中继卫星地面站前向链路瞬时畸变信号抓取系统设计与实现

2023-12-27安建，王磊，韩磊

载人航天 2023年6期

安建，王磊，韩磊

（北京空间信息传输中心，北京 102308）

1 引言

中国天链系列中继卫星系统日趋成熟，每年为载人航天等数十个型号的发射任务提供天基测控与数据中继服务。以载人航天为代表的测控通信应用，对中继卫星系统与设备的稳定性、可靠性要求极高，对故障或异常的早期发现具有重大意义［1］。

传统的卫星通信信号异常检测主要采用频谱监测方式，实时分析信号中心频率、带宽、电平等参数，通过与已有频谱模版对比检测异常信号，对于稳态异常检测效果较好，但对于瞬时畸变信号则难以实现有效检测。近年来，深度学习技术迅猛发展，成为各个学科领域的研究热点，在文字、语音、图像识别等领域取得了显著成果［2-5］。O’Shea 等［6］提出了一种基于循环神经网络（Recurrent Neural Network，RNN）模型的异常检测方法，能有效检测频谱中的异常信号，并在低信噪比条件下仍具有较高的检测率。Li 等［7］建立了缩放深度学习模型来捕捉频谱使用模式，并将其作为基线来检测由故障和误用导致的频谱使用异常。Rajendran 等［8］基于信号的功率谱和对抗自编码器（Adversarial Autoencoder，AAE），在少量带标签样本场景下实现信号异常检测。上述基于深度学习的异常检测方法普遍存在检测率、实时性受限或对电磁环境变化敏感等问题，无法满足天基测控通信中的异常检测需求。

本文针对卫星地面站链路前向信号发生瞬时畸变，频谱仪等常规仪器手段难以检测捕获，故障定位耗时费力的问题，提出了一种基于多参量触发的瞬时畸变信号检测方法。通过对中频信号采样数据实时解调，根据解调过程中对载波同步、码元同步等同步信息，以及对解调后可视化基带波形分析、眼图分析、星座及矢量分析获取的频率误差、相位误差、幅度误差等可测参量信息进行监测，当上述实时监测对象发生异常事件或者可测参量超过设定的门限值时产生触发信息，从而触发采集瞬时畸变信号。采集的畸变信号波形片段可支持后续的深度分析和故障诊断。该方法不需要进行大数据样本训练，通过改变信号波形参数即可适应多种体制信号的异常检测和抓取。

2 瞬时畸变信号抓取方法

正常卫星通信信号因故发生畸变时会导致信号的幅度、频率及相位等要素偏离正常范围，进而会导致解调异常、误码率增高。多种信号分析手段可以提取信号特征参数，这些特征参数及解调同步状态能够作为触发参量用于畸变信号的触发抓取，可选用的触发参数类型包括信噪比、误差矢量幅度（Error Vector Magnitude，EVM）、相关峰、误码率、频率偏移量、相位偏移量、幅度偏移量、输入功率、载波同步状态、码元同步状态、帧同步状态等。根据监测信号实际情况，设定可测量参数合适的阈值范围，检测到信号超出某一参量的阈值时产生触发信号触发采集；对于状态参量，如载波同步状态、码元同步状态、帧同步状态等，可将异常状态作为触发参量。抓取支持多种触发条件，各触发条件参数可独立配置，也可支持多种触发条件的逻辑组合（各种条件的与、或逻辑组合）。抓取原理如图1 所示。

图1 瞬时畸变信号抓取原理Fig.1 The principle of instantaneous distortion signal capture

上述触发参量的计算主要依赖对中频信号采样数据实时解调，为满足信号解调后针对性分析的功能要求，需要针对中继卫星系统采用的二进制相移键控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）、正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）等多种调制体制设计专门的软解调模块，完成中频数据的载波恢复、码元同步、均衡等操作，同时还需确保所设计的软解调算法不会因为自身的不足而影响中频信号本身质量（星座图、眼图、波形图等）的呈现，如载波恢复环路不稳造成的频率及相位波动、码元同步环路不稳造成的码元时钟波动等。采用前向软解调技术，对中频数据进行分段处理，之后依次完成频差、相差、定时误差的识别与校正，并且各段中频数据处理中的过程数据不继承、不累积，保证各段中频数据处理之间不存在误差累积及惯性干扰造成的频率、相位或码元时钟波动，从而保证对中频信号的分析与测量结果的真实呈现。

