CN103399214A - 星载相控阵接收天线测试系统 - Google Patents

Abstract

一种星载相控阵接收天线测试系统，包括星载相控阵接收天线DBF基带实物单机和半实物测试上位机；DBF基带实物单机包括A/D转换器组以及与之相连的DBF基带单元；半实物测试上位机包括测试数据发送模块、多路D/A转换PCI-E板卡、差分串行数据PCI-E采集卡、测试数据接收处理模块以及波束方向图计算和绘制模块；测试数据发送模块与多路D/A转换PCI-E板卡相连；差分串行数据PCI-E采集卡与DBF基带单元相连；测试数据接收处理模块分别与差分串行数据PCI-E采集卡、波束方向图计算和绘制模块以及测试数据发送模块相连；波束方向图计算和绘制模块分别与测试数据接收处理模块以及测试数据发送模块相连。

Description

星载相控阵接收天线测试系统

技术领域

本发明涉及航天电子通信技术领域，尤其涉及一种采用半实物测试的星载相控阵接收天线测试系统。

背景技术

上世纪九十年代，多波束相控阵天线技术开始用于通信卫星，其具有损耗低、可大角度动态扫描等优点，较有代表性如美国的全球星、铱星系统。

多波束相控阵天线中波束形成的基本思路是控制阵列天线各馈点的幅度和相位，可通过射频端的馈电网络实现模拟波束形成，或者通过数字域处理在基带或中频实现数字波束形成。在模拟波束形成中，一旦波束形成方案确定后，波束形状、相邻波束的相交电平和波束指向等便固定了，不容易改动。而且，当需要的波束数目较多时(几十个或上百个)，波束形成模块的实现将变得十分复杂且难以调整，要形成低副瓣电平的多波束或实现自适应控制更为困难。与此相对，数字波束形成具有不漂移、不老化、工作可靠、可自检、可编程、精度高(动态范围和处理精度仅受模数转换器取样位数的限制)等一系列优点，近年来受到广泛关注。

星载DBF（Digital Beam Forming，数字波束形成）多波束相控阵接收天线可采用常用的天线暗场测试方式，测试天线的波束增益和赋形波束形状等天线指标。但是该方法的不足是仅能测试天线自身的指标，不能测试天线对于整个通信系统性能增强指标。而测试这类通信性能指标，通常采用全实物测试系统进行测试，即星载DBF相控阵接收天线处理后的数字波束信号传输至星载数字接收机，星载数字接收机完成解调和解码等处理，完成误码率等通信性能指标评估，然后将性能评估信息以串口方式命令行输出。全实物测试系统的缺点是：1）无法测试星载相控阵天线波束辐射方向图；2）显示不直观且代价较大，而且非常不灵活，不能根据测试需要变化通信体制；3）系统搭建周期较长，无法进行快速测试。

发明内容

本发明的目的在于，针对天线暗场测试和全实物测试的不足，提供一种星载相控阵接收天线测试系统，采用半实物测试，不仅可以直观显示波束辐射方向图，而且可根据测试需要灵活改变通信体制参数，图形显示卫星多波束通信系统性能指标。

为实现上述目的，本发明提供了一种星载相控阵接收天线测试系统，包括星载相控阵接收天线DBF基带实物单机和半实物测试上位机；所述DBF基带实物单机包括A/D转换器组以及DBF基带单元；所述A/D转换器组包括多路A/D转换器，用于完成A/D采样；所述DBF基带单元与所述A/D转换器组相连，用于对A/D采样获取的多路数字信号进行波束形成，并将多个波束数据通过差分串行方式传输给所述半实物测试上位机；所述半实物测试上位机包括测试数据发送模块、多路D/A转换PCI-E板卡、差分串行数据PCI-E采集卡、测试数据接收处理模块以及波束方向图计算和绘制模块；所述测试数据发送模块与多路D/A转换PCI-E板卡相连，用于产生多路测试信号通过所述D/A转换PCI-E板卡发送至所述A/D转换器组；所述差分串行数据PCI-E采集卡与所述DBF基带单元相连，用于采集所述波束数据；所述测试数据接收处理模块分别与所述差分串行数据PCI-E采集卡、波束方向图计算和绘制模块以及测试数据发送模块相连，用于根据所述波束数据以及所述测试信号数据进行通信性能评估；所述波束方向图计算和绘制模块分别与所述测试数据接收处理模块以及测试数据发送模块相连，用于根据所述波束数据以及所述测试信号数据计算波束方向图增益，并进行图形显示。

