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    微波測試系統(tǒng)中開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與實現(xiàn)

    2011-09-25 09:16:06
    電訊技術(shù) 2011年3期
    關(guān)鍵詞:標校測系統(tǒng)控制線

    (北京航天飛行控制中心,北京 100094)

    1 引 言

    地面站是衛(wèi)星測控、通信系統(tǒng)的重要組成部分,其中的鏈路系統(tǒng)是微波信號傳輸、變換、放大過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié),其性能的好壞直接決定地面站完成業(yè)務(wù)的能力[1]。因此,地面站在建立、使用以及維護過程中,均需要對其鏈路系統(tǒng)的性能指標進行測試。

    系統(tǒng)常用的微波測試項目包括信號電平、幅頻響應(yīng)、相位噪聲等十余種[2]。在測試過程中,傳統(tǒng)的接入方法是將測量儀表通過測試電纜與被測系統(tǒng)的各個測試點直接連接從而完成測試信號的注入和提取[3-4]。這種接入方法存在兩個明顯的缺點。其一,被測系統(tǒng)往往存在多個測試點,為了接入到這些測試點必須要經(jīng)常更換測試電纜的連接位置,即便使用很多測試電纜亦不可避免,因為多數(shù)儀表對應(yīng)不止一個測試點。頻繁更換測試電纜的連接位置不僅費時費力(對位于天線上的測試點尤其明顯),而且對于傳輸高頻率信號的測試電纜,這種反復(fù)的拆接以及由此引起的形變將會改變測試電纜的插入損耗,從而影響測量精度。其二,測試電纜在完成布線后其標校將會很困難且不易保證精度,特別是位于天線和射頻機房之間的射頻測試電纜,不僅距離長而且傳輸?shù)男盘栴l率高。

    本文提出了一種新的測試信號接入方法,設(shè)計了一個由數(shù)個同軸轉(zhuǎn)換開關(guān)和測試電纜組成的開關(guān)網(wǎng)絡(luò),在測試過程中儀表通過開關(guān)網(wǎng)絡(luò)接入到被測系統(tǒng),解決了傳統(tǒng)接入方法存在的問題。

    2 開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

    如圖1所示,開關(guān)網(wǎng)絡(luò)由位于天線HUB箱內(nèi)的開關(guān)單元(HSU)、射頻機房內(nèi)的開關(guān)單元(RSU)和主控機房內(nèi)的開關(guān)單元(ISU)三部分組成。

    圖1 開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及在測試系統(tǒng)中的位置Fig.1 Structure of switch network and testing system

    2.1 射頻測試電纜的標校

    HSU的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    圖2 HSU的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of HSU

    圖1及圖2中:Ca1、Ca2、Ca3為3根射頻測試電纜,每根電纜的一端接在HSU相關(guān)位置上,另一端接到射頻機房內(nèi)的RSU相關(guān)位置上;P1、P2、P3為3個測試連接點,可接到圖1中位于天線HUB內(nèi)的3個測試點上;S1、S2、S3為3個射頻同軸開關(guān),每個開關(guān)有0和1兩個位置,對應(yīng)兩種連接方式。

    (1)通過圖2中3個開關(guān)的適當切換可實現(xiàn)Ca1、Ca2、Ca3 3根測試電纜之間的環(huán)接。

    設(shè)HSU的開關(guān)向量:

    SHSU=(S1,S2,S3)

    (1)

    S=(1,0,x)時,可實現(xiàn)Ca1與Ca2的環(huán)接(x表示任意位置),記作Ca1+Ca2;同理:

    S=(1,1,1),→Ca1+Ca3;

    S=(0,0,0),→Ca2+Ca3。

    (2)3根測試電纜可以方便實現(xiàn)標校。

    可以在RF Room內(nèi)配置儀表,當Ca1+Ca2時,從Ca1或Ca2一端注入測試信號(設(shè)電平為din),從Ca2或Ca1端接收信號(電平為dout)。則令

    f1=dout-din

    (2)

    f1就是Ca1和Ca2級聯(lián)在一起的衰減值。同理,可得Ca1+Ca3和 Ca2+Ca3的結(jié)果,這樣可得到一個方程組:

    (3)

