火星探測深空鏈路模擬平臺設計與實現(xiàn)*

竇同東，祝夢卿，忻光耀，周 濤，朱秋明，張 璇

(南京航空航天大學電子信息工程學院，江蘇 南京 210016)

火星探測深空鏈路模擬平臺設計與實現(xiàn)*

竇同東，祝夢卿，忻光耀，周 濤，朱秋明，張 璇

(南京航空航天大學電子信息工程學院，江蘇 南京 210016)

針對深空通信環(huán)境復雜又難以實測的問題，構建了一種基于單片機控制的火星探測器-地球通信鏈路模擬平臺。該平臺采用MSP430系列單片機為硬件基礎，結合C#軟件開發(fā)，整體結構由硬件電路和軟件上位機構成，二者通過USB接口進行數(shù)據(jù)通信。信號處理由硬件電路完成，同時PC機實時和硬件電路進行數(shù)據(jù)交互，完成軟件上位機的動態(tài)演示。實測結果表明，該平臺的測試結果與理論分析結果相吻合，操作簡便且運行穩(wěn)定，可用于輔助我國火星探測中火地通信系統(tǒng)的參數(shù)設計和性能評估，具有重要的工程借鑒意義。

單片機；硬件平臺；軟件開發(fā)；C#

0 引 言

火星是除了地球以外人類了解最多的行星,探尋火星的道路是非?？部赖腫1]。美國已經(jīng)擬定將宇航員送上火星，中國目前也已經(jīng)制定了詳細的火星探測計劃?；鹦翘綔y進程中，遠距離宇宙空間通信是航天工作者面臨的巨大難題，要想保證深空通信系統(tǒng)在復雜太空環(huán)境下能準確無誤的運行，必須在升空之前對其進行實驗室模擬測試，所以需通過建立與現(xiàn)實相吻合的信道傳播模型來模擬太空通信環(huán)境。

基于對已有信道模型和相關硬件模擬器的認識和理解[2-4]，本文設計了一種基于MSP430F5438A單片機控制的火星探測器-地球通信鏈路硬件模擬平臺，在基于深空通信鏈路預算算法和宇宙背景噪聲算法的研究之上，該平臺利用高性能、低功耗的MSP430單片機為控制核心，整體結構由信號處理電路和軟件上位機兩部分組成，二者通過USB串口進行數(shù)據(jù)通信，完成對深空通信信號傳播特性的同步演示。

1 系統(tǒng)總體方案

信號處理電路通過單片機控制完成對信號的采集、處理、輸出及相關顯示，軟件上位機負責相關參數(shù)的輸入和信號波形的實時顯示。兩者通過UART通信接口電路進行數(shù)據(jù)交互，相互配合，共同完成信號的采集和產(chǎn)生。該平臺的總體結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)上電開機后，用戶首先通過遙控器輸入對系統(tǒng)完成初始化設置；在進行相關參數(shù)設置時，用戶可選擇通過遙控器或上位機完成；系統(tǒng)運行的結果可通過示波器或上位機進行觀測。

2 硬件電路設計

該系統(tǒng)以TI公司的MSP430F5438A單片機作為硬件電路的控制核心，具有處理能力強、運算速度快、超低功耗等特點。UART只需簡單的代碼即可實現(xiàn)與上位機通信，內部集成的12位ADC可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。結合外圍的數(shù)模轉換電路和可調增益放大電路完成對信號的處理和生成，從而系統(tǒng)地實現(xiàn)深空通信鏈路的硬件模擬，系統(tǒng)的硬件設計框圖如圖2所示。

圖2 硬件設計框圖

2.1 UART通信接口電路

UART一種異步收發(fā)傳輸器，一般由波特率產(chǎn)生器、UART接收器和UART發(fā)送器組成，可以實現(xiàn)全雙工傳輸和接收。 UART是用于控制計算機與串行設備的芯片，它提供了RS-232C數(shù)據(jù)終端設備接口，計算機就可以和含RS-232C接口的單片機進行通信。

2.2 并行DAC電路

數(shù)字域上的信號要想轉換到模擬域上輸出需要經(jīng)過D/A轉換處理。DAC902是一款12位并行D/A芯片，所采用的電流導引技術可實現(xiàn)快速開關和高更新率。DAC902的參考時鐘采用的是單片機的輔助時鐘ACLK，該時鐘頻率與單片機內部設定的ADC采樣頻率相等，可實現(xiàn)不失真的輸出信號。DAC902的差分輸出接口既允許差分方式輸出也能采用單端方式輸出信號。

