衛星信號采集終端設計

孟繁倫 張曉玲 李孟 郭新哲

摘要：衛星信號采集終端是用于接入和存儲AD采樣數據的終端設備，可對采集的波形數據進行復現和信號分析，為通信類產品的物理層設計提供可靠的數據參考。以衛星信號采集為切入點，針對市場上現有數據采集器存在的不足，設計了一款寬帶、小型化且性能可靠的衛星信號采集終端，該終端采用AD9361射頻芯片，可滿足絕大多數情況下的衛星頻段要求，以高性能的ZYNQ7030芯片作為基帶處理器，搭配桌面顯控軟件，實現衛星信號的采集和配置。

關鍵詞：衛星信號；數據采集；AD9361

中圖分類號：TP31文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2020）11-64-3

0引言

數據采集器或實時數據處理系統，在進行科研實驗和系統調試分析的時候都能起到至關重要的作用。目前市場上的數據采集器分為下變頻模塊和無下變頻模塊2種，其中無下變頻模塊的數據采集器難以做到對高頻信號的采樣，且系統實現復雜度高、成本高；而自帶下變頻模塊的數據采集器往往只支持單獨的某個頻段，面對多個頻段數據采集的需求，目前的解決方案都是采用若干個下變頻模塊和一個數據采集器組裝而成，造成整個系統體積龐大且成本高，并且給需要在戶外進行數據采集的用戶造成諸多不便。

因此，針對市場中不同種類數據采集器的缺陷，設計了一款衛星信號采集終端，其頻段范圍包括70～6 050 MHz，能夠滿足絕大多數情況下的衛星頻段要求，遠超市場上數據采集器的下變頻范圍。而采用的射頻芯片AD9361能夠支持高達125 MHz的采樣率，在同類產品中脫穎而出。

1總體方案

1.1硬件設計

終端硬件主要包含2個主要芯片，分別是射頻芯片AD9361和ZYNQ芯片，其中ZYNQ系列芯片可根據不同的資源需求，進行原位替換。同時，為進行信號分析，設計了信號分析軟件，可部署于上位機，通過網口相連，該軟件為用戶提供了可視化的圖形界面，可實時觀測信號參數和配置終端工作模式，如圖1所示。

芯片間的接口設計方案如圖2所示，ZYNQ芯片集成了處理系統（Processing System，PS）和可編程邏輯（Programmable Logic，PL）處理器，PS和PL直接的接口根據AXI總線協議設計了3種基本接口方式，分別是只寫CPU_InterfaceA、只讀CPU_InterfaceB及實時交互CPU_InterfaceC。AD9361的控制接口采用SPI模式和PL進行連接，并在PL中設計了SPI時序電路，且SPI時序電路的輸入參數都由PS進行下發。AD9361的數據接口采用LVDS模式與PL連接，并在PL中設計了LVDS的時序電路和數據采集電路，將采集到的數據上報到PS端。PL內部設計配置各種速率的接收適配器Rev_Adapter，可通過PS進行模式設置。

1.2軟件設計

方案包括PS數據采集軟件和上位機分析軟件2部分，其中PS數據采集軟件用于接收AD采樣的數據，并通過網口發送給上位機信號分析軟件，并接收上位機軟件的參數配置；上位機分析軟件主要包括4個圖形化界面，分別是基本信息設置、AD9361參數配置、終端參數設置和圖形顯示，如圖3所示。

1.2.1 PS數據采集軟件設計

PS軟件主要完成AD9361采樣數據的讀取，并將讀取的數據送至上位機軟件進行分析，同時接收上位機軟件的參數配置。為讀取AD9361大量的采樣數據，方案采用了AXI的高速總線，實時阻塞讀取采樣數據，并通過網口發送至上位機軟件。

PS與上位機之間采用C/S架構，PS作為服務器，上位機軟件作為客戶端，采用TCP通信協議，保證數據的可靠性。 1.2.2上位機軟件設計

（1）基本信息配置

數據采集終端與上位機軟件通過以太網口進行數據交互，IP地址和端口號用于網絡通信設置。基本參數包括接收頻率、采樣速率、通道帶寬以及采集到的數據存儲類型及文件名稱。信號格式包括調制方式、滾降因子、符號速率和采樣倍數。以上參數設置均可在程序運行過程中進行動態配置，單擊“設置”按鈕即可，如圖4所示。

（2）AD9361參數配置

通過參數配置界面主要完成以下功能：配置寫地址和寫數據實現對AD9361單個地址的寫操作；配置讀起始地址、讀數據長度可以實現讀AD9361某段連續內存的數據并逐一顯示；通過選取AD9361的Excel配置文檔，將Excel中的命令、地址和數據寫入AD9361，如圖5所示。