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

(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：

[1] 丹尼斯·羅迪.衛(wèi)星通信[M].北京：人民郵電出版社,2002.

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)

[3] 羅伯特 A 威特.頻譜與網(wǎng)絡(luò)測量[M]. 北京：科學技術(shù)文獻出版社，1997.

Robort A Witte.Spectrum and Network measurements[M]. Beijing:Science and Technology Document Press,1997.(in Chinese)

[4] 秦紅磊.自動測試系統(tǒng)：硬件及軟件技術(shù)[M]. 北京：高等教育出版社,2007

QIN Hong-lei. Automatic Testing Systems：Hard & Software Technology[M]. Beijing:Higher Education Press, 2007. (in Chinese)

[5] 王先培.測控總線與儀器通信技術(shù)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社,2007.

WANG Xian-pei. Communications Technology of Measurement and Control Bus for instrumentations[M]. Beijing:China Machine Press, 2007.(in Chinese)