本发明的优点在于：采用半实物测试，不仅可以直观显示波束辐射方向图，而且可根据测试需要灵活改变通信体制参数，图形显示卫星多波束通信系统性能指标。

附图说明

图1，本发明所述的星载相控阵接收天线测试系统的架构示意图；

图2，本发明差分数据口开始发送的帧序列和帧格式；

图3，本发明19元六边形阵列构型；

图4，本发明7波束的理想地表覆盖图；

图5，本发明容量、信噪比评估的半实物测试流程图。

【主要组件符号说明】

1、DBF基带实物单机；11、A/D转换器组；111～11M、A/D转换器；

12、DBF基带单元；121、A/D接口模块；

122、DBF模块；123、波束数据发送模块；

2、半实物测试上位机；21、测试数据发送模块；

211、测试信号生成子模块；212、卫星通信信道模拟子模块；

213、天线阵列模拟接收子模块；214、PCI-E数据发送子模块；

22、D/A转换PCI-E板卡；23、差分串行数据PCI-E采集卡；

24、测试数据接收处理模块；241、PCI-E数据采集子模块；

242、卫星通信接收子模块；243通信性能评估子模块；

25、波束方向图计算和绘制模块；251、空间扫描与能量累积子模块；

252、波束方向图绘制子模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的星载相控阵接收天线测试系统的具体实施方式做详细说明。

参考图1，本发明所述的星载相控阵接收天线测试系统的架构示意图，所述系统包括星载相控阵接收天线DBF基带实物单机1和半实物测试上位机2。星载相控阵接收天线的DBF基带实物单机1的主要功能是完成A/D采样，将多路射频通道信号转换成相应的多路数字信号；然后对A/D采样的数字信号进行DBF处理；最后将多个波束的数据通过高速差分串行接口传输至星载相控阵接收天线的半实物测试上位机2。所述半实物测试上位机2运行整个半实物测试流程。

所述DBF基带实物单机1包括A/D转换器组11以及DBF基带单元12。

所述A/D转换器组11包括多路A/D转换器（如图1所示111～11M），用于完成A/D采样，将多路射频通道信号转换成相应的多路数字信号。

所述DBF基带单元12与所述A/D转换器组11相连，用于对A/D采样获取的多路数字信号进行波束形成，并将多个波束数据通过差分串行方式传输给所述半实物测试上位机2。

作为优选的实施方式，所述DBF基带单元12进一步包括A/D接口模块121、DBF模块122以及波束数据发送模块123。

所述A/D接口模块121与所述A/D转换器组11相连，用于对所述A/D转换器组11的A/D采样进行控制；所述DBF模块122分别与所述A/D接口模块121以及波束数据发送模块123相连，用于对A/D采样获取的多路数字信号进行波束形成，输出多个波束数据至所述波束数据发送模块123；所述波束数据发送模块123与所述半实物测试上位机2相连，用于将多个波束数据通过高速差分串行方式传输至所述半实物测试上位机2。

所述波束数据发送模块123进一步包括链路层发送子模块以及物理层发送子模块（图中未示）。所述链路层发送子模块用于完成波束数据传输的链路层发送状态控制和组建链路帧。所述物理层发送子模块用于将所组成的链路帧数据进行8B/10B编码以及并串转换和差分电平变换。其中，为了配合所述半实物测试计算机数据采集，采用帧触发方式，并定义了一种适合高速差分串行传输的帧结构。也即所述波束数据发送模块123采用帧触发方式向所述半实物测试上位机2传输波束数据，并采用自同步的数据传输方式，通过发送同步K码保持数据收发同步。