2.3 可調增益放大電路

深空通信信道環(huán)境與傳統(tǒng)的地面信道及近地軌道信道有很大不同，主要表現(xiàn)在傳輸距離遠，信號具有衰落特性。無線電信號經(jīng)過遙遠的距離，鏈路的傳播損耗嚴重，到達接收機的信號極其微弱。 VCA810芯片具有高增益調節(jié)范圍和增益控制電壓連續(xù)可變的特點，通過改變輸入的壓控電壓可使VCA810的增益在-40 dB～+40 dB的范圍內呈線性變化?？紤]單個芯片的增益范圍有限，本文采用兩片VCA810級聯(lián)的方式，將增益范圍擴展至120 dB，同時結合外加固定衰減電路，實現(xiàn)大動態(tài)可調增益放大電路，從而實現(xiàn)模擬深空通信信號傳播損耗特性。電路設計原理圖如圖3所示：

圖3 動態(tài)增益電路圖

3 軟件設計與實現(xiàn)

該平臺的軟件部分MSP430F5438A最小系統(tǒng)板作為開發(fā)平臺，軟件上位機通過Visual Studio 2013開發(fā)工具進行設計，使用靈活的C語言進行代碼的編寫。根據(jù)上位機內部存有的一個固定軌道參數(shù)表，上位機可在其界面上顯示出探測器的動態(tài)軌跡示意。同時，實時將距離參數(shù)發(fā)給單片機，單片機根據(jù)距離參數(shù)及其他固定參數(shù)獲得信道衰減增益；用產(chǎn)生噪聲參數(shù)的方法生成兩組符合高斯分布的隨機數(shù)，進而算得瑞利分布參數(shù)模擬多徑衰落；單片機內部的A/D模塊采樣獲得采樣值得均勻量化編碼，輸入信號固定則功率已知，根據(jù)信噪比對噪聲參數(shù)進行放縮后可獲得噪聲參數(shù)對應的編碼值，然后直接使用編碼值經(jīng)計算得到D/A的輸出。

該軟件實現(xiàn)的主要功能包括信道相關參數(shù)的輸入與顯示，對通信鏈路衰減程度的計算，模擬噪聲的產(chǎn)生以及信道的疊加，軟件上位機兼顧信道參數(shù)的輸入和信號波形的實時顯示功能。

3.1 軟件流程圖

單片機開啟后會先完成一次與上位機的信息同步，用戶可以在上位機上設定信道參數(shù)，也可以使用單片機的按鍵模塊來完成。系統(tǒng)初始化完成后，單片機經(jīng)內部12位AD模塊采樣獲得輸入信號。系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的相關參數(shù)及上位機傳來的距離參數(shù)對輸入信號進行多徑衰落和噪聲疊加處理，最后通過輸出VCA模塊的壓控電壓信號對處理后的信號進行自由空間衰減的模擬。

圖4 軟件流程圖

3.2 信道疊加

深空通信信道實際上是一個具有時變衰落特性的信道。受太陽閃爍的影響，接收端的信號會出現(xiàn)幅度衰落和信號頻譜加寬的現(xiàn)象，而由于星體自轉與公轉，以及探測器端的運動，會產(chǎn)生多普勒頻移，接收的信號表現(xiàn)為時變衰落。理論研究表明，地球與火星間通信的MER系統(tǒng)是典型應用的深空通信系統(tǒng)[5]。通過對MER系統(tǒng)的分析和對若干實際信號的觀察與分析，可以將深空通信信道建模為具有衰落特性的變參數(shù)加性高斯白噪聲信道[6]，

整個信道模擬的過程可以由下述公式表示：

y(t)=R(t)ρ(t)x(t)+n(t)

(1)

式中：R(t)為多徑引起的信號衰落；x(t)為發(fā)射機發(fā)射信號；n(t)為宇宙背景噪聲參數(shù)；ρ(t)為信道衰減程度。單片機對x(t)采樣后，對采樣獲得的點逐一疊加相應的噪聲參數(shù)n(t),再將疊加后的波形通過D/A模塊輸出得到信號x′(t)。再將衰減參數(shù)轉換為相應的壓控電壓，通過VCA電路完成對信號x′(t)的增益控制，從而完成對衰減參數(shù)ρ(t)的疊加。

