卫星模拟器技术分析及应用
日期：2010-4-1 14:19:15 点击：
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1 引言
卫星模拟器主要完成模拟发送星上真实有效载荷数据；对数据进行格式化编排、加扰、RS编码等基带处理；分别经HRPT、MPT、DPT三条链路进行卷积编码、QPSK调制、射频信号下变频为中频信号输出；采集基带处理后的数据；通过网络完成各家载荷数据的分发等功能。该设备由硬件和软件两部分组成，硬件部分主要由卫星数传分系统基带数据模拟器（含数据加载笔记本）、HRPT、MPT、DPT射频模拟源、下变频器以及配套电缆、数据处理服务器、HUB组成。软件部分由数据加载软件、服务器数据分包转发软件、终端数据接收软件组成。卫星模拟器是卫星地面接收系统、运行控制系统、计算机与网络系统及数据预处理系统联调和测试的重要依据，也将在卫星后续星的研制过程中起到重要的作用。
2 工作原理与技术分析
2.1 卫星模拟器设备功能及工作流程
卫星模拟器的设备连接框图如图1所示。首先，由HRPT/MPT、DPT数据加载计算机通过数据加载软件将具有三条数传链路特征帧格式的数据分别输出到基带数据模拟器对应的功能模块中，这些数据是在卫星试验过程中获得的真实载荷数据（主要包含各载荷探测仪器经数传信息处理器处理后的数传帧格式数据），数据文件的加载具有循环读取的功能以保证数据流的连续性。基带数据模拟器按照三条链路射频信号源的输入要求，分别读取HRPT、MPT、DPT链路基带数据，并按照各自固定的传输速率输出至射频信号源。HRPT、MPT、DPT三种射频信号源，完成星上相应格式数传发射机的功能，对来自基带数据模拟器相应模块的数据进行卷积编码处理，实现由基带至所要求波段的调制（其中，HRPT射频信号源实现由基带至L波段的调制；MPT、DPT射频信号源实现由基带至X波段的调制），对外输出射频信号到下变频器。下变频器实现三路射频信号到中频（7205MHz）的下变频转换，并通过TCP/IP协议网络口发送至对应的地面接收处理设备，为地面站设备调试提供重要依据。
图1 卫星模拟器设备连接框图
2.2 卫星模拟器应用软件
卫星模拟器应用软件包括三部分：基带数据加载软件、服务器数据分包转发软件和终端数据接收软件。
基带数据加载软件主要完成对基带数据模拟器HRPT、MPT、DPT数据处理模块进行数据加载，并且数据文件可以循环发送以保证数据输出的连续性。这些数据均为卫星在测试过程中载荷仪器的探测数据。该软件由文件加载区域和信息显示区域两部分组成。文件加载区域实现对所要发送的文件进行选择和发送的控制；信息显示区域实现对所发数据流的监控。软件界面如图2所示。
服务器数据分包转发软件主要完成将存储在服务器硬盘中的卫星试验数据（载荷探测仪器探测数据）分包，并通过网络接口发送到后端用户终端，并保证HRPT、MPT、DPT三条链路回放数据过程中码速率与卫星实际下传码速率相当。该软件由功能选择区域和网络连接监控区域组成，界面如图3所示。
终端数据接收软件主要通过网络与服务器连接，从服务器回放的数据中接收设定的载荷数据，以备后期处理。该软件由信息选择区域和网络连接监控区域组成，界面如图4所示。
图2 基带数据加载软件界面
图3 服务器数据分包转发软件界面
2.3 技术分析
在卫星模拟器中，基带数据模拟器、射频信号源、下变频器是核心组成模块。
基带数据模拟器包含六个模块，分别为HRPT、MPT和DPT基带数据模块，每个模块包含主、备份各一块。通过USB接口将数据加载计算机中的卫星试验载荷仪器探测数据加载到三个数据处理模块中，再经过硬件转换分别按照固定的传输速率连续发送到相应的射频模拟源，可提供高达480 Mbit/s的通信速度。三个模块输出码速率与星上信息处理器输出到HRPT、MPT、DPT发射机的速率相当。基带数据模拟器为射频源提供多种输出接口。
基带数据模拟器的研制由硬件设计和固件程序设计两部分组成，其工作原理如图5所示。在硬件设计中，输入数据通过USB2.0芯片到达控制核心FPGA，该FPGA可以控制两片SRAM的读写切换。数据缓存电路采用双SRAM（单个SRAM容量512K Byte）组成乒乓结构，这种缓存结构使得采用相对较便宜的高速大容量SRAM来实现大量数据在系统中的高速传输成为可能。固件的作用就是辅助硬件，即控制硬件来完成预期的设备功能。所谓固件程序就是在设备USB控制器内部程序存储器中或外部扩展的程序存储器之中的程序。基带数据模拟器通过固件程序来辅助硬件完成USB通信任务。
图5 基带数据模拟器工作原理图