所述半实物测试上位机2包括测试数据发送模块21、多路D/A转换PCI-E板卡22、差分串行数据PCI-E采集卡23、测试数据接收处理模块24以及波束方向图计算和绘制模块25。其中，D/A转换PCI-E板卡22和差分串行数据PCI-E采集卡23负责和所述DBF基带实物单机1进行信号传输和数据交互。

所述测试数据发送模块21与多路D/A转换PCI-E板卡22相连，用于产生多路测试信号通过所述D/A转换PCI-E板卡22发送至所述DBF基带实物单机1的所述A/D转换器组11。具体为：所述测试数据发送模块完成自定义测试通信系统信号生成和卫星信道模拟，并对星载相控阵天线阵列建模，最后将多路建模后阵列数字信号作为测试信号通过所述D/A转换PCI-E板卡22发送至所述DBF基带实物单机1。

作为优选的实施方式，所述测试数据发送模块21进一步包括测试信号生成子模块211、卫星通信信道模拟子模块212、天线阵列模拟接收子模块213以及PCI-E数据发送子模块214。

所述测试信号生成子模块211用于根据预先设定的通信体制（例如CDMA通信体制）产生多路测试信号。原始信源为伪随机数，编码方式、扩频序列、成形滤波方式、调制方式均采用参数化设计，可根据测试情况选择。

所述卫星通信信道模拟子模块212与所述测试信号生成子模块211相连，用于模拟地面和卫星之间的无线通信信道。根据测试情况可选择高斯加性白噪声信道、全阴影信道、两状态信道。

所述天线阵列模拟接收子模块213与所述卫星通信信道模拟子模块212相连，用于通过所述卫星通信信道模拟子模块212接收所述测试信号。所述天线阵列模拟接收子模块213可以模拟星载相控阵天线阵列接收信号，例如可以采用标准六边形阵列进行信号接收。

所述PCI-E数据发送子模块214分别与所述天线阵列模拟接收子模块213以及多路D/A转换PCI-E板卡22相连，用于调用多路D/A转换PCI-E板卡22的驱动，将所有所述测试信号数据传输至所述D/A转换PCI-E板卡22。

所述D/A转换PCI-E板卡22用于将所述测试数据发送模块21产生的多路测试信号通过多个相应的通道（如图所示通道1～M）形成多路射频通道信号，然后分别发送至所述A/D转换器组11的相应A/D转换器。

所述差分串行数据PCI-E采集卡23与所述DBF基带单元12相连，用于采集所述波束数据。作为优选的实施方式，数据传输采用外部触发的方式，所述DBF基带单元12发送有效波束帧之前首先发送触发帧，差分串行数据PCI-E采集卡23接收到触发帧后开始数据采集。

所述测试数据接收处理模块24分别与所述差分串行数据PCI-E采集卡23、波束方向图计算和绘制模块25以及测试数据发送模块21相连，用于根据所述波束数据以及所述测试信号数据进行通信性能评估。所述测试数据接收处理模块24首先从所述差分串行数据PCI-E采集卡23获取波束数据；然后模拟星载接收机处理流程恢复出源数据，并进行通信性能评估，评估的指标包括误码率、信噪比、系统容量；之后可以根据这些通信指标情况改变所述测试数据发送模块21的波束形成程序，以实现迭代优化。

作为优选的实施方式，所述测试数据接收处理模块24进一步包括PCI-E数据采集子模块241、卫星通信接收子模块242以及通信性能评估子模块243。

所述PCI-E数据采集子模块241与所述差分串行数据PCI-E采集卡23相连，用于接收存储所述差分串行数据PCI-E采集卡23所采集的波束数据。所述PCI-E数据采集子模块241可同时接收多个波束的数据，最大可连续存储单个波束数据量为1.6GB，并可设定存储的计算机硬盘的目录。

