多通道幅相測(cè)試系統(tǒng)人機(jī)交互軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊茗超+劉陽(yáng)

摘要：針對(duì)目前衛(wèi)星數(shù)字多波束天線的通道不一致問(wèn)題，該文在多通道幅相測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)上設(shè)計(jì)了人機(jī)交互軟件，幫助實(shí)現(xiàn)對(duì)通道間幅相誤差的測(cè)量。該文將多通道幅相測(cè)試系統(tǒng)人機(jī)交互軟件程序分為配置模塊、校準(zhǔn)模塊和測(cè)試模塊三部分，并分別給出了具體的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：多通道幅；人機(jī)交互；PCIe通信

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

1 概述

當(dāng)前，我國(guó)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(jì)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(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)，其中多通道接收機(jī)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(shì)是可以顯著的提升系統(tǒng)抗擊幅相誤差的能力[2]。通常來(lái)講通道頻道的不一致往往會(huì)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(hào)波束主瓣電平降低，副瓣電平升高，最終會(huì)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(cè)量通道間幅相誤差。

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

2 多通道幅相測(cè)試系統(tǒng)人機(jī)交互軟件的基本功能

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

整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要是依據(jù)碼分多址原理，每組擴(kuò)頻碼分別對(duì)應(yīng)一路波束信號(hào)，多組正交擴(kuò)頻碼對(duì)應(yīng)多個(gè)不同的波束信號(hào)，其主要的測(cè)試對(duì)象為用戶鏈路、前向鏈路和返向鏈路，測(cè)試系統(tǒng)的主要裝備如表1。

故人機(jī)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(cè)試相應(yīng)功能；前向多波束通道內(nèi)幅相一致性測(cè)試相應(yīng)功能；返向單、多波束通道間幅相一致性測(cè)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(cè)試系統(tǒng)人機(jī)交互軟件的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在通過(guò)人機(jī)交互軟件對(duì)不同情形下的通道測(cè)試時(shí)，需要首先分析各個(gè)通道波束間幅相的關(guān)系，并配置對(duì)應(yīng)的模塊，例如配置模塊、校準(zhǔn)模塊和測(cè)試模塊。配置模塊最主要的作用就是設(shè)置各個(gè)通道分量點(diǎn)的測(cè)試頻點(diǎn)和幅相關(guān)系，以及用戶對(duì)信號(hào)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(guò)粗校準(zhǔn)和細(xì)校準(zhǔn)來(lái)校準(zhǔn)測(cè)試頻點(diǎn)，進(jìn)而保證測(cè)試頻點(diǎn)的準(zhǔn)確度，最終保證幅相關(guān)系測(cè)量的絕對(duì)精準(zhǔn)。用戶通過(guò)校準(zhǔn)模塊可以實(shí)時(shí)監(jiān)控幅相并根據(jù)實(shí)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(guò)迭代算法進(jìn)行多次校準(zhǔn)，保證測(cè)試結(jié)果與用戶實(shí)際需求相接近。測(cè)試模塊擁有離線校準(zhǔn)功能，可以最大程度上保證測(cè)試結(jié)果的精準(zhǔn)度，并對(duì)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)。整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)功能沒(méi)款如圖1所示。

3.2 配置模塊設(shè)計(jì)

配置模塊在完成基本的配置之后，會(huì)通過(guò)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(duì)應(yīng)的信號(hào)產(chǎn)生/處理組合模塊，具體的通信協(xié)議設(shè)計(jì)在下文中將會(huì)做具體的講解。此外，為了保證測(cè)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(gè)步驟：第一，利用粗校準(zhǔn)將頻偏估計(jì)到[1.7Hz]范圍以內(nèi)，第二步進(jìn)一步的通過(guò)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(jì)

校準(zhǔn)模塊的主要任務(wù)是對(duì)幅相測(cè)試結(jié)果的在線實(shí)時(shí)校準(zhǔn)。首先接收測(cè)量數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)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(cè)試通道各波束的相對(duì)相位和幅度關(guān)系，并以極坐標(biāo)圖表示。

3.4 測(cè)試模塊設(shè)計(jì)

該模塊的數(shù)據(jù)解算處理與顯示過(guò)程詳見(jiàn)配置模塊和校準(zhǔn)模塊。在測(cè)試模塊，通過(guò)對(duì)比測(cè)得的相對(duì)幅相關(guān)系自動(dòng)生成幅相測(cè)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(shí)現(xiàn)離線校準(zhǔn)功能，進(jìn)一步保證了測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

4 多通道幅相測(cè)試系統(tǒng)人機(jī)交互軟件的實(shí)現(xiàn)

4.1 多通道幅相測(cè)試系統(tǒng)的組成

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

其中，人機(jī)交互軟件功能在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)供電功能主要是以[PCIE]接口實(shí)現(xiàn)，并且通過(guò)這個(gè)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，信號(hào)的處理以及控制功能和測(cè)試結(jié)果的交換。本次的測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際的測(cè)試波束頻段的不同主要分為中頻測(cè)試和射頻測(cè)試。中頻測(cè)試需要配置36個(gè)通道和8波束的間幅相關(guān)系，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；射頻測(cè)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(jī)交互軟件的通信方式

本上位機(jī)系統(tǒng)使用的通信方式是PCIe接口，使用者通過(guò)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(hào)采集與分析組合回傳的測(cè)試結(jié)果，進(jìn)行解算后通過(guò)顯示屏進(jìn)行顯示。

PCIe通信是一種廣泛使用且實(shí)用的通信方式，其主要的特征是線路簡(jiǎn)單，靈活性強(qiáng)，可靠度高，因此在通訊設(shè)計(jì)中應(yīng)用非常的普及。當(dāng)前計(jì)算機(jī)串行通信已經(jīng)廣泛的運(yùn)用于數(shù)據(jù)通信、故障檢測(cè)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(shì)，可以在線實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)的數(shù)據(jù)處理和傳輸。

4.3 人機(jī)交互軟件的通信協(xié)議設(shè)計(jì)

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(shí)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(kuò)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(lái)標(biāo)志一幀數(shù)據(jù)信息的開始和結(jié)束。通過(guò)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(lái)篩選有效信息，而測(cè)試模式幀主要是用來(lái)區(qū)分測(cè)試結(jié)果是通過(guò)哪一測(cè)試模式得到的以及片選幀標(biāo)志測(cè)試結(jié)果屬于哪個(gè)通道，其后面的[64]字節(jié)是該測(cè)試通道內(nèi)[8]個(gè)分量的幅相關(guān)系。具體過(guò)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(lái)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(lái)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(gè)分量的數(shù)據(jù)信息，測(cè)試模式幀用來(lái)區(qū)分用戶選擇的測(cè)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(cè)試通道內(nèi)8個(gè)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(shí)，只需要改變命令判斷字、測(cè)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(kuò)展性。

5 結(jié)論

本文針對(duì)多通道幅相測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互軟件設(shè)計(jì)，從測(cè)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(cè)試模塊三部分。并在軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，完成了人機(jī)交互軟件平臺(tái)，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(guò)簡(jiǎn)單的控件操作完成測(cè)試系統(tǒng)的全部測(cè)試功能。

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