    解此方程組就可得到Ca1、Ca2、Ca3各自的衰減值,從而可以方便地實現(xiàn)測試電纜的標校。

    2.2 測試信號的接入

    整個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)可用一個統(tǒng)一的開關(guān)向量表示:

    S=(S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8,S9)

    (4)

    向量S的不同取值對應(yīng)不同的測試信號接入路徑,如表1所示。

    表1 信號接入路徑表Table 1 Signal access circuit

    由此可以看出,通過開關(guān)網(wǎng)絡(luò)不僅可以實現(xiàn)對被測系統(tǒng)多個測試點的接入(如圖1所示),而且還可以實現(xiàn)多路徑的接入(如表1所示)。

    3 開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)

    以HSU為例給出其硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖,如圖3所示。

    圖3 HSU的硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 Hardware structure of HSU

    其它兩部分開關(guān)單元RSU及ISU與之類似,只是開關(guān)數(shù)量不同。本系統(tǒng)選用的開關(guān)為微波同軸轉(zhuǎn)換開關(guān),其原理見圖4,開關(guān)有0和1兩種狀態(tài)。J1、J2、J3、J4為微波信號線,A、B為控制線,D、E為狀態(tài)線,C接24V電源,F(xiàn)接地。

    圖4 微波同軸轉(zhuǎn)換開關(guān)結(jié)構(gòu)Fig.4 Coaxial switch structure

    控制方法如下,當開關(guān)處于狀態(tài)0時,控制線A為懸空0 V,控制線B為懸空24 V,狀態(tài)線D為接地低電平,狀態(tài)線E為懸空高電平。給控制線B一個大于20 ms的接地脈沖,此時開關(guān)變?yōu)闋顟B(tài)1,控制線A為懸空24 V,控制線B為懸空0 V,狀態(tài)線D為懸空高電平,狀態(tài)線E為接地低電平。反之亦然。需要注意的是,控制開關(guān)時控制線A或B的接地電阻必須小于50 Ω,開關(guān)才能正常動作。

    開關(guān)控制器采用研華公司的一款型號為ADAM6052的基于Ethernet的數(shù)據(jù)采集和控制模塊。設(shè)計參數(shù)如下:

    (1)I/O類型:8 DI/ 8 DO;

    (2)數(shù)字輸入:

    干接點:邏輯0:接地,邏輯1:開路;

    濕接點:邏輯0:+3V(最大),邏輯1:+10~30 V直流;

    (3)數(shù)字輸出:源類型:24 V DC,1 A;

    (4)隔離電壓:2 000 V DC;

    (5)電源要求:未調(diào)理+10~30 V;

    (6)功耗:2 W。

    單元采用24 V開關(guān)電源驅(qū)動。以上部件可封裝在一個小型機箱內(nèi),各開關(guān)控制器通過交換機連接到站內(nèi)局域網(wǎng)(LAN)中,可由任意接入到LAN的計算機控制[5]。圖1亦展示了這種基于LAN的連接結(jié)構(gòu)。

    4 測試結(jié)果

    給出了在一次實際測試中應(yīng)用該開關(guān)網(wǎng)絡(luò)標校測試電纜的過程及結(jié)果,見表2中的1~6項。為了比較測試結(jié)果,事先用網(wǎng)絡(luò)分析儀標定了3根測試電纜的衰減,作為已知值,見表2中的第7項。從表中的第8項可以看出,實測值和已知值的誤差均在±0.5 dB以內(nèi),完全滿足工程現(xiàn)場測試。

    表2 測試電纜標校效果對照表Table 2 Test cables calibration result

    5 結(jié) 論

    本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種應(yīng)用在地面站微波測試系統(tǒng)中的開關(guān)網(wǎng)絡(luò),解決了測試過程中對被測系統(tǒng)多測試點接入和測試電纜標校問題。使用該開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的自動測量系統(tǒng)進行了實際的工程測試,測試結(jié)果表明,該開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用極大地提高了測試工作效率,保證了測試的精度。

    參考文獻:

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    Dennis Roddy.Satellite Communication[M].Beijing:People′s Posts & Telecommuniations Press, 2002. (in Chinese)

    [2] 殷琪.衛(wèi)星通信系統(tǒng)測試[M]. 北京:人民郵電出版社,1997.

    YIN Qi.Satellite Communication System Test[M].Beijing:Pepole′s Posts & Telecommuniations Press,1997.(in Chinese)

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