所述卫星通信接收子模块242与所述PCI-E数据采集子模块241相连，用于模拟星载通信接收机功能。所述卫星通信接收子模块242对所述PCI-E数据采集子模块241存储的波束数据进行解调、解扩和解码方式均可选择，测试过程中设定的方式对所述测试信号生成子模块211相对应。

所述通信性能评估子模块243分别与所述卫星通信接收子模块242、波束方向图计算和绘制模块25以及所述测试信号生成子模块211相连，用于根据所述波束数据以及所述测试信号数据进行通信性能评估。所述通信性能评估子模块243可以在使用星载DBF相控阵天线的情况下，测试卫星通信容量、误码率、信噪比指标。例如，所述通信性能评估子模块243根据所述波束方向图计算和绘制模块25计算所得波束方向图增益对容量、信噪比评估。误码率指标评估可根据卫星通信接收子模块242恢复出的数据与测试信号生成子模块211的原始数据进行比较，从而获得当前信噪比情况下的误码率，然后在卫星通信信道模拟子模块212中改变噪声功率，从而得到不同信噪比情况下误码率。最后，将得到的误码率曲线与理想未使用星载DBF相控阵天线的通信误码率比较，从而直观比较出性能改善情况。

所述波束方向图计算和绘制模块25分别与所述测试数据接收处理模块24以及测试数据发送模块21相连，用于根据所述波束数据以及所述测试信号数据计算波束方向图增益，并进行图形显示。

作为优选的实施方式，所述波束方向图计算和绘制模块25进一步包括空间扫描与能量累积子模块251以及波束方向图绘制子模块252。

所述空间扫描与能量累积子模块251分别与所述PCI-E数据采集子模块241以及测试信号生成子模块211相连，用于根据所述波束数据以及测试信号数据，利用能量累积算法计算波束方向图增益数据。

所述波束方向图绘制子模块252与所述空间扫描与能量累积子模块251相连，用于根据所述空间扫描与能量累积子模块251所计算出的波束方向图增益数据绘制三维立体方向图和多个二维截面方向图。

所述空间扫描与能量累积子模块251进一步与所述天线阵列模拟接收子模块213相连，用于控制所述天线阵列模拟接收子模块213中的阵列流形。例如，设定俯仰角与方位角，并设定俯仰角与方位角的步进，通过控制步进，将当前的俯仰角与方位角输出至天线阵列模拟接收子模块213，从而改变其阵列流形。

所述通信性能评估子模块243进一步与所述空间扫描与能量累积子模块251相连，用于根据所述空间扫描与能量累积子模块251计算所得波束方向图增益对容量、信噪比评估。具体为：获取波束方向图增益数据；在整个波数覆盖内生成多个用户；随机设定关注用户和干扰用户到达天线的俯仰角和方位角；计算中断概率；判断中断概率是否达到设定要求，若是则得到当前容量值和信噪比变化序列值，否则返回继续计算中断概率；得到当前容量值和信噪比变化序列值后，可以通过FPGA下载接口重新向DBF基带实物单机1下载新的波束成形程序，从而改变当前天线波束赋形；重复上述流程，可选出使通信性能最优化的一组波束赋形系数，以供实际使用。

本发明所述的星载相控阵接收天线测试系统中，DBF基带实物单机1中A/D接口模块111和DBF模块122和波束数据发送模块123的链路层发送子模块可以在xilinx公司XC4VSX55系列FPGA上实现；波束数据发送模块123的物理层发送子模块采用TI公司的TLK2711A芯片上实现。半实物测试上位机2采用台式计算机，多路D/A转换PCI-E板卡22和差分串行数据PCI-E采集卡23分别插入计算机的PCI-E插槽上，测试数据发送模块21、测试数据接收处理模块24以及波束方向图计算和绘制模块25均为上位机软件，运行在Windows-XP操作系统之上。

本发明所述的星载相控阵接收天线测试系统，采用半实物测试，不仅可以直观显示波束辐射方向图，而且可根据测试需要灵活改变通信体制参数，图形显示星载相控阵接收天线对当前通信系统性能增强指标。

