CN102394737B - 一种星载微波部件多载波微放电测试用信号源 - Google Patents

Abstract

一种星载微波部件多载波微放电测试用信号源，包括数字多载波信号生成模块、数字模拟信号快速转换模块和信号输出模块，该信号源可以直接产生不同初始相位分布、不同频率分布的多载波合成信号，用于星载微波部件多载波微放电测试。结合不同相位分布的多载波时域表达式，生成多载波信号数字采样点值，并使生成的多载波数字采样点输出给数字模拟信号快速转换模块，之后数字模拟信号快速转换模块将多载波信号处理成为I、Q两路模拟信号输出给信号输出模块，信号输出模块对模拟信号进行低通滤波、基带放大、混频和射频输出，生成输出的基带信号和射频信号。本发明无须使用多工器、无须采用移相器手动调节相位，各路载波初始相位可精确控制。

Description

一种星载微波部件多载波微放电测试用信号源

技术领域

本发明涉及一种星载微波部件多载波微放电测试用信号源，属于空间微波特殊效应领域。

背景技术

在星载微波部件在轨飞行之前，都必须进行严格的地面模拟测试验证，从而确保卫星在轨安全。微放电效应是星载谐振型微波部件遇到的最主要的问题之一，因此须在地面开展一系列的试验来确保在最大工作功率时不发生微放电。目前大多数通信卫星均工作于多载波模式，即在同一传输通道中同时传输多路频率不同的载波。对于多载波工作的微波部件通常采用单载波等效的方式来进行实验验证，例如对于10路功率均为100W的多载波信号，对于设计好的星载微波部件，在开展微放电试验时，采用功率为4＊10＊100W＝4000W的中心频率处单载波信号进行微放电试验，如果不发生微放电，就认为该微波部件在10路功率均为100W的多载波信号作用下是安全的，不会发生微放电效应。

目前国际上的研究表明，采用单载波等效的方法进行设计和验证会导致星载微波部件过设计，即对于特定功率的多载波信号设计的微波部件的尺寸太大，从而导致相同卫星质量能容纳的有效载荷较少，特别对于大功率应用的场合导致所设计微波部件无法满足尺寸要求。因此必须开展多载波微放电试验验证研究。

对于载波数、载波频率、载波幅度确定的多载波信号，其多载波时域合成信号并不确定，并且随着初始相位的不同，其峰值功率显著不同，这也导致在开展多载波微放电试验时，需要对多载波中的每路信号的初始相位进行准确控制。相关研究机构采用如图4所示的多载波合成信号产生方法：以6路多载波信号产生为例，采用6个信号源和6个移相器，并对放大后的信号采用6路输出多工器进行合成。该方法主要采用移相器来手工调节单路信号的初始相位，但只能实现各路载波同相位分布，无法有效、准确的调节初始相位。研究表明星载微波部件并不是在初始相位相同的多载波合成信号作用下最容易发生微放电，因此采用传统的产生多载波信号的方法无法有效开展多载波微放电试验验证。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种星载微波部件多载波微放电测试用信号源，解决了星载微波部件微放电测试中多载波信号初始相位控制的难题。

本发明的技术解决方案是：

一种星载微波部件多载波微放电测试用信号源，包括：数字多载波信号生成模块、数字模拟信号快速转换模块和信号输出模块；

数字模拟信号快速转换模块包括FPGA芯片、静态存储芯片、动态存储芯片和数模转换芯片；信号输出模块包括低通滤波器、基带放大器、射频放大器和混频器；

数字多载波信号生成模块生成的数字多载波信号，所述数字多载波信号为离散点数据，数字模拟信号快速转换模块中的FPGA芯片通过计算机并口接收来自数字多载波信号生成模块生成的数字多载波信号，并存储在静态存储芯片中，FPGA芯片通过数据总线与动态存储芯片和数模转换芯片相连，通过地址和控制总线与动态存储芯片相连，并给数模转换芯片提供时钟信号；