对于非扩频的BPSK、QPSK 等信号，可以采用通用的解调处理流程，其难点在于需要适应不同的调制方式和码速率，处理流程如图2 所示。

图2 非扩频信号解调处理流程Fig.2 Demodulation processing flow of non-spread spectrum signal

对于扩频的BPSK、QPSK 等信号，需要首先实现载波频率和伪码相位的二维捕获才能做进一步的处理，处理流程如图3 所示。其主要难点在于为降低复杂度，提高可靠性，对不同伪码速率和信息速率采用统一的算法模块来处理。

图3 扩频信号解调处理流程Fig.3 Demodulation processing flow of spread spectrum signal

3 系统设计

本文设计了瞬时畸变信号实时抓取系统，如图4 所示。抓取系统由数据采集、信号实时分析处理、触发参数识别判决、瞬时畸变信号抓取等功能模块组成。

图4 瞬时畸变信号抓取系统功能组成图Fig.4 Function composition diagram of instantaneous distortion signal capture system

1）数据采集模块主要对中频信号进行实时采集，并将采集数据分成2 路，一路用于临时存储，一路用于实时分析处理。临时存储主要把数据暂时存放在内存中，当信号有异常时，支持对触发时刻前后一定时间内的采样数据进行提取。

2）实时分析处理模块主要通过信号的实时解调处理，监测解调过程中的载波同步、码元同步等同步信息，并在解调后通过可视化基带波形分析、眼图分析、星座及矢量分析提取信号的频率误差、相位误差、幅度误差等可测参量信息；对于扩频信号计算相关峰信息，根据编解码原理，对解调后的数据误码率进行实时计算，获取信号的误码率；最后，将监测结果实时发送至触发参数超限判决模块。

3）触发参数超限判决模块根据状态异常事件或可测参量的门限值，产生触发信号，触发参量组合和可测参量门限值可根据信号体制等具体情况进行配置。

4）瞬时畸变信号抓取模块接收触发信号，并抓取记录对应畸变时刻前后一段时间内的信号采样数据。

抓取系统具有以下功能：

1）具备卫星信号的采集和回放功能，采样精度≥14 bit；

2）具备前、返向链路信号软件解调、译码及帧同步等功能；

3）具备信号实时分析功能，分析方法包括频谱分析、波形分析、矢量分析、眼图分析等；

4）支持对瞬时畸变信号的自动触发抓取；

5）支持多种类型触发参数，触发参数类型包括信噪比、EVM、相关峰、误码率、频率偏移、相位偏移、幅度偏移、输入功率、载波同步、码元同步、帧同步等；

6）支持瞬时畸变信号抓取回溯时间及总时长按需配置，配置步进≤1 ms；

7）具有异常告警功能，发现异常时及时发出告警信号。

4 系统实现

抓取系统采用可靠的工控机形态，提升数据采集的稳健性，主要完成输入模拟信号的模拟滤波、AGC 控制、AD 转换、数字域下变频、数字域降采样处理，并将获得的信号采样数据进行进一步的数字信号处理，完成数字域的各类信号实时分析处理操作，如解调、译码、基带波形分析、眼图分析、星座及矢量分析、相关峰计算、误码率统计等。

抓取系统设备由结构、硬件电路、固件和主控软件组成，如图5 所示。

图5 瞬时畸变信号抓取系统组成框图Fig.5 Composition diagram of instantaneous distortion signal capture system

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、外部接口等部分，主要作用是为硬件电路板卡提供必要的结构空间、供电、散热等支持。

2）硬件电路子系统。硬件电路子系统包括工控机CPU 主板、中频信号处理板（采集回放功能）、存储板、NVMe 硬盘等组成，其主要作用是实现宽带信号的中频采集，并将采集信号高速存储至本地存储阵列，可高速读取本地存储阵列中的数据，进行中频数据回放。

