的模拟用于系统自测。整体的技术原理如图2 所示。

图2 技术原理

星地高速通信系统的功能和性能指标可以分为调制、解调、译码及数据处理3 大部分，主要指标体系如表1 所示。

1.3 传统的测试系统

从表1 的技术指标体系中可以看出，星地高速通信系统的测试项目及相应的主要测试仪器分为中频测试、信号质量测试和误码率测试。

中频测试的主要测试内容为输出杂散、输出电平、相位噪声、载波通断、输出频率准确度、输入电平范围以及载波捕获范围等[1]。测试使用的主要仪器为频谱仪。

信号质量测试的主要测试内容为误差向量幅度（Error Vector Magnitude，EVM）测试和IQ 幅相不平衡测试等。测试使用的主要仪器为矢量信号分析仪[2]。

误码率测试的主要测试内容为中频闭环误码率指标和误码率曲线等。测试使用的主要仪器为高速误码分析仪。

因此，传统的测试都是基于宽带任意波形发生器、宽带噪声源、频谱仪、宽带矢量信号分析仪和误码测试仪，通用仪器来搭建高速通信系统调试测试系统，如图3 所示。

图3 传统星地高速通信系统测试原理

由于涉及的仪器类型较多，仪器系统的联接、参数设置与测试结果读取等过程相对复杂，因此外场试验等条件场地受限。此种测试方法无法满足日常调试测试中方便、快捷、高效的要求，不利于外场条件下的问题故障诊断测试和使用维护[3]。以误码率测试为例，需要用宽带任意波形发生器产生宽带复杂的调制信号作为被测系统的宽带激励源。宽带噪声源则产生宽带白高斯噪声。噪声与信号合成后输入到被测的高速通信系统，被测高速通信系统解调处理后的数据输入到高速误码分析仪进行误码分析。因此，利用高速通信软硬件数据交互技术，设计实时在线测试系统对产品研发调试效率具有重要的作用[4]。

2 在线测试系统构建

2.1 测试系统总体设计

根据高速通信的日常调试和测试需求，在线测试系统需要实现以下功能：

（1）速率、调制、编码方式等系统参数设置，功能实时加载等；

（2）载波、位同步、帧同步等实时状态监控与显示；

（3）实时误码测试和事后误码率、丢帧统计监测；

（4）信号时域、频域、矢量星座图等在线分析监测；

（5）数据时延抖动统计监测。

在高速通信在线测试系统中，主要包括参数实时配置和在线测试两部分。实时配置及在线测试系统设计的结构图如图4 所示。

图4 实时配置及在线测试系统组成

实时配置用来设置高速通信的各类参数，主要对应有调制、解调、译码等参数设置模块。在线测试用来监控高速通信的工作状态以及对关键性能指标进行测试分析，主要对应有全局解调状态显示模块和信号分析数据处理、实时误码率测试以及事后误码率测试等性能分析模块。这些功能需要软件程序和硬件程序互相配合来实现。目前主要有两类数据需要由硬件上传。一类是各种状态信息，主要是用来监测解调译码信号处理算法工作时各个环节的工作状态，如载波、位同步的锁定指示，由于数据较少，采用突发模式上传，另一类是连续的解调数据和星座图数据。此类数据由于数量较大且连续不断，因此其测试对测试系统的性能要求很高[5]。

2.2 实时配置功能与全局状态检测功能设计

实时配置与全局状态功能主要完成对星地高速通信系统的参数状态监视和参数控制功能。监视功能是实时显示高速通信的当前参数和运行状态等。若系统出现故障，可及时监测到。控制功能是设置系统的可控参数，要求严格检查参数的有效性，确认后才控制到系统。此外，界面上要给用户提示参数的有效范围。实时配置与全局状态如图5 所示。

2.3 在线测试功能设计

在线测试主要包括信号分析、实时误码率测试以及事后误码率测试等测试分析功能。

信号分析是接收系统硬件采集上报的信号分析数据，主要包括时域波形分析、频谱分析和星座图。

（1）时域波形分析。采用图形界面显示采集的数据，即波形。波形显示方式可以是折线，或者经LPF 重构显示为平滑曲线。

（2）频谱分析。对采集数据进行频谱分析，仿照Agilent 频谱仪显示频谱，可以调节RBW 和VBW 等显示参数，如图6 所示。

图5 实时配置与全局状态界面

图6 频谱分析

（3）星座图。对采集数据进行软件解调，根据获得的定时信息和同步数据，在星座图上显示I和Q 基带信号。对IQ 基带信号进行矢量统计分析计算，可获得包括Eb/N0、幅度误差、相位误差以及均衡质量等调制质量测试数据，如图7 所示。

实时误码率测试是在闭环测试或任务时统计解调数据误码率，用以评估星地高速通信系统的能力。高速通信在解调信号处理流程中设计了多处实时误码检测与统计，如帧头误码率测试和解调数据误码率测试，分别如图8 和图9 所示。

图7 星座图

图8 帧头误码率测试

事后数据误码测试是用于对记录存盘的数据进行误码率和丢帧测试，如图10 所示。选择相应的数据文件，再设置帧长、帧头、时码区间以及误码比对区间等信息。在线测试软件可以从文件中读取数据作为标准帧，实时与已记录的解调数据进行比对做误码率和丢帧测试。丢帧统计的原理是根据记录数据的时间码区，计算接收数据帧的连续性。不连续则认为丢帧，并累计总帧数和丢帧数。