每次上电后，FPGA芯片控制动态存储芯片将静态存储芯片中的数据读出并存储，随后FPGA芯片产生高速变化的地址，并将该地址对应的离散点数据传输给数模转换芯片，数模转换芯片将离散点数据转换为模拟信号并分I和Q两路传输给信号输出模块；

信号输出模块对数字模拟信号快速转换模块生成的I和Q两路模拟信号采用低通滤波器进行滤波，以滤除谐波，并采用基带放大器对I和Q路信号分别放大，形成基带信号输出；同时，将低通滤波后的I和Q路信号输入到混频器进行混频，之后采用射频放大器进行放大，形成射频输出。

所述数字多载波信号生成模块生成数字多载波信号按照如下步骤进行：

(2.1)通过公式计算得到一个连续的多载波信号；其中，N为多载波信号载波数，a_k为各路载波的幅度，f_k为各路载波的频率，为多载波相位分布，为预设值，k＝1…N；

(2.2)在步骤(2.1)中得到的一个连续的多载波信号的n个周期内均匀取Np个离散点，通过公式

i＝1...N_p得到Np个离散点的值；

其中，T为多载波信号的周期，为相邻载波频率间隔最小值的倒数；n为周期个数，为正整数；Np为正整数；

(3)将步骤(2.2)中得到的Np个离散点的值送入数字模拟信号快速转换模块的静态存储芯片中。

所述混频器的混频范围从700MHz到2.7GHz。

所述Np的取值范围为Np不小于5000。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明可以实现多载波信号各路初始相位的精确控制，用于实现特定初始相位的多载波合成信号，而传统的采用手工移相的办法进行初始相位的调整，无法实现对多载波相位的控制，无法提供特定波形的多载波信号。

(2)本发明方法采用数字合成技术产生多载波信号，无须采用多工器，并且在UHF，L，S频段可直接应用，不采用多工器，避免了不同频段多工器的重复加工。

(3)本发明可以直接产生特定波形的多载波信号，能够对后续多载波微放电实验的功率频点选择、多载波微放电检测频点选择提供预先指导。

附图说明

图1为本发明星载微波部件多载波微放电测试用信号源组成框图；

图2为本发明数字多载波信号生成模块生成的多载波信号示意图；

图3为本发明星载微波部件多载波微放电测试用信号源基带输出；

图4为目前国际上采用的多载波微放电试验信号产生框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

本发明提供了一种星载微波部件多载波微放电测试用信号源，如图1所示，包括：数字多载波信号生成模块、数字模拟信号快速转换模块和信号输出模块；

数字模拟信号快速转换模块包括FPGA芯片、静态存储芯片、动态存储芯片和数模转换芯片；信号输出模块包括低通滤波器、基带放大器、射频放大器和混频器；

数字多载波信号生成模块生成的数字多载波信号，所述数字多载波信号为离散点数据，数字模拟信号快速转换模块中的FPGA芯片通过计算机并口接收来自数字多载波信号生成模块生成的数字多载波信号，并存储在静态存储芯片中，FPGA芯片通过数据总线与动态存储芯片和数模转换芯片相连，通过地址和控制总线与动态存储芯片相连，并给数模转换芯片提供时钟信号；

每次上电后，FPGA芯片控制动态存储芯片将静态存储芯片中的数据读出并存储，随后FPGA芯片产生高速变化的地址，并将该地址对应的离散点数据传输给数模转换芯片，数模转换芯片将离散点数据转换为模拟信号并分I和Q两路传输给信号输出模块；

信号输出模块对数字模拟信号快速转换模块生成的I和Q两路模拟信号采用低通滤波器进行滤波，以滤除谐波，并采用基带放大器对I和Q路信号分别放大，形成基带信号输出；同时，将低通滤波后的I和Q路信号输入到混频器进行混频，之后采用射频放大器进行放大，形成射频输出。

