CN102364348A - 卫星地面站中频信号频谱自动监测分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种卫星地面站中频信号频谱自动监测分析仪，由频谱信息采集模块、机箱和电源组成；所述频谱信息采集模块，由频谱信息采集卡、状态指示面板、屏蔽壳、滑轨构成；频谱信息采集卡由硬件和单片机软件组成，并设有中频信号输入接口、通信接口、电源接口。频谱信息采集卡具有多次混频、切换滤波、对数变换、放大、A/D转换及串口通信的功能。本发明之自动监测分析仪，实现了用一个专用中频频谱信息采集模块完成所需的频谱测量；增加频谱采集模块数量，可以扩展频谱测量范围；并利用计算机网络技术，数据库技术及其软件技术，实现卫星通讯网全网频率资源的无缝自动监测和实时告警，从而提高通信质量。

Description

卫星地面站中频信号频谱自动监测分析仪

技术领域：

本发明涉及一种卫星通信网频率资源监控装置，具体地说是卫星地面站中频信号频谱自动监测分析仪。

背景技术：

在卫星通信领域中，频谱仪是频谱测量的重要仪器，几乎所有的卫星通信网中，频谱仪是频率资源监测的主要手段，其以测量精度高、分辨率高、测量范围广、使用方便以及性能可靠等而得到了广泛地应用。然而现有的频谱仪在实际测量过程中，一台频谱仪任何情况下只能对某一频段信号进行人工测量或监视，如要对多频段信号同时进行测量，就必须由多人使用多台频谱仪来完成。而如果要对多路信号同时进行长时间、不间断地连续监测——这几乎是不可能做到的，其原因：不仅由于频谱仪价格昂贵，大量配置价格不菲，而且需配备许多技术熟练的人员进行操作；即便如此，也只能人工监视，不能自动监测，其监测的充分性和可靠性均受到影响。这是目前卫星通信网频率资源监测的薄弱环节，也是该技术领域的一个滞后点。

发明内容：

本发明的目的在于，克服现有频谱仪存在的缺点，提供一种能实现多星、多转发器、多个载波信号的同时监测，并显示测试数据、自动存储测试结果、对异常状态声光告警的一种新型频谱自动监测分析仪。

本发明通过如下技术方案实现：

本发明之卫星地面站中频信号频谱自动监测分析仪，由频谱信息采集模块、机箱和电源三部分组成，机箱内设有固定频谱信息采集模块的滑轨槽，机箱前面板上设有频谱信息采模块的状态指示面板和总电源开关。电源采用一块多路开关电源。

所述频谱信息采集模块，由频谱信息采集卡、状态指示面板、屏蔽壳、滑轨组成；频谱信息采集卡固定在屏蔽壳内，状态指示面板固定在屏蔽壳外侧，滑轨固定在屏蔽壳之上下两侧；频谱信息采集卡上设有中频信号输入接口，通信接口，电源接口。频谱信息采集模块为一块或多个模块。

所述频谱信息采集卡由硬件和单片机软件两部分组成：

A其硬件部分，由单片机、衰减电阻、放大器、带通滤波器、数字频率合成器、锁相环电路、二级混频、四选一模拟开关、窄带滤波器、对数变换器、A/D转换模块、串行同步/异步通信模块构成；单片机控制着数字频率合成器、四选一模拟开关、A/D转换模块、串行同步/异步通信模块；四选一模拟开关在单片机的控制下对四只窄带滤波器进行选择切换，以不同的分辨率带宽将信号输入对数变换器；对数变换器将接收到的信号进行对数变换，然后输出一个幅度与之相对应的直流电压信号；A/D转换模块将输入的经放大的直流电压信号转换为相应的数字信号供单片机处理；串行同步/异步通信模块将单片机处理后的测试结果字符串经通信接口发送到上位机；带通滤波器抑制噪声和杂散等干扰；衰减电阻、放大器为输入输出提供电平匹配。