以下结合附图1-5给出本发明的一实施例，对本发明所述的星载相控阵接收天线测试系统作进一步说明。

本实施例中包含有M路阵列通道信号，其频点为140MHz、带宽为7MHz。DBF基带实物单机1包含有A/D转换器组11和DBF基带单元12。A/D转换器组11包括M路A/D转换器，采样率为78.6432MHz，采样精度为14比特。

DBF基带单元12中A/D接口模块121的控制A/D转换器组11。本实施例中M路阵列通道信号，以矢量表示为

其中θ，

分别表示入射到相控阵天线的信号的俯仰角和方位角。

DBF基带单元12中的DBF模块122对x(n)进行波束形成，输出的N_b个波束，以矢量表示为 $y\left(n\right)={(y_1,y_2,\·\·\·\·\·\·,y_{N_b})}^T,$ 其值如公式1所示：

y(n)＝W^Hx(n)    （式1）

其中公式1中向量W为波束赋形权重。

本实例中单波束数据速率为40Mbit/s，位宽为16比特。波束数据发送模块123负责传输N_b个波束数据。波束数据发送模块123的链路层发送子模块用于完成链路层发送状态控制和组建链路帧，物理层发送子模块负责将链路帧数据进行8B/10B编码，并且完成并串转换和差分电平变换。

本实施例中采用了电压模式逻辑信号（VML）作为传输的数字差分信号，信号输出物理接口为SMA接口。数据传输方式采用自同步的方式，通过发送同步K码（/D5.6/K28.5/）保持收发同步。数据传输采用外部触发的方式，波束数据发送模块123发送有效波束帧之前首先发送触发帧，差分串行数据PCI-E采集卡23接收到触发帧后开始数据采集。每一对差分数据口开始发送的帧序列和帧格式如图2所示，每一帧以16bit为一个数据字，所有帧的长度均为67个数据字；每一帧均有帧头和帧尾，其采用8B/10B编码中K码与有效数据做区别，帧头的K码定义为/K28.2/K27.7/，其16进制表示为0x5CFB，帧尾定义为/K29.7/K30.7/，十六进制表示为0xFDFE；触发帧和波束帧之间通过触发标识和波束标识区分，触发标识十六进制表示为0x5A5A，波束标识根据当前差分数据口发送的相应波束决定。

所述测试数据发送模块21的测试信号生成子模块211的功能是根据预先设定的通信体制产生测试信号，本实施例中采用CDMA通信体制，原始信源为伪随机数，编码方式、扩频序列、成形滤波方式、调制方式均采用参数化设计，可根据测试情况选择。

卫星通信信道模拟子模块212的功能是模拟地面和卫星之间的无线通信信道，根据测试情况可选择高斯加性白噪声信道、全阴影信道、两状态信道，大尺度衰落采用自由空间传播损耗公式，如公式2所示：

$L_f={\left(\frac{4\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}\right)}^2$       （式2）

其中，L_f为路径损耗，d为传输距离，λ为实际卫星通信信号波长。

天线阵列模拟接收子模块213模拟星载相控阵天线阵列接收信号，本实施例中采用标准六边形阵列，图3所示给出了19元六边形阵列构型，其阵列流形向量为a，向量a的值如公式3所示：

$a={(e^{\mathrm{jk}(x_{1}u+y_{1}v)},e^{\mathrm{jk}(x_{2}u+y_{2}v)},\·\·\·\·\·\·,e^{\mathrm{jk}(x_{M}u+y_{M}v)})}^T$ （式3）

其中，k＝2π/λ，

(x_i,y_i)表示图3中阵元相对阵中心的位置坐标。

PCI-E数据发送子模块214的功能是调用M路D/A转换PCI-E板卡22的驱动，将M路阵列信号数据传输至D/A转换PCI-E板卡22。

公式1中天线阵列输出信号x(n)可进一步如公式4表示：

x(n)＝a^Hs(n)    （式4）

其中a为式3中阵列流形向量，s(n)为经过卫星通信信道模拟子模块212输出的信号。

所述波束方向图计算和绘制模块25的主要功能测试星载相控阵天线的辐射方向图，其包括两个部分：空间扫描部分负责控制天线阵列模拟接收子模块213中的阵列流形；能量累积部分从PCI-E数据采集子模块241中获取DBF基带实物单机1中输出的波束数据，并根据测试信号生成子模块211发送的半实物测试信号数据，利用能量累积算法计算天线辐射方向图。

