多通道幅相測試系統(tǒng)人機交互軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

楊茗超+劉陽

摘要：針對目前衛(wèi)星數(shù)字多波束天線的通道不一致問題，該文在多通道幅相測試系統(tǒng)平臺上設(shè)計了人機交互軟件，幫助實現(xiàn)對通道間幅相誤差的測量。該文將多通道幅相測試系統(tǒng)人機交互軟件程序分為配置模塊、校準(zhǔn)模塊和測試模塊三部分，并分別給出了具體的設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：多通道幅；人機交互；PCIe通信

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）34-0096-02

1 概述

當(dāng)前，我國的科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步，其中衛(wèi)星多波束天線設(shè)計已經(jīng)在衛(wèi)星通訊中得到了很大的應(yīng)用，顯著地降低了衛(wèi)星通訊成本，提高了衛(wèi)星的綜合性能[1]。對于波束形成算法主要是借助于大量精準(zhǔn)的電路系統(tǒng)來實現(xiàn)，其中多通道接收機在波束天線系統(tǒng)中占據(jù)重要組成，這種組合的最大優(yōu)勢是可以顯著的提升系統(tǒng)抗擊幅相誤差的能力[2]。通常來講通道頻道的不一致往往會引發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生通道差異，導(dǎo)致波束形狀發(fā)生變化，信號波束主瓣電平降低，副瓣電平升高，最終會出現(xiàn)波束的指向精度下降。因此在衛(wèi)星數(shù)字多波束天線技術(shù)中最核心的技術(shù)也就是準(zhǔn)確測量通道間幅相誤差。

在此研究背景下，本文主要是針對多通道幅相測試系統(tǒng)人機交互軟件展開研究。

2 多通道幅相測試系統(tǒng)人機交互軟件的基本功能

多波束幅相分布特性測試是針對多波束形成的網(wǎng)絡(luò)在饋源陣端面上的相對幅相關(guān)系進(jìn)行測試，例如同頻波束測試、非同頻波束測試和全通道幅相特性測試。對于同頻波束，其主要是針對通道內(nèi)幅相分布測試和通道間幅相分布測試；而非同頻波束主要是測試通道間幅相分布；進(jìn)行全通道幅相特性測試時，需要在饋源陣列端加入天線模擬器，然后對天線模擬器的波束端口展開幅相性能測試。

整個測試系統(tǒng)的實現(xiàn)主要是依據(jù)碼分多址原理，每組擴頻碼分別對應(yīng)一路波束信號，多組正交擴頻碼對應(yīng)多個不同的波束信號，其主要的測試對象為用戶鏈路、前向鏈路和返向鏈路，測試系統(tǒng)的主要裝備如表1。

故人機交互軟件主要應(yīng)該包括如下功能：前向單、多波束通道間幅相一致性測試相應(yīng)功能；前向多波束通道內(nèi)幅相一致性測試相應(yīng)功能；返向單、多波束通道間幅相一致性測試相應(yīng)功能；通道幅頻特性監(jiān)視相應(yīng)功能；校準(zhǔn)功能。

3 多通道幅相測試系統(tǒng)人機交互軟件的設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

在通過人機交互軟件對不同情形下的通道測試時，需要首先分析各個通道波束間幅相的關(guān)系，并配置對應(yīng)的模塊，例如配置模塊、校準(zhǔn)模塊和測試模塊。配置模塊最主要的作用就是設(shè)置各個通道分量點的測試頻點和幅相關(guān)系，以及用戶對信號調(diào)理網(wǎng)絡(luò)的衰減設(shè)置。另外還可以根據(jù)需要通過粗校準(zhǔn)和細(xì)校準(zhǔn)來校準(zhǔn)測試頻點，進(jìn)而保證測試頻點的準(zhǔn)確度，最終保證幅相關(guān)系測量的絕對精準(zhǔn)。用戶通過校準(zhǔn)模塊可以實時監(jiān)控幅相并根據(jù)實際需要進(jìn)行校準(zhǔn)，為了保證校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性，可以通過迭代算法進(jìn)行多次校準(zhǔn)，保證測試結(jié)果與用戶實際需求相接近。測試模塊擁有離線校準(zhǔn)功能，可以最大程度上保證測試結(jié)果的精準(zhǔn)度，并對測試的結(jié)果進(jìn)行存儲。整個系統(tǒng)各個功能沒款如圖1所示。

3.2 配置模塊設(shè)計

配置模塊在完成基本的配置之后，會通過設(shè)置的通信系統(tǒng)協(xié)議將用戶的選擇以及配置關(guān)系傳輸給對應(yīng)的信號產(chǎn)生/處理組合模塊，具體的通信協(xié)議設(shè)計在下文中將會做具體的講解。此外，為了保證測試結(jié)果出現(xiàn)偏差，配置模塊也具有偏頻校準(zhǔn)功能，其校準(zhǔn)主要分為兩個步驟：第一，利用粗校準(zhǔn)將頻偏估計到[1.7Hz]范圍以內(nèi)，第二步進(jìn)一步的通過細(xì)校準(zhǔn)將上述的校準(zhǔn)值進(jìn)一步的精準(zhǔn)至[0.0007Hz]。

3.3 校準(zhǔn)模塊設(shè)計

校準(zhǔn)模塊的主要任務(wù)是對幅相測試結(jié)果的在線實時校準(zhǔn)。首先接收測量數(shù)據(jù)，經(jīng)過解相關(guān)算法結(jié)算后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理模塊，最終顯示出測試通道各波束的相對相位和幅度關(guān)系，并以極坐標(biāo)圖表示。