3）固件子系统。固件子系统是指运行硬件板卡上的FPGA 数字芯片上的程序，其主要作用是将采集信号进行格式整理、缓存，将回放信号进行格式解析、输出，并通过DMA 与主机进行信号交互。

4）主控软件子系统。主控软件系统是指运行于VPX 工控机平台的监控软件，是抓取系统设置管理的应用层软件，人机交互的窗口，如图6所示。

瞬时畸变信号抓取系统采用2U VPX 系统架构，机箱背板提供4 个槽位，可插入4 块标准6U VPX 板卡，其中一个为主控板（CPU 板）槽位，插一块工控机主板。工控机主板通过交换板与VPX 各槽位板卡进行千兆网监控信息交互及PCIE 高速数据传输，并通过DMA 的方式存储数据。设备样机如图7 所示。

图7 瞬时畸变信号抓取系统样机Fig.7 Prototype of instantaneous distortion signal capture system

5 系统工作模式

抓取过程主要负责提取异常出现时刻前后一段时间内的时域信号。为保证采集到异常发生时刻前后的信号，抓取系统将信号进行实时缓存，在异常触发信号到来时刻，将缓存的一定时长的信号进行存储，并将触发时刻之后的信号继续存储一段时间，触发时刻前后的存储时长可根据需要进行设置。

抓取一般工作在自动触发采集模式，即触发信号触发采集后，可自动按设置的采集时长参数进行数据的采集存储。采集支持任意时刻的手动触发采集，触发信号生成后，开始存储数据，直到手动停止采集。为便于后续开展信号深度分析，数据存储格式支持手动设置，可按文件形式存储，每个数据文件均带时间信息（时码）；也可按照数据流的形式存储，此时只存储数据起始时刻的时间信息。

在中继卫星地面站上行链路中，瞬时畸变信号抓取系统可在线监测功放、一级变频、二级变频和数字基带4 个节点，一旦某个节点发生故障，则触发采集4 路节点数据，如图8 所示。抓取系统通过监控软件设置4 路信号分析参数及触发逻辑，设置抓取相关参数；系统实时分析4 路信号，提取各个触发参量的实时数值和状态参量的状态信息，系统内部的触发参数超限判决根据设定的触发条件和各路信号的实时分析结果生成触发信号；抓取模块根据触发信号同时对4 路信号按照配置的时长进行抓取，并以文件形式存储供后续分析使用。

图8 地面站前向链路监测示意图Fig.8 Schematic diagram of forward link monitoring of ground station

系统支持4 路中频信号同时输入，可同时对多路信号进行实时分析，分析路数可配置。以4 路信号实时分析为例，典型工作流程如图9所示。

图9 瞬时畸变信号抓取工作流程示意图Fig.9 Schematic diagram of work flow of instantaneous distortion signal capture

1）通过监控软件设置4 路信号分析参数及触发逻辑，设置抓取相关参数；

2）系统实时分析4 路信号，将分析过程的各节点数据给触发参数超限判决模块，同时将分析结果上报给监控软件进行显示；

3）触发参数超限判决模块根据设定的触发条件和各路信号的分析结果生成触发信号；

4）抓取模块根据触发信号生成4 路信号的快照数据；

5）4 路抓取信号数据通过PCIe 总线以DMA方式上传到主控板，由监控软件将信号存储在存储板中；

6）监控软件生成告警信息和相应抓取日志。

6 测试验证

为验证系统有效性，构建了测试验证环境，基于矢量信号源对瞬时畸变信号抓取系统性能进行了测试，测试环境如图10 所示。

图10 瞬时畸变信号抓取系统测试环境结构Fig.10 Structure of test environment for instantaneous distortion signal capture system

矢量信号源产生一路随机突发中断的中频信号，信号编码前信息速率为2 Mbps，编码方式为卷积（7，1／2），调制方式为BPSK，中断时长3 ～5 ms 不等。矢量信号源通过分路器将中频信号分成4 路，分别连接至瞬时畸变信号抓取系统的4 个中频采集端口，抓取系统按要求配置4 路中频采集通道参数，实时监测4 路中频信号。监测到异常发生时，触发采集4 路异常信号，并以文件形式存盘。对测试中抓取的一段异常信号数据进行小波分析，结果如图11 所示。