本实施例中设定俯仰角θ∈[0,π]，方位角

并设定θ和

的步进为π/180，通过控制步进，将当前的θ和

输出至天线阵列模拟接收子模块213，从而改变其阵列流形。

能量累积计算原理如下：经过如公式1的波束形成之后，输出y(n)至所述半实物测试上位机2，空间扫描与能量累积子模块251对采集到y(n)计算功率，则波束1输出功率

为如公式5所示，其它波束功率计算相同，

$P_{y_1}=E\left\{y_1^2\left(n\right)\right\}=W^{H}a\·P_s\·a^{H}W={\left|W^{H}a\right|}^2\·P_s$ （式5）

其中，P_s＝E{s²(n)}表示到达天线阵列的信号功率，则有

$P_s=\frac{P_t\·G_f}{L_f}$      （式6）

公式6中P_t表示地面发射信号功率，G_t表示地面发射天线增益，L_f为公式2所示。本实例中P_t根据测试信号生成子模块211输出的数据来计算，G_t等于1，

根据采集的y(n)来计算，其公式如下：

$P_{y_1}=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_1^2\left(n\right)$        （式7）

其中N为序列长度。公式5中|W^Ha|²即为波束1增益，其值表示为：

       （式8）

考虑到方向图直观显示，对增益进行归一化处理，则有：

     （式9）

若G₀为阵元的本征方向图增益，则公式9可进一步用对数表达如下：

    （式10）

其中，本实施例中，G₀采用暗场实测六边形阵列的增益数据，带入公式7即可计算波束1增益方向图。

波束方向图绘制子模块252对于公式10计算出的波束方向图增益数据进行图形显示，本实施例中采用Matlab软件，绘制三维波束方向图和多个截面的二维方向图。

所述半实物测试上位机2中所述测试数据接收处理模块24负责完成采集DBF基带实物单机1传输的波束数据，并软件实现卫星星载接收机的功能，以进行通信性能评估。其中，PCI-E数据采集子模块241负责接收存储差分串行数据PCI-E采集卡23采集的数据，本实施例中PCI-E数据采集子模块241可同时接收N_b个波束的数据，最大可连续存储单个波束数据量为1.6GB，并可设定存储的计算机硬盘的目录。卫星通信接收子模块242模拟星载通信接收机功能，本实施例中卫星通信接收子模块242对PCI-E数据采集子模块241存储的波束数据进行解调、解扩和解码方式均可选择，测试过程中设定的方式对测试信号生成子模块211相对应。

图1中通信性能评估子模块243功能是在使用星载DBF相控阵天线的情况下，测试卫星通信容量、误码率、信噪比指标。本实施例中针对CDMA卫星通信系统，分析以上指标。

接收信号比特信噪比的表达式为：

$\frac{E_b}{N_0}=\frac{B}{R}\×\frac{C}{I+\mathrm{\η}}$       （式11）

其中，B为系统带宽，R为比特速率，I为总的多址干扰，η为白噪声功率，其功率谱密度为η₀，C表示卫星天线接收到的信号载波功率。

星载DBF相控阵天线形成多个波束，图4给出了7波束的理想地表覆盖图，若当前波束1正在通信用户为关注用户，其他用户为干扰用户，并考虑理想功率控制，卫星天线接收到每个用户的功率为P₀，则总的多址干扰I包括同波束内用户干扰、邻波束内用户干扰，若一个波束有N_c个用户，则有：

   （式12）

其中，

是和天线增益相关的恶化因子，其定义为：

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{jk}}^2=\frac{G_1({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{jk}},{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{jk}})}{G_j({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{jk}},{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{jk}})}$       （式13）