B其的软件部分，通过单片机执行如下程序：

1)加电后，进行初始化；

2)串口接收上位机发来的测试指令；

3)分析测试指令，提取各个参数；

4)计算起始频率，终止频率；

5)以起始频率为起点，以步距为单位，以终止频率为终点，逐步进行频率扫描；

6)根据扫描点频率值计算并设置DDS控制字，计算中涉及到的公式(F_LO1＝Fin＝(M+1)×Fr/(R+1)、Fr＝(ΔPhase×System Clock)/2³²、F_LO1＝F_IF1+F_RE1)；

7)等待频率合成器稳定后，启动AD转换，对经混频、对数变换、放大后的待测信号采样并转换成相应数字值；

8)将采样、转换后的相应数字值转换为dBm值，并汇同别的参数生成测试结果字符串；

9)通过串行同步/异步模块(USART)将测试结果字符串发送给上位机；

10)扫描下一个频率点，并判断该点是否是终止频率点：如否，重复6)、7)、8)、9)步动作，如是，发送字符‘E’到上位机，结束本轮扫描。

频谱信息采集卡的工作步骤如下：

1)载波信号经中频输入接口输入，再经衰减成载波信号F_RE1；

2)频率合成器和锁相环将基准频率合成出高稳定度的本振频率信号F_LO1；

3)F_RE1与F_LO1进行第一次混频出固定中频信号F_IF1；

4)滤波后与基准频率二次混频出固定中频信号F_1F2；

5)经四选一模拟开关切换滤波、对数变换、放大及A/D转换，以载波信号的功率谱密度形式通过串行同步/异步(USART)通信模块再经通信接口发送给上位机，从而实现对载波信号频谱的监测。

本发明以卫星地面站中频信号频谱自动监测分析仪为终端，配套相应上位机软件，构成卫星通讯网频率资源监控管理系统，代替传统运用频谱分析仪器监测的方法，能够实现对多颗卫星在用多个转发器传输信号的24小时连续监测，并显示测试数据、自动存储测试结果、对异常状态声光告警。可选择的分辨率带宽(RBW)使得测量更加灵活，良好的人机界面使得操作与使用更加简便；能够实现对信号非正常状态和干扰信号的实时告警；系统的运算精度高、运行稳定可靠，具有较强的兼容性，适用于卫星通信网的普及应用。

本发明之卫星地面站中频信号频谱自动监测分析仪，采用一个专用中频频谱信息采集模块，便可取代一台传统的性能通用但价格昂贵的频谱仪，来完成所要求的频谱测量；若增加频谱采集模块数量，就可以扩展频谱测量范围。利用计算机技术，把这些采集模块进行集中控制并对测量数据处理，建立起卫星通讯全网频率资源监测平台。以平台为基础，利用计算机网络技术，数据库技术及其软件技术，就可以实现卫星通讯网全网频率资源的无缝自动监测和实时告警，从而提高通信质量。

附图说明：

图1、频谱信息采集模块结构示意图；

图中：1频谱信息采集卡，2状态指示面板，3屏蔽壳，4滑轨，5输入接口，6通信接口，7电源接口；

图2、本发明频谱信息采集卡原理框图；

图3、频率合成器(DDS)原理框图；

图4、锁相环(PLL)原理框图；

图5、多路滤波及模拟开关原理框图；

图6、频谱信息采集卡之软件流程图。

具体实施方式：

下面结合附图叙述一个本发明的实施例。

本实施例之卫星地面站中频信号频谱自动监测分析仪，由八块频谱信息采集模块，机箱和电源三部分组成。机箱由前面板、框架、滑轨槽及外壳、后面板等组成，前面板采用4mm铝合金板加工成型，表面喷塑处理；后面板采用3mm铝合金板经加工成型，导电氧化处理。机箱为标准的19″、4U机箱，机箱内设有固定八路频谱信息采集模块的滑轨槽，机箱正面由前面板和八路频谱信息采模块的状态指示面板2组成。总电源开关装在机箱前面板左侧，机箱后左下侧装有220VAC电源插座，为整机供电接口。机箱后左上侧装有散热风扇，保障机箱不至过热。电源采用一块多路开关电源，输入220VAC，输出分别为18V、12V、5V，内置于机箱左侧。直流电源接口板固定在机箱内后部，板上等间距并行焊接八个电源接口7插座，通过直流电源接口板，为八块信息采集模块供电。