(1)数字多载波信号生成模块

数字多载波信号生成模块生成数字多载波信号按照如下步骤进行：

a.首先根据试验要求的多载波各路的初始相位

在时域进行多路载波的合成，确定进行试验的多载波信号波形。

一个连续的多载波信号表示为：

其中N为多载波信号载波数，a_k为各路载波的幅度，f_k为各路载波的频率，

为多载波相位分布，为预设值，其中k＝1…N。合成后的多载波信号为周期信号，周期T为相邻载波频率间隔最小值的倒数。这里生成两个合成周期的多载波信号。

b.为了进行下面的数值模拟转换，须将n个合成周期的合成信号进行离散存储，离散点个数为Np(均匀取值)，则

$s_i=s\left(t\right){|}_{t=(i-1)*n*T/(N_P-1)},$ i＝1...N_p

将离散点的值存储于文本文档。

c.将Np个离散点的值送入数字模拟信号快速转换模块的静态存储芯片中，具体为将离散点值通过计算机并口下载到数字模拟转换信号快速转换模块的Dataflash静态存储芯片中。Np不小于5000，为正整数；n为周期个数，为正整数。

(2)数字模拟信号快速转换模块

应用FPGA控制芯片(Xilinx XC2S100E)，Dataflash静态存储芯片(AT45DB041)，SDRAM动态存储芯片(HY57V643220)，数模转换芯片(AD9755)组成的数字模拟转换电路，编写FPGA控制芯片的控制代码驱动SDRAM芯片和数模转换芯片将存储于Dataflash的多载波采样点的量化值进行数模转换并输出。

如图1所示数字模拟信号快速转换模块连接：FPGA芯片通过计算机并口接受来自计算机生成的数字多载波信号，并存储在静态存储芯片中，FPGA芯片通过数据总线与动态存储芯片和数字模拟转换芯片相连，通过地址和控制线与动态存储芯片相连，并给数模转换芯片提供时钟信号。每次上电后，FPGA控制芯片都会控制动态存储芯片将静态存储器中的数据读取，将数字多载波信号生成模块生成的一个合成周期的Np个离散点值转变为SPI协议格式，并将SPI协议格式的离散数据通过数据总线存储在动态存储芯片中，FPGA通过地址和数据总线将动态存储器中的波形数据快速连续输出，并读出的数据同时送到两片数模转换芯片，数模转换芯片在上述时钟控制下将离散波形数据转换成I和Q两路传输给输出模块。

(3)信号输出模块

信号输出模块主要对数字模拟转换模块的模拟信号进行低通滤波、基带放大以及混频和射频放大。本测试信号源提供基带输出和射频输出。对数字模拟模块生成的信号采用低通滤波器进行滤波，以滤除谐波，并采用AD8047基带放大器对I和Q路信号分别放大，提供基带输出；把低通滤波后的I和Q路信号输入到AD8349芯片进行混频，混频范围从700MHz到2.7GHz可调，后采用射频放大器进行放大，提供射频输出。

本发明中，以初始频率为1GHz，频率间隔为100MHz，初始相位为(0°，43.75°，87.5°，131.25°，175°，131.25°，87.5°，43.75°，0°)，幅度均为1V的9路多载波信号为例进行实施。

第一步，基于公式

在时域进行多路载波的合成，确定进行试验的多载波信号波形。公式中N为9，(a₁，a₂...a₉)＝(1V，1V，1V，1V，1V，1V，1V，1V，1V)，f₁＝1GHz，f₂＝1.1GHz，f₃＝1.2GHz，f₄＝1.3GHz，f₅＝1.4GHz，f₆＝1.5GHz，f₇＝1.6GHz，f₈＝1.7GHz，f₉＝1.8GHz，