公式13中，θ_jk和φ_jk表示第j个波束第k个用户的俯仰角和方位角，G_j(θ_jk,φ_jk)为该用户在第j个波束的增益，G₁(θ_jk,φ_jk)为该用户在第1个波束增益。

公式12带入公式11，则有：

$\frac{E_b}{N_0}=\frac{B}{R}\frac{P_0}{I+\mathrm{\η}}=\frac{B}{R}\frac{1}{I/P_0+\mathrm{\η}/P_0}$       （式14）

定义中断概率为：

$P_{\mathrm{out}}=\mathrm{Pr}\left\{\frac{E_b}{N_0}{\≤\mathrm{SINR}}_{\mathrm{req}}\right\}$         （式15）

SINR_req为解调所需信号干扰噪声比，将公式14带入公式15，则有：

$P_{\mathrm{out}}=\mathrm{Pr}\{I/P_0\≥\frac{B}{R}[\frac{1}{{\mathrm{SINR}}_{\mathrm{req}}}-\frac{1}{E_b/{\mathrm{\η}}_0}\left]\right\}$        （式16）

本实施例中，当中断概率为1%，SINR_req=7.5dB时，则可根据公式16得到当前天线赋形波束覆盖下的容量值N_c，信噪比变化曲线也可通过公式14得到。

容量、信噪比评估的半实物测试流程如图5所示，从空间扫描与能量累积子模块251获取波束方向图增益数据；在整个波数覆盖内生成N_c个用户；随机设定关注用户和干扰用户到达天线的俯仰角和方位角；根据公式14和16计算中断概率；判断中断概率是否小于或等于1%，若是则得到当前容量值和信噪比变化序列值，否则返回继续计算中断概率；得到当前容量值和信噪比变化序列值后，可以通过FPGA下载接口重新向DBF基带实物单机1下载新的波束成形程序，从而改变当前天线波束赋形；重复上述流程，可选择出使通信性能指标最优化的波束赋形系数，以供实际使用。

误码率指标评估可根据卫星通信接收子模块242恢复出的数据与测试信号生成子模块的原始数据进行比较，从而获得当前信噪比情况下的误码率，然后在卫星通信信道模拟子模块212中改变噪声功率，从而得到不同信噪比情况下误码率。最后，将得到的误码率曲线与理想未使用星载DBF相控阵天线的通信误码率比较，从而直观比较出性能改善情况。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种星载相控阵接收天线测试系统，其特征在于，包括星载相控阵接收天线DBF基带实物单机和半实物测试上位机；

所述DBF基带实物单机包括A/D转换器组以及DBF基带单元；

所述A/D转换器组包括多路A/D转换器，用于完成A/D采样；

所述DBF基带单元与所述A/D转换器组相连，用于对A/D采样获取的多路数字信号进行波束形成，并将多个波束数据通过差分串行方式传输给所述半实物测试上位机；

所述半实物测试上位机包括测试数据发送模块、多路D/A转换PCI-E板卡、差分串行数据PCI-E采集卡、测试数据接收处理模块以及波束方向图计算和绘制模块；

所述测试数据发送模块与多路D/A转换PCI-E板卡相连，用于产生多路测试信号通过所述D/A转换PCI-E板卡发送至所述A/D转换器组；

所述差分串行数据PCI-E采集卡与所述DBF基带单元相连，用于采集所述波束数据；

所述测试数据接收处理模块分别与所述差分串行数据PCI-E采集卡、波束方向图计算和绘制模块以及测试数据发送模块相连，用于根据所述波束数据以及所述测试信号数据进行通信性能评估；