3.4 測試模塊設(shè)計

該模塊的數(shù)據(jù)解算處理與顯示過程詳見配置模塊和校準(zhǔn)模塊。在測試模塊，通過對比測得的相對幅相關(guān)系自動生成幅相測試系統(tǒng)的離線校準(zhǔn)值，載入此離線校準(zhǔn)值后系統(tǒng)即可實現(xiàn)離線校準(zhǔn)功能，進(jìn)一步保證了測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

4 多通道幅相測試系統(tǒng)人機交互軟件的實現(xiàn)

4.1 多通道幅相測試系統(tǒng)的組成

多通道幅相測試系統(tǒng)主要包含信號處理組合、頻率源模塊、信號調(diào)理網(wǎng)絡(luò)和一個作為底層硬件平臺的上位機。其中處理組合包括7個多通道信號產(chǎn)生模塊和1個多通道信號采集與分析模塊。上位機主要是針對測試設(shè)備的工作狀態(tài)，測試結(jié)果進(jìn)行控制，并保證信號處理部分電力的正常。多通道幅相測試系統(tǒng)組成如圖2所示。

其中，人機交互軟件功能在上位機上實現(xiàn)，上位機供電功能主要是以[PCIE]接口實現(xiàn)，并且通過這個接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，信號的處理以及控制功能和測試結(jié)果的交換。本次的測試系統(tǒng)根據(jù)實際的測試波束頻段的不同主要分為中頻測試和射頻測試。中頻測試需要配置36個通道和8波束的間幅相關(guān)系，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；射頻測試模式下只需要配置單通道和雙通道8波束的間幅相關(guān)系和數(shù)據(jù)處理。

4.2 人機交互軟件的通信方式

本上位機系統(tǒng)使用的通信方式是PCIe接口，使用者通過操作界面選擇載入多通道多波束的幅相頻配置內(nèi)容，并接收信號采集與分析組合回傳的測試結(jié)果，進(jìn)行解算后通過顯示屏進(jìn)行顯示。

PCIe通信是一種廣泛使用且實用的通信方式，其主要的特征是線路簡單，靈活性強，可靠度高，因此在通訊設(shè)計中應(yīng)用非常的普及。當(dāng)前計算機串行通信已經(jīng)廣泛的運用于數(shù)據(jù)通信、故障檢測等領(lǐng)域，尤其是在[Windows]下的[PCIe]通信，其可以最大程度上發(fā)揮[Windows]軟件優(yōu)勢，可以在線實現(xiàn)多個任務(wù)的數(shù)據(jù)處理和傳輸。

4.3 人機交互軟件的通信協(xié)議設(shè)計

通信協(xié)議最主要的目的是為了保證與[FPGA]信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。在制定通信協(xié)議時必須要保證其具有一定的通用性，并且傳輸?shù)男瘦^高，后期可以根據(jù)需要進(jìn)行功能擴展。根據(jù)具體傳輸內(nèi)容的差異可以將通訊協(xié)議分為四大類：接受通道信息協(xié)議、配置通道信息協(xié)議、頻率校準(zhǔn)協(xié)議和通道衰減配置協(xié)議。

為接收通道信息協(xié)議，本研究在某一幀組中，用幀頭[9F]和幀尾[FFFF]來標(biāo)志一幀數(shù)據(jù)信息的開始和結(jié)束。通過命令判斷字表征傳輸信息的種類，以捕獲標(biāo)志表示其是否成功捕獲，以波束選擇幀來篩選有效信息，而測試模式幀主要是用來區(qū)分測試結(jié)果是通過哪一測試模式得到的以及片選幀標(biāo)志測試結(jié)果屬于哪個通道，其后面的[64]字節(jié)是該測試通道內(nèi)[8]個分量的幅相關(guān)系。具體過程如下圖3。

接收通道信息協(xié)議，同樣，用幀頭9F和幀尾FFFFFF來標(biāo)志一幀數(shù)據(jù)信息的開始和結(jié)束。用命令判斷字來表示傳輸信息的種類，分量判斷幀表示用戶選擇配置了哪幾個分量的數(shù)據(jù)信息，測試模式幀用來區(qū)分用戶選擇的測試模式，片選幀標(biāo)志此幀數(shù)據(jù)是屬于指定通道的配置信息，其后面的208字節(jié)是該測試通道內(nèi)8個分量的幅度相位，收板頻率控制字和步進(jìn)，以及發(fā)板的頻率控制字。接收通道信息協(xié)議如圖4所示。

當(dāng)傳遞的信息變?yōu)轭l率校準(zhǔn)收發(fā)信息或是通道衰減配置信息時，只需要改變命令判斷字、測試模式等幀內(nèi)的信息，這樣就可以在幀結(jié)構(gòu)不變的情況下，傳遞多種信息，滿足了通信協(xié)議的通用性和可擴展性。

5 結(jié)論

本文針對多通道幅相測試系統(tǒng)進(jìn)行人機交互軟件設(shè)計，從測試功能出發(fā)，將軟件程序分成了配置模塊、校準(zhǔn)模塊和測試模塊三部分。并在軟件設(shè)計的基礎(chǔ)上，完成了人機交互軟件平臺，給出具體的通信方式、通信協(xié)議和使用流程，保證用戶可以通過簡單的控件操作完成測試系統(tǒng)的全部測試功能。

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