3.3 信道參數(shù)的計算

項目組前期經(jīng)過大量的研究[7-10]，提出了簡化后的深空通信鏈路預算算法模型和模擬宇宙背景噪聲產(chǎn)生算法模型。鏈路預算算法所求的也是用戶最關心的，主要結果是：發(fā)射站天線口徑和功放大小，接收站天線口徑及接收余量。在自由空間中， 接收天線輸送給匹配負載的功率Pr與發(fā)送天線的輸入功率Pt之間的關系用弗里斯功率傳輸公式表示：

[Pr]=[Pt]+[Gt]+[Gr]-[Lo]

(2)

進一步得到：

(3)

式中Gt和Gr分別是接收端和發(fā)送端的增益常數(shù)，由衛(wèi)星公司提供；Lo為電波傳輸中的各種損耗，且為：

Lo=LLf

(4)

式中L為其他損耗因子，大氣損耗、降雨損耗等都將在此體現(xiàn)。這里默認L為1，即不考慮它的影響，在考慮雨衰、大氣衰減等因素后計算L時，會需要額外的參數(shù)；Lf為自由空間傳播損耗。

在自由空間中，一個無損耗的各向同性輻射源到與其路徑長度相等的距離處的理論損耗為：

(5)

式中：d為衛(wèi)星到地面的距離；f為載波頻率；c為光速。則Lf可由下述公式確定：

(6)

載波的功率用Pc表示，噪音的功率用Pn表示，那么載噪比可表示為：

(7)

在本文中采用的求載噪比的公式為：

[C/N]=[EIRP]+[G/T]-[BN]-[Lf]-[L]+228.6

(8)

式中EIRP為等效全向輻射功率，該值由衛(wèi)星公司提供；G/T為接收系統(tǒng)的品質因素, 該值由衛(wèi)星公司提供;BN為進入接收機的等效噪聲帶寬，這里取常數(shù)-3.36dB；228.6為波爾茲曼常數(shù)換算得到的分貝值。

4 系統(tǒng)測試結果

為驗證該平臺運行結果正確性，基于圖5所示的通信鏈路硬件模擬平臺進行了測試，并與軟件上位機進行了互聯(lián)驗證。在單片機的控制下，正弦信號由硬件平臺采集，經(jīng)核心處理器的處理再由DAC模擬輸出具有時變衰落特性并疊加高斯白噪聲的信號。與此同時，軟件上位機部分實時與硬件平臺進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)兩者的同步演示效果。

圖5 通信鏈路硬件模擬平臺

圖6 上位機主界面

圖6是軟件上位機的演示界面和相關運行結果及輸出波形，圖7是硬件平臺的運行輸出波形。同時，由圖和相關數(shù)據(jù)可以看出：(1) 深空信道與傳統(tǒng)的地面移動信道或近地軌道信道有所不同，具有傳輸距離遠、信號具有時變衰落的特性；(2)當通信距離較近時，信號具有較大的信噪比，噪聲對有用信號的影響不明顯。

圖7 示波器波形

5 結 語

本文基于單片機完成了火星探測深空通信鏈路硬件模擬平臺設計與實現(xiàn)，并構建了一個簡單的深空通信無線信道模型，能夠在此基礎上尋找適合深空信道環(huán)境下的調制解調方案、信源信道編碼方案等，以便于深空探測過程中更好地傳輸信息。若進一步優(yōu)化改進該深空通信鏈路硬件模擬平臺，通過模擬深空通信信道的各種傳播特性和各項參數(shù)隨飛行器運行軌道的變化，可為星上通信設備和地面站通信設備提供測試信號源，從而提高深空通信的可靠性。該平臺的測試結果還可為通信鏈路規(guī)劃提供建議，應用于深空探測任務測控通信支持工作。

[1] 韓鴻碩, 陳杰. 21世紀國外深空探測發(fā)展計劃及進展[J]. 航天器工程, 2008, 17(3): 10-13. HAN Hong-shuo, CHEN Jie. 21st Century Foreign Deep Space Exploration Development Plans and Their Progresses [J]. Spacecraft Engineering, 2008, 17(3): 10-13.

[2] Alimohammad A, Fard S F , Cockburn B F. Hardware Implementation of Rayleigh and Ricean Variate Generators[J]. IEEE Transactions on Very Large-Scale Integration (VLSI) Systems, 2011, 19(8):1495-1499.