所述波束方向图计算和绘制模块分别与所述测试数据接收处理模块以及测试数据发送模块相连，用于根据所述波束数据以及所述测试信号数据计算波束方向图增益，并进行图形显示。

2.根据权利要求1所述的星载相控阵接收天线测试系统，其特征在于，所述DBF基带单元进一步包括A/D接口模块、DBF模块以及波束数据发送模块；

所述A/D接口模块与所述A/D转换器组相连，用于对所述A/D转换器组的A/D采样进行控制；

所述DBF模块分别与所述A/D接口模块以及波束数据发送模块相连，用于对A/D采样获取的多路数字信号进行波束形成，输出多个波束数据至所述波束数据发送模块；

所述波束数据发送模块与所述差分串行数据PCI-E采集卡相连，用于将多个波束数据通过高速差分串行方式传输至所述差分串行数据PCI-E采集卡。

3.根据权利要求2所述的星载相控阵接收天线测试系统，其特征在于，所述波束数据发送模块进一步包括链路层发送子模块以及物理层发送子模块；

所述链路层发送子模块用于完成波束数据传输的链路层发送状态控制和组建链路帧；

所述物理层发送子模块用于将所组成的链路帧数据进行8B/10B编码以及并串转换和差分电平变换。

4.根据权利要求2或3所述的星载相控阵接收天线测试系统，其特征在于，所述波束数据发送模块采用帧触发方式向所述差分串行数据PCI-E采集卡传输波束数据。

5.根据权利要求2或3所述的星载相控阵接收天线测试系统，其特征在于，所述波束数据发送模块采用自同步的数据传输方式，通过发送同步K码保持数据收发同步。

6.根据权利要求1所述的星载相控阵接收天线测试系统，其特征在于，所述测试数据发送模块进一步包括测试信号生成子模块、卫星通信信道模拟子模块、天线阵列模拟接收子模块以及PCI-E数据发送子模块；

所述测试信号生成子模块用于根据预先设定的通信体制产生多路测试信号；

所述卫星通信信道模拟子模块与所述测试信号生成子模块相连，用于模拟地面和卫星之间的无线通信信道；

所述天线阵列模拟接收子模块与所述卫星通信信道模拟子模块相连，用于通过所述卫星通信信道模拟子模块接收所述测试信号；

所述PCI-E数据发送子模块分别与所述天线阵列模拟接收子模块以及多路D/A转换PCI-E板卡相连，用于调用多路D/A转换PCI-E板卡驱动，将所有所述测试信号数据传输至所述D/A转换PCI-E板卡。

7.根据权利要求6所述的星载相控阵接收天线测试系统，其特征在于，所述测试数据接收处理模块进一步包括PCI-E数据采集子模块、卫星通信接收子模块以及通信性能评估子模块；

所述PCI-E数据采集子模块与所述差分串行数据PCI-E采集卡相连，用于接收存储所述差分串行数据PCI-E采集卡所采集的波束数据；

所述卫星通信接收子模块与所述PCI-E数据采集子模块相连，用于模拟星载通信接收机功能；

所述通信性能评估子模块分别与所述卫星通信接收子模块、所述波束方向图计算和绘制模块以及所述测试信号生成子模块相连，用于根据所述波束数据以及所述测试信号数据进行通信性能评估。

8.根据权利要求7所述的星载相控阵接收天线测试系统，其特征在于，所述波束方向图计算和绘制模块进一步包括空间扫描与能量累积子模块以及波束方向图绘制子模块；

所述空间扫描与能量累积子模块分别与所述PCI-E数据采集子模块以及测试信号生成子模块相连，用于根据所述波束数据以及测试信号数据，利用能量累积算法计算波束方向图增益数据；

所述波束方向图绘制子模块与所述空间扫描与能量累积子模块相连，用于根据所计算出的波束方向图增益数据绘制三维立体方向图和多个二维截面方向图。

9.根据权利要求8所述的星载相控阵接收天线测试系统，其特征在于，所述空间扫描与能量累积子模块进一步与所述天线阵列模拟接收子模块相连，用于控制所述天线阵列模拟接收子模块中的阵列流形。

10.根据权利要求8所述的星载相控阵接收天线测试系统，其特征在于，所述通信性能评估子模块进一步与所述空间扫描与能量累积子模块相连，用于根据所述波束方向图增益进行通信性能评估。

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