图1显示了本实施例的频谱信息采集模块结构

该频谱信息采集模块为八个，并行工作。该采集模块由频谱信息采集卡1、状态指示面板2、屏蔽壳3、滑轨4组成。频谱信息采集卡1固定在屏蔽壳3(右面、前后上下壁围成的四方盒)内侧之右部，状态指示面板2固定在屏蔽壳3外侧前端，设有开关及指示灯。滑轨4固定在屏蔽壳上下两侧，方便频谱信息采集模块插入机箱。

图2显示了本实施例之频谱信息采集卡的结构

频谱信息采集卡1由单片机、衰减电阻、放大器、带通滤波器1和2、数字频率合成器、锁相环电路、二级混频、四选一模拟开关、窄带滤波器、对数变换器、A/D转换模块、串行同步/异步(USART)通信模块构成；单片机控制数字频率合成器、四选一模拟开关、A/D转换模块、串行同步/异步(USART)通信模块；模拟开关在单片机的控制下对四只窄带滤波器进行选择切换，以不同的分辨率带宽将信号输入对数变换器；对数变换器将接收到的信号进行对数变换，然后输出一个幅度与之相对应的直流电压信号；A/D转换模块将输入的经放大的直流电压信号转换为相应的数字信号供单片机处理；串行同步/异步(USART)通信模块将单片机处理后的测试结果字符串通过串行同步/异步(USART)通信模块再经通信接口6发送到上位机。带通滤波器1、2抑制噪声和杂散等干扰。衰减电阻、放大器为输入输出提供电平匹配。

频谱信息采集卡1由PCB板和相关电子元件焊接而成，用螺钉固定于屏蔽壳内右侧，其上焊接有电源接口7、通信接口6、输入接口5和其他电子元器件。

频谱信息采集卡(1)的工作步骤如下：

1)载波信号经中频输入接口(5)输入，再经衰减成载波信号F_RE1；

2)频率合成器和锁相环将基准频率合成出高稳定度的本振频率信号F_LO1；

3)F_RE1与F_LO1进行第一次混频出固定中频信号F_IF1；

4)滤波后与基准频率二次混频出固定中频信号F_IF2；

5)经四选一模拟开关切换滤波、对数变换、放大及A/D转换，以载波信号的功率谱密度形式通过串行同步/异步(USART)通信模块再经通信接口(6)发送给上位机，从而实现对载波信号频谱的监测。

单片机MSP430F149，主控CPU芯片采用Texas Instruments公司生产的MSP430F149单片机，其片内置高精度的带有内部参考及采样保持的12位A/D转换器、串行同步/异步通信控制模块(USART)、60KB Flash ROM及2K RAM。具有完善的开发环境及JTAG仿真接口。

MSP430F149单片机通过通信接口6接口接收上位机发送的控制命令及参数，设置工作模式，向数字频率合成器(DDS)中写控制字，以合成出指定频率的本振信号F_LO1，同时控制频率扫描及A/D采样、转换，并逐点将A/D转换后的数据进行处理，以载波信号的功率谱密度形式通过串行同步/异步(USART)通信模块再经通信接口6发送至上位机。

混频器，采用Mini公司的ADE-1L双平衡混频器。平均损耗为5.2dB，LO-RF隔离度为68dB，LO-IF隔离度为55dB。

对数变换器AD8306，其动态范围为100dB，带宽为400MHz，在10MHz～200MHz的频率范围内线性度可高达±0.4dB。21.4MHz中频信号经放大及带通滤波后，输入到AD8306的输入端进行对数变换，然后AD8306输出一个幅度与之相对应的直流电压信号，此信号经放大后即为MSP430F149单片机A/D转换器的输入信号。