射频模拟源由晶体振荡器、高次倍频器、串并变换差分编码及卷积编码电路、QPSK调制器、窄带滤波器、功率放大器和电源变换器组成。分别接收基带数据模拟器HRPT、MPT、DPT模块发送的数据文件，分别模拟与星上三类数据发射机一致的输入接口、卷积编码方式、调制体制和输出频谱特征,射频输出至下变频器。设计结构如图6所示。
下变频器通过晶振产生一个10M信号，经倍频产生的射频信号作为本振输入，通过混频器下变频后滤波放大即得到所需的（7205MHz）中频解调信号。
图6 射频模拟源设计结构
3 故障分析与解决策略
卫星模拟器为卫星地面接收系统、运行控制系统、计算机与网络系统及数据预处理系统的联调和测试提供重要的数据依据，在卫星地面接收系统联调期间，曾出现不能下发正常的三路卫星模拟信号的故障。
逐一排查故障原因。首先检查硬件设备，以HRPT信号为例。将HRPT射频信号源的输出端X2G连到频谱仪的信号输入端口，观测HRPT射频信号源的输出频谱，如图7所示，可以看出，其频谱包络粗糙且出现有规律的毛刺，与正常状态下的频谱（如图8所示）出入很大。由于卫星模拟器所使用的数据是在卫星试验过程中载荷仪器的探测数据，应具备很强的随机性，不应出现有规律的毛刺状频谱。在对设备硬件进行专业测试后，发现基带数据模拟器、HRPT射频信号源设备本身各项指标正常，故怀疑可能是数据本身的问题。
第二步，检查卫星模拟器载荷仪器探测数据。在卫星模拟器的服务器电脑上，用UltraEdit32软件打开HRPT数据hrpt1024.TxTs,发现数据中有大段的数字0，非常有规律，不具备随机性，经判断这是卫星载荷测试数据解扰后得到的数据，采用这种数据使得调制器工作不稳定。
第三步，对数据加扰，验证设备正常。构造一帧（1024位）加扰后的数据，将其循环发送给基带数据模拟器，再发送给HRPT射频信号源，观测其输出频谱，以验证设备是否确实正常。将解扰后的数据（如1.trans.0文件）与扰码表中对应位的数据进行异或操作，即可得到加扰后的数据。加扰过程举例说明如表1所示。将加扰后的文件通过基带数据加载软件循环发送给基带数据模拟器，再通过频谱仪观测HRPT射频信号源输出频谱，如图8所示，频谱包络平滑，没有毛刺，可以验证卫星模拟器设备正常。后又将HRPT射频信号源的输出连接到下变频器的输入端，再与地面站实际接收设备连接，实际证明系统运行稳定，工作正常，卫星模拟器故障得以排除。MPT、DPT链路的故障同理得到排除。
图7 卫星模拟器故障频谱
图8 卫星模拟器正常状态频谱
4 结论
本文在对卫星模拟器的工作原理、关键技术做充分分析的基础上，对其在北京气象卫星地面站地面接收系统联调期间的故障排查过程做了总结，为卫星地面接收系统、运行控制系统、计算机与网络系统及数据预处理系统的联调和测试提供重要依据。
表1 加扰过程举例说明
参考文献
[1] 赵军祥 张其善 常青 李建辉. 高动态GPS卫星信号模拟器关键技术分析及应用，2005
[2] 窦振中.《单片机外围器件实用手册——存储器分册》北京航空航天大学出版社，2000
[3] 陈振国 杨鸿文 郭文彬.《卫星通信系统与技术》北京邮电大学出版社，2003
[4] 刘江. 加扰与条件接收系统研究与实现，2003
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卫星模拟器主要完成模拟发送星上真实有效载荷数据；对数据进行格式化编排、加扰、RS编码等基带处理；分别经HRPT、MPT、DPT三条链路进行卷积编码、QPSK调制、射频信号下变频为中频信号输出；采集基带处理后的数据；通过网络完成各家载荷数据的分发等功能。该设备由硬件和软件两部分组成，硬件部分主要由卫星数传分系统基带数据模拟器（含数据加载笔记本）、HRPT、MPT、DPT射频模拟源、下变频器以及配套电缆、数据处理服务器、HUB组成。软件部分由数据加载软件、服务器数据分包转发软件、终端数据接收软件组成。卫星模拟器是卫星地面接收系统、运行控制系统、计算机与网络系统及数据预处理系统联调和测试的重要依据，也将在卫星后续星的研制过程中起到重要的作用。
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2 工作原理与技术分析
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2.1 卫星模拟器设备功能及工作流程