[3] 陸許明, 戴建強, 譚洪舟. 高效的多徑衰落信道模擬及其硬件實現(xiàn)[J]. 系統(tǒng)仿真學報, 2014,1:197-201. LUN Xu-ming, DAI Jian-qiang, TAN Hong-zhou. Efficient Emulation of Multipath Fading Channels and Its Hardware Implementation[J]. Journal of System Simulation, 2014, 1: 197-201.

[4] Alimohammad A, Fard S F. FPGA Implementation of I-sotropic and Non-Isotropic Fading Channels [J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems, 2013, 60(11): 796-800.

[5] Somekh O, Shamai S. A Shannon Theoretic View of Wynercs Multiple-Access Cellular Channel Model in the Presence of Fading[A]. IEEE ISIT[ C]. Cambridge. 1998:393-393.

[6] 張永富, 杜建超, 肖嵩. 可變參數(shù)AWGN深空信道模型特性分析及其仿真[J]. 空間電子技術, 2010, 7(1): 22-25.

ZHANG Yong-fu, DU Jian-chao, XIAO Song. Analysis and Simulations on Characteristics of Deep-Space Channel Model VPAWGN[J]. Space Electronic Technology, 2010, 7(1): 22-25.

[7] Looc, Butterworht J S. Land Mobile Satellite Channel Measurements and Modeling[J]. Proceedings of the IEEE, 1998, 86(7):1442-1463.

[8] 楊美華. 一種無線信道復合衰落模型的分析與仿真[J]. 通信技術, 2010, 43(8):94-95. YANG Mei-hua. Analysis and Simulation of a Composite Wireless Fading Model[J]. Communications Technology, 2010, 43(8):94-95.

[9] 劉強, 梅進杰, 姚云龍等. 深空信道模型特性分析及其仿真[J]. 空軍雷達學院學報, 2012,26(3):181-184. LIU Qiang, MEI Jin-jie, YAO Yun-long, et al. Analysis of Deep-Space Channel Model Characteristics and Its Simulation[J].Journal of Air Force Radar Academy, 2012, 26(3): 181-184.

[10] 朱秋明, 戴秀超, 劉星麟等, 復合衰落信道建模及模擬方法研究[J]. 信號處理, 2015, 31(1): 60-62. ZHU Qiu-ming, DAI Xiu-chao, LIU Xing-lin, et al. Modeling and Simulation for Composite Fading Channel[J]. Signal Processing, 2015, 31(1): 60-62.

Design and Implementation of Deep Space Link Simulation Platform for Mars Exploration

DOU Tong-dong, ZHU Meng-qing, XIN Guang-yao, ZHOU Tao, ZHU Qiu-ming, ZHANG Xuan

(College of Electronic and Information Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing Jiangsu 210016, China)

Based on MCU control, a simulation platform of Mars and the earth communication link is established for the environment of deep-space communication is too complex to measure. With MSP430 MCU as the hardware foundation and in combination of C# software development, the overall structure of the platform is composed of two parts: the hardware circuit and the software of PC, and these two parts implement communication via USB interface. The signal processing is completed by the hardware circuit which communicates with PC at the same time, thus the software of PC can realize dynamic demonstration. The experiment results indicate the coincidence of platform test results with theoretical results. This platform, for its easy operating and stable running, may be used as an assistant means for parameters design and performance evaluation of deep-space communication system in China′s Mars Exploration Project, and this is of important engineering significance.

MCU; hardware platform; software development; C#

2015-03-22；

2015-07-06 Received date:2015-03-22；Revised date：2015-07-06

大學生創(chuàng)新訓練計劃國家級項目(No.201410287026)

Foundation Item:National Project of College Students′Innovative Training Program(No.201410287026)

TN927

A

1002-0802(2015)09-1082-05

竇同東(1993—)，男，本科生，主要研究方向為深空通信信道硬件仿真平臺的設計與實現(xiàn)；

祝夢卿(1994—)，男，本科生，主要研究方向為C#開發(fā)和程序設計；

忻光耀(1994—)，男，本科生，主要研究方向為無限衰落信道模擬；

周 濤(1994—)，男，本科生，主要研究方向為深空通信信道硬件仿真平臺的設計與實現(xiàn)；

朱秋明(1979—)，男，副教授，碩士研究生導師，主要研究方向為無線衰落信道建模和仿真，航空數(shù)據(jù)鏈；

張 璇(1994—)，女，本科生，主要研究方向為模擬電路的設計與仿真。

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.09.020