模拟开关ADG904，ADG904为四选一模拟开关，其工作频率2.0GHz，-3dB带宽为2.5GHz，插入损耗0.4dB，转换时间12ns。

图3显示数字频率合成器(DDS)的工作原理

数字频率合成器(DDS)AD9850的外部参考晶振的上限频率为125MHz，控制字的字长为40位，其中频率控制字ΔPhase为32位，相位控制字为5位，其他控制字3位。内部带有一个10位的高速D/A转换器。在CPU的控制下，控制字被写入到DDS中，每来一个基准时钟，相位累加器的输出就增加一个步长的相位增量值(相位增量值的大小由32位频率控制字ΔPhase确定)，从而形成一个地址。当用此地址进行寻址时，正弦查表就将相位累加器中的抽样值转换为正弦波幅度的函数值，经D/A转换器后，再经低通滤波器滤除不需要的取样分量，就直接快速地合成出稳定的正弦波信号。

输出正弦波频率F_r＝(ΔPhase×System Clock)/2³²

其中：System Clock为系统时钟(MHz)，亦即基准频率，ΔPhase为32位频率控制字的十进制值。当ΔPhase取值为1时，输出正弦波频率为最小值F_Min，此即直接数字频率合成器(DDS)的频率分辨率。

图4显示锁相环(PLL)之PE3236和外围元件构成锁相功能电路的结构和工作原理

锁相环(PLL)中PE3236是一种高性能、低相位噪声、低功耗的整数N PLL，频率合成能力高达2.2GHz。本实施例中通过控制字将PE3236设为直接接口工作模式，参数M、R以硬件连接的方式写入PE3236。来自反馈端的频率Fin和参考端的频率Fr被PE3236分频成Fp(Fp＝Fin/(M+1))和Fc(Fc＝Fr/(R+1))，Fp、Fc经PE3236内部运算后输出PD_D和PD_U，PD_D、PD_U经过环路滤波对噪声和杂散等干扰进行拟制后得到压控振荡器(VCO)的控制电压，控制压控振荡器(VCO)输出Fin、F_LO1。当环路锁定后(Fp＝Fc)，输出锁定频率。

F_LO1＝Fin＝(M+1)×Fr/(R+1)

图5为使用模拟开关ADG904实现对四只窄带滤波器进行选择切换的的结构和工作原理框图。

窄带滤波器的带宽即为分辨率带宽RBW。为满足设计要求，本实施例采用四只中心频率为21.4MHz，带宽分别为1KHz、3KHz、10KHz、30KHz的石英晶体滤波器。滤波器的选择由CPU根据上位机的命令通过控制模拟开关的切换来实现。

图5ADG904的选择输入端A0、A1接CPU的控制端口，四只窄带滤波器的输入均接待测中频信号，输出分别接ADG904的四个输入端：输入1、输入2、输入3和输入4。而ADG904的输出端接对数变换器的输入端。当控制信号“A1A0”分别为“00，01，10，11”时，输入1、输入2、输入3、输入4依次与输出端接通，从而实现对四只窄带滤波器的选择切换，即RBW的选择切换。

图6显示频谱信息采集卡1之软件流程图

单片机软件的流程是，单片机加电复位后，首先进行初始化，随后进入缺省的工作模式等待接收上位机发来的指令及参数。单片机对串口接收到的测试指令，进行分析，根据“CF”(中心频率)、“SPAN”(扫描宽度)、“STEP”(扫描步距)等参数计算并设置频率扫描的“START FREQ”(起始频率)、“STOP FREQ”(终止频率)。完成上述动作后，单片机从“STARTFREQ”(起始频率)开始，以“STEP”(扫描步距)为单位逐步进行频率扫描。每扫一步，单片机根据扫描点频率值计算并写DDS频率控制字，用以合成出指定频率的本振信号F_LO1。等频率合成器稳定后，单片机依照设定的工作模式启动A/D转换器对经混频、对数变换、放大后的待测信号采样、转换，再经计算转换为dBm值后生成测试结果字符串，并通过串行同步/异步(USART)通信模块再经通信接口6发送给上位机。随后，单片机开始扫描下一个频率点，并判断该点频率值是否为“STOP FREQ”(终止频率)，如否，重复上个扫描点工作过程，如是，发送字符‘E’结束本轮扫描。