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卫星模拟器的设备连接框图如图1所示。首先，由HRPT/MPT、DPT数据加载计算机通过数据加载软件将具有三条数传链路特征帧格式的数据分别输出到基带数据模拟器对应的功能模块中，这些数据是在卫星试验过程中获得的真实载荷数据（主要包含各载荷探测仪器经数传信息处理器处理后的数传帧格式数据），数据文件的加载具有循环读取的功能以保证数据流的连续性。基带数据模拟器按照三条链路射频信号源的输入要求，分别读取HRPT、MPT、DPT链路基带数据，并按照各自固定的传输速率输出至射频信号源。HRPT、MPT、DPT三种射频信号源，完成星上相应格式数传发射机的功能，对来自基带数据模拟器相应模块的数据进行卷积编码处理，实现由基带至所要求波段的调制（其中，HRPT射频信号源实现由基带至L波段的调制；MPT、DPT射频信号源实现由基带至X波段的调制），对外输出射频信号到下变频器。下变频器实现三路射频信号到中频（7205MHz）的下变频转换，并通过TCP/IP协议网络口发送至对应的地面接收处理设备，为地面站设备调试提供重要依据。
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图1 卫星模拟器设备连接框图
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2.2 卫星模拟器应用软件
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卫星模拟器应用软件包括三部分：基带数据加载软件、服务器数据分包转发软件和终端数据接收软件。
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基带数据加载软件主要完成对基带数据模拟器HRPT、MPT、DPT数据处理模块进行数据加载，并且数据文件可以循环发送以保证数据输出的连续性。这些数据均为卫星在测试过程中载荷仪器的探测数据。该软件由文件加载区域和信息显示区域两部分组成。文件加载区域实现对所要发送的文件进行选择和发送的控制；信息显示区域实现对所发数据流的监控。软件界面如图2所示。
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服务器数据分包转发软件主要完成将存储在服务器硬盘中的卫星试验数据（载荷探测仪器探测数据）分包，并通过网络接口发送到后端用户终端，并保证HRPT、MPT、DPT三条链路回放数据过程中码速率与卫星实际下传码速率相当。该软件由功能选择区域和网络连接监控区域组成，界面如图3所示。
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终端数据接收软件主要通过网络与服务器连接，从服务器回放的数据中接收设定的载荷数据，以备后期处理。该软件由信息选择区域和网络连接监控区域组成，界面如图4所示。
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图2 基带数据加载软件界面
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图3 服务器数据分包转发软件界面
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图4 终端数据接收软件界面
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2.3 技术分析
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在卫星模拟器中，基带数据模拟器、射频信号源、下变频器是核心组成模块。
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基带数据模拟器包含六个模块，分别为HRPT、MPT和DPT基带数据模块，每个模块包含主、备份各一块。通过USB接口将数据加载计算机中的卫星试验载荷仪器探测数据加载到三个数据处理模块中，再经过硬件转换分别按照固定的传输速率连续发送到相应的射频模拟源，可提供高达480 Mbit/s的通信速度。三个模块输出码速率与星上信息处理器输出到HRPT、MPT、DPT发射机的速率相当。基带数据模拟器为射频源提供多种输出接口。