周期T＝10ns，基于以上参数进行合成，其合成后的波形如图2所示，横坐标为合成时间，纵坐标为合成后的幅度，图2为2个合成周期20ns的合成信号。

第二步，将2两个合成周期的合成信号进行离散存储，离散点个数Np＝5001，n＝2，则离散点数据

$s_i=s\left(t\right){|}_{t=(i-1)*2*{10}^{-8}/(5001-1)},$ i＝1...5001

第三步，在FPGA的控制下将离散点数据通过计算机并口将第二步中生成的离散数据存储在静态存储芯片中，FPGA芯片通过数据总线与动态存储芯片和数字模拟转换芯片相连，通过地址和控制线与动态存储芯片相连，并给数模转换芯片提供时钟信号。每次上电后，FPGA控制芯片都会控制动态存储芯片将静态存储器中的数据读取，将数字多载波信号生成模块生成的一个合成周期的Np个离散点值转变为SPI协议格式，并将SPI协议格式的离散数据通过数据总线存储在动态存储芯片中，FPGA通过地址和数据总线将动态存储器中的波形数据快速连续输出，并读出的数据同时送到两片数模转换芯片，数模转换芯片在上述时钟控制下将离散波形数据转换成I和Q两路传输给输出模块。

第四步，信号输出模块主要对数字模拟转换模块的模拟信号进行低通滤波、基带放大以及混频和射频放大。本测试信号源提供基带输出和射频输出。对数字模拟模块生成的信号采用低通滤波器进行滤波，以滤除谐波，并采用AD8047基带放大器对I和Q路信号分别放大，提供基带输出；把低通滤波后的I和Q路信号输入到AD8349芯片进行混频，提供射频输出，输出结果如图3所示，横轴为时间，纵轴为合成波形的幅度，图3为采用本方法生成的20ns时间内合成信号。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种星载微波部件多载波微放电测试用信号源，其特征在于包括：数字多载波信号生成模块、数字模拟信号快速转换模块和信号输出模块；

数字模拟信号快速转换模块包括FPGA芯片、静态存储芯片、动态存储芯片和数模转换芯片；信号输出模块包括低通滤波器、基带放大器、射频放大器和混频器；

数字多载波信号生成模块生成数字多载波信号，所述数字多载波信号为离散点数据，数字模拟信号快速转换模块中的FPGA芯片通过计算机并口接收来自数字多载波信号生成模块生成的数字多载波信号，并存储在静态存储芯片中，FPGA芯片通过数据总线与动态存储芯片和数模转换芯片相连，通过地址和控制总线与动态存储芯片相连，并给数模转换芯片提供时钟信号；

每次上电后，FPGA芯片控制动态存储芯片将静态存储芯片中的数据读出并存储，随后FPGA芯片产生地址，并将该地址对应的离散点数据传输给数模转换芯片，数模转换芯片将离散点数据转换为模拟信号并分I和Q两路传输给信号输出模块；

信号输出模块对数字模拟信号快速转换模块生成的I和Q两路模拟信号采用低通滤波器进行滤波，以滤除谐波，并采用基带放大器对I和Q路信号分别放大，形成基带信号输出；同时，将低通滤波后的I和Q路信号输入到混频器进行混频，之后采用射频放大器进行放大，形成射频输出；

所述数字多载波信号生成模块生成数字多载波信号按照如下步骤进行：

(1.1)通过公式

计算得到一个连续的多载波信号；其中，N为多载波信号载波数，a_k为各路载波的幅度，f_k为各路载波的频率，

为多载波相位分布，为预设值，k=1…N；

(1.2)在步骤(1.1)中得到的一个连续的多载波信号的n个周期内均匀取Np个离散点，通过公式

得到Np个离散点的值；其中，T为多载波信号的周期，为相邻载波频率间隔最小值的倒数；n为周期个数，为正整数；Np为正整数；

(1.3)将步骤(1.2)中得到的Np个离散点的值送入数字模拟信号快速转换模块的静态存储芯片中。

2.根据权利要求1所述的一种星载微波部件多载波微放电测试用信号源，其特征在于：所述混频器的混频范围从700MHz到2.7GHz。

3.根据权利要求1所述的一种星载微波部件多载波微放电测试用信号源，其特征在于：所述Np的取值范围为Np不小于5000。

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