Claims (6)

1.卫星地面站中频信号频谱自动监测分析仪，其特征在于：由频谱信息采集模块、机箱和电源三部分组成；机箱内设有固定频谱信息采集模块的滑轨槽，机箱前面板上设有频谱信息采模块的状态指示面板和总电源开关；

所述频谱信息采集模块，由频谱信息采集卡(1)、状态指示面板(2)、屏蔽壳(3)、滑轨(4)组成；频谱信息采集卡(1)固定在屏蔽壳(3)内，状态指示面板(2)固定在屏蔽壳(3)外侧，滑轨(4)固定在屏蔽壳(3)之上下两侧；频谱信息采集卡(1)上设有中频信号输入接口(5)，通信接口(6)，电源接口(7)。

2.根据权利要求1所述频谱自动监测分析仪，其特征在于：频谱信息采集模块为一块或多个模块。

3.根据权利要求1所述频谱自动监测分析仪，其特征在于：频谱信息采集卡(1)由单片机、衰减电阻、放大器、带通滤波器、数字频率合成器、锁相环电路、二级混频、四选一模拟开关、窄带滤波器、对数变换器、A/D转换模块、串行同步/异步通信模块构成；单片机控制着数字频率合成器、四选一模拟开关、A/D转换模块、串行同步/异步通信模块；四选一模拟开关在单片机的控制下对四只窄带滤波器进行选择切换，以不同的分辨率带宽将信号输入对数变换器；对数变换器将接收到的信号进行对数变换，然后输出一个幅度与之相对应的直流电压信号；A/D转换模块将输入的经放大的直流电压信号转换为相应的数字信号供单片机处理；串行同步/异步通信模块将单片机处理后的测试结果字符串经通信接口(6)发送到上位机；带通滤波器抑制噪声和杂散等干扰；衰减电阻、放大器为输入输出提供电平匹配。

4.根据权利要求3所述频谱自动监测分析仪，其特征在于，频谱信息采集卡(1)的软件部分，通过单片机执行如下程序：

1)加电后，进行初始化；

2)串口接收上位机发来的测试指令；

3)分析测试指令，提取各个参数；

4)计算起始频率，终止频率；

5)以起始频率为起点，以步距为单位，以终止频率为终点，逐步进行频率扫描；

6)根据扫描点频率值计算并设置DDS控制字，计算中涉及到的公式(F_LO1＝Fin＝(M+1)×Fr/(R+1)、Fr＝(ΔPhase×System Clock)/2³²、F_LO1＝F_IF1+F_RE1)；

7)等待频率合成器稳定后，启动AD转换，对经混频、对数变换、放大后的待测信号采样并转换成相应数字值；

8)将采样、转换后的相应数字值转换为dBm值，并汇同别的参数生成测试结果字符串；

9)通过串行同步/异步模块(USART)将测试结果字符串发送给上位机；

10)扫描下一个频率点，并判断该点是否是终止频率点：如否，重复6)、7)、8)、9)步动作，如是，发送字符‘E’到上位机，结束本轮扫描。

5.根据权利要求1或权利要求3所述频谱自动监测分析仪，其特征在于：频谱信息采集卡(1)的工作步骤如下：

1)载波信号经中频输入接口(5)输入，再经衰减成载波信号F_RE1；

2)频率合成器和锁相环将基准频率合成出高稳定度的本振频率信号F_LO1；

3)F_RE1与F_LO1进行第一次混频出固定中频信号F_IF1；

4)滤波后与基准频率二次混频出固定中频信号F_IF2；

5)经四选一模拟开关切换滤波、对数变换、放大及A/D转换，以载波信号的功率谱密度形式通过串行同步/异步(USART)通信模块再经通信接口(6)发送给上位机，从而实现对载波信号频谱的监测。

6.根据权利要求1所述频谱自动监测分析仪，其特征在于：电源采用一块多路开关电源。

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