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基带数据模拟器的研制由硬件设计和固件程序设计两部分组成，其工作原理如图5所示。在硬件设计中，输入数据通过USB2.0芯片到达控制核心FPGA，该FPGA可以控制两片SRAM的读写切换。数据缓存电路采用双SRAM（单个SRAM容量512K Byte）组成乒乓结构，这种缓存结构使得采用相对较便宜的高速大容量SRAM来实现大量数据在系统中的高速传输成为可能。固件的作用就是辅助硬件，即控制硬件来完成预期的设备功能。所谓固件程序就是在设备USB控制器内部程序存储器中或外部扩展的程序存储器之中的程序。基带数据模拟器通过固件程序来辅助硬件完成USB通信任务。
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图5 基带数据模拟器工作原理图
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射频模拟源由晶体振荡器、高次倍频器、串并变换差分编码及卷积编码电路、QPSK调制器、窄带滤波器、功率放大器和电源变换器组成。分别接收基带数据模拟器HRPT、MPT、DPT模块发送的数据文件，分别模拟与星上三类数据发射机一致的输入接口、卷积编码方式、调制体制和输出频谱特征,射频输出至下变频器。设计结构如图6所示。
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下变频器通过晶振产生一个10M信号，经倍频产生的射频信号作为本振输入，通过混频器下变频后滤波放大即得到所需的（7205MHz）中频解调信号。
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图6 射频模拟源设计结构
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3 故障分析与解决策略
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卫星模拟器为卫星地面接收系统、运行控制系统、计算机与网络系统及数据预处理系统的联调和测试提供重要的数据依据，在卫星地面接收系统联调期间，曾出现不能下发正常的三路卫星模拟信号的故障。
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逐一排查故障原因。首先检查硬件设备，以HRPT信号为例。将HRPT射频信号源的输出端X2G连到频谱仪的信号输入端口，观测HRPT射频信号源的输出频谱，如图7所示，可以看出，其频谱包络粗糙且出现有规律的毛刺，与正常状态下的频谱（如图8所示）出入很大。由于卫星模拟器所使用的数据是在卫星试验过程中载荷仪器的探测数据，应具备很强的随机性，不应出现有规律的毛刺状频谱。在对设备硬件进行专业测试后，发现基带数据模拟器、HRPT射频信号源设备本身各项指标正常，故怀疑可能是数据本身的问题。
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图7 卫星模拟器故障频谱
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图8 卫星模拟器正常状态频谱
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4 结论
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本文在对卫星模拟器的工作原理、关键技术做充分分析的基础上，对其在北京气象卫星地面站地面接收系统联调期间的故障排查过程做了总结，为卫星地面接收系统、运行控制系统、计算机与网络系统及数据预处理系统的联调和测试提供重要依据。
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表1 加扰过程举例说明
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参考文献
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[1] 赵军祥 张其善 常青 李建辉. 高动态GPS卫星信号模拟器关键技术分析及应用，2005
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[3] 陈振国 杨鸿文 郭文彬.《卫星通信系统与技术》北京邮电大学出版社，2003
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