衛(wèi)星信號(hào)采集終端設(shè)計(jì)

孟繁倫 張曉玲 李孟 郭新哲

摘要：衛(wèi)星信號(hào)采集終端是用于接入和存儲(chǔ)AD采樣數(shù)據(jù)的終端設(shè)備，可對(duì)采集的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)現(xiàn)和信號(hào)分析，為通信類(lèi)產(chǎn)品的物理層設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)參考。以衛(wèi)星信號(hào)采集為切入點(diǎn)，針對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集器存在的不足，設(shè)計(jì)了一款寬帶、小型化且性能可靠的衛(wèi)星信號(hào)采集終端，該終端采用AD9361射頻芯片，可滿足絕大多數(shù)情況下的衛(wèi)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(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)的采集和配置。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星信號(hào)；數(shù)據(jù)采集；AD9361

中圖分類(lèi)號(hào)：TP31文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2020）11-64-3

0引言

數(shù)據(jù)采集器或?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，在進(jìn)行科研實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)調(diào)試分析的時(shí)候都能起到至關(guān)重要的作用。目前市場(chǎng)上的數(shù)據(jù)采集器分為下變頻模塊和無(wú)下變頻模塊2種，其中無(wú)下變頻模塊的數(shù)據(jù)采集器難以做到對(duì)高頻信號(hào)的采樣，且系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高、成本高；而自帶下變頻模塊的數(shù)據(jù)采集器往往只支持單獨(dú)的某個(gè)頻段，面對(duì)多個(gè)頻段數(shù)據(jù)采集的需求，目前的解決方案都是采用若干個(gè)下變頻模塊和一個(gè)數(shù)據(jù)采集器組裝而成，造成整個(gè)系統(tǒng)體積龐大且成本高，并且給需要在戶外進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的用戶造成諸多不便。

因此，針對(duì)市場(chǎng)中不同種類(lèi)數(shù)據(jù)采集器的缺陷，設(shè)計(jì)了一款衛(wèi)星信號(hào)采集終端，其頻段范圍包括70～6 050 MHz，能夠滿足絕大多數(shù)情況下的衛(wèi)星頻段要求，遠(yuǎn)超市場(chǎng)上數(shù)據(jù)采集器的下變頻范圍。而采用的射頻芯片AD9361能夠支持高達(dá)125 MHz的采樣率，在同類(lèi)產(chǎn)品中脫穎而出。

1總體方案

1.1硬件設(shè)計(jì)

終端硬件主要包含2個(gè)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(jù)不同的資源需求，進(jìn)行原位替換。同時(shí)，為進(jìn)行信號(hào)分析，設(shè)計(jì)了信號(hào)分析軟件，可部署于上位機(jī)，通過(guò)網(wǎng)口相連，該軟件為用戶提供了可視化的圖形界面，可實(shí)時(shí)觀測(cè)信號(hào)參數(shù)和配置終端工作模式，如圖1所示。

芯片間的接口設(shè)計(jì)方案如圖2所示，ZYNQ芯片集成了處理系統(tǒng)（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(jù)AXI總線協(xié)議設(shè)計(jì)了3種基本接口方式，分別是只寫(xiě)CPU_InterfaceA、只讀CPU_InterfaceB及實(shí)時(shí)交互CPU_InterfaceC。AD9361的控制接口采用SPI模式和PL進(jìn)行連接，并在PL中設(shè)計(jì)了SPI時(shí)序電路，且SPI時(shí)序電路的輸入?yún)?shù)都由PS進(jìn)行下發(fā)。AD9361的數(shù)據(jù)接口采用LVDS模式與PL連接，并在PL中設(shè)計(jì)了LVDS的時(shí)序電路和數(shù)據(jù)采集電路，將采集到的數(shù)據(jù)上報(bào)到PS端。PL內(nèi)部設(shè)計(jì)配置各種速率的接收適配器Rev_Adapter，可通過(guò)PS進(jìn)行模式設(shè)置。

1.2軟件設(shè)計(jì)

方案包括PS數(shù)據(jù)采集軟件和上位機(jī)分析軟件2部分，其中PS數(shù)據(jù)采集軟件用于接收AD采樣的數(shù)據(jù)，并通過(guò)網(wǎng)口發(fā)送給上位機(jī)信號(hào)分析軟件，并接收上位機(jī)軟件的參數(shù)配置；上位機(jī)分析軟件主要包括4個(gè)圖形化界面，分別是基本信息設(shè)置、AD9361參數(shù)配置、終端參數(shù)設(shè)置和圖形顯示，如圖3所示。

1.2.1 PS數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

PS軟件主要完成AD9361采樣數(shù)據(jù)的讀取，并將讀取的數(shù)據(jù)送至上位機(jī)軟件進(jìn)行分析，同時(shí)接收上位機(jī)軟件的參數(shù)配置。為讀取AD9361大量的采樣數(shù)據(jù)，方案采用了AXI的高速總線，實(shí)時(shí)阻塞讀取采樣數(shù)據(jù)，并通過(guò)網(wǎng)口發(fā)送至上位機(jī)軟件。

PS與上位機(jī)之間采用C/S架構(gòu)，PS作為服務(wù)器，上位機(jī)軟件作為客戶端，采用TCP通信協(xié)議，保證數(shù)據(jù)的可靠性。 1.2.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

（1）基本信息配置

數(shù)據(jù)采集終端與上位機(jī)軟件通過(guò)以太網(wǎng)口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，IP地址和端口號(hào)用于網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)置。基本參數(shù)包括接收頻率、采樣速率、通道帶寬以及采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類(lèi)型及文件名稱(chēng)。信號(hào)格式包括調(diào)制方式、滾降因子、符號(hào)速率和采樣倍數(shù)。以上參數(shù)設(shè)置均可在程序運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置，單擊“設(shè)置”按鈕即可，如圖4所示。

（2）AD9361參數(shù)配置

通過(guò)參數(shù)配置界面主要完成以下功能：配置寫(xiě)地址和寫(xiě)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)AD9361單個(gè)地址的寫(xiě)操作；配置讀起始地址、讀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可以實(shí)現(xiàn)讀AD9361某段連續(xù)內(nèi)存的數(shù)據(jù)并逐一顯示；通過(guò)選取AD9361的Excel配置文檔，將Excel中的命令、地址和數(shù)據(jù)寫(xiě)入AD9361，如圖5所示。