星地高速通信系統(tǒng)測試技術(shù)研究*

方 科

（中國電子科技集團公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引言

隨著高速通信技術(shù)的發(fā)展和衛(wèi)星平臺搭載能力的提升，星地間的傳輸速率越來越高，已從數(shù)百兆數(shù)量級提升到吉比特量級。同時，為了能適應(yīng)不同衛(wèi)星所需的通信速率、調(diào)制模式以及編碼方式，高速通信系統(tǒng)功能越來越復雜。高速率、多體制、多模式的發(fā)展趨勢，導致在星地高速通信系統(tǒng)的研制過程中日常維護和測試工作量巨大。從國外星地高速通信系統(tǒng)的發(fā)展來看，在功能、指標發(fā)展的同時，星地高速通信系統(tǒng)的在線測試分析功能越來越完善。因此，研制高效實時在線測試系統(tǒng)對星地高速通信系統(tǒng)的研制和未來的使用維護具有重要意義。

1 系統(tǒng)組成與指標體系

1.1 系統(tǒng)組成

星地高速通信系統(tǒng)借鑒商用貨架產(chǎn)品（Commercial Off-The-Shelf，COTS）整機設(shè)計技術(shù)，基于PCIExpress 標準構(gòu)建。產(chǎn)品平臺可分為結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)、硬件電路子系統(tǒng)、算法固件子系統(tǒng)和應(yīng)用軟件子系統(tǒng)4 個子系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 星地高速通信系統(tǒng)組成

1.1.1 結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)包括一體化機箱、電源、內(nèi)部電纜、風扇以及外部接口等，主要作用是為硬件電路板卡提供必要的結(jié)構(gòu)空間、供電以及散熱等支持。

1.1.2 硬件子系統(tǒng)

硬件子系統(tǒng)包括主板、高速背板、調(diào)制板、解調(diào)板、譯碼板以及高速存儲硬盤陣列等組成，主要作用是為高碼率通信調(diào)制和解調(diào)提供硬件支持。

1.1.3 固件子系統(tǒng)

固件子系統(tǒng)是指運行硬件板卡上的調(diào)制、解調(diào)以及信道編譯碼等算法模塊。

1.1.4 應(yīng)用軟件子系統(tǒng)

應(yīng)用軟件系統(tǒng)是指運行于產(chǎn)品的監(jiān)控軟件，是用戶進行參數(shù)設(shè)置的應(yīng)用層軟件。

1.2 指標體系

星地高速通信系統(tǒng)的主要功能是完成寬帶高速通信信號的解調(diào)、譯碼并記錄，同時配置模擬調(diào)制功能，實現(xiàn)高速通信信號的模擬用于系統(tǒng)自測。整體的技術(shù)原理如圖2 所示。

圖2 技術(shù)原理

星地高速通信系統(tǒng)的功能和性能指標可以分為調(diào)制、解調(diào)、譯碼及數(shù)據(jù)處理3 大部分，主要指標體系如表1 所示。

1.3 傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)

從表1 的技術(shù)指標體系中可以看出，星地高速通信系統(tǒng)的測試項目及相應(yīng)的主要測試儀器分為中頻測試、信號質(zhì)量測試和誤碼率測試。

中頻測試的主要測試內(nèi)容為輸出雜散、輸出電平、相位噪聲、載波通斷、輸出頻率準確度、輸入電平范圍以及載波捕獲范圍等[1]。測試使用的主要儀器為頻譜儀。

信號質(zhì)量測試的主要測試內(nèi)容為誤差向量幅度（Error Vector Magnitude，EVM）測試和IQ 幅相不平衡測試等。測試使用的主要儀器為矢量信號分析儀[2]。

誤碼率測試的主要測試內(nèi)容為中頻閉環(huán)誤碼率指標和誤碼率曲線等。測試使用的主要儀器為高速誤碼分析儀。

因此，傳統(tǒng)的測試都是基于寬帶任意波形發(fā)生器、寬帶噪聲源、頻譜儀、寬帶矢量信號分析儀和誤碼測試儀，通用儀器來搭建高速通信系統(tǒng)調(diào)試測試系統(tǒng)，如圖3 所示。

圖3 傳統(tǒng)星地高速通信系統(tǒng)測試原理

由于涉及的儀器類型較多，儀器系統(tǒng)的聯(lián)接、參數(shù)設(shè)置與測試結(jié)果讀取等過程相對復雜，因此外場試驗等條件場地受限。此種測試方法無法滿足日常調(diào)試測試中方便、快捷、高效的要求，不利于外場條件下的問題故障診斷測試和使用維護[3]。以誤碼率測試為例，需要用寬帶任意波形發(fā)生器產(chǎn)生寬帶復雜的調(diào)制信號作為被測系統(tǒng)的寬帶激勵源。寬帶噪聲源則產(chǎn)生寬帶白高斯噪聲。噪聲與信號合成后輸入到被測的高速通信系統(tǒng)，被測高速通信系統(tǒng)解調(diào)處理后的數(shù)據(jù)輸入到高速誤碼分析儀進行誤碼分析。因此，利用高速通信軟硬件數(shù)據(jù)交互技術(shù)，設(shè)計實時在線測試系統(tǒng)對產(chǎn)品研發(fā)調(diào)試效率具有重要的作用[4]。

2 在線測試系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 測試系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)高速通信的日常調(diào)試和測試需求，在線測試系統(tǒng)需要實現(xiàn)以下功能：

（1）速率、調(diào)制、編碼方式等系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，功能實時加載等；

（2）載波、位同步、幀同步等實時狀態(tài)監(jiān)控與顯示；

（3）實時誤碼測試和事后誤碼率、丟幀統(tǒng)計監(jiān)測；

（4）信號時域、頻域、矢量星座圖等在線分析監(jiān)測；

（5）數(shù)據(jù)時延抖動統(tǒng)計監(jiān)測。

在高速通信在線測試系統(tǒng)中，主要包括參數(shù)實時配置和在線測試兩部分。實時配置及在線測試系統(tǒng)設(shè)計的結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4 實時配置及在線測試系統(tǒng)組成

實時配置用來設(shè)置高速通信的各類參數(shù)，主要對應(yīng)有調(diào)制、解調(diào)、譯碼等參數(shù)設(shè)置模塊。在線測試用來監(jiān)控高速通信的工作狀態(tài)以及對關(guān)鍵性能指標進行測試分析，主要對應(yīng)有全局解調(diào)狀態(tài)顯示模塊和信號分析數(shù)據(jù)處理、實時誤碼率測試以及事后誤碼率測試等性能分析模塊。這些功能需要軟件程序和硬件程序互相配合來實現(xiàn)。目前主要有兩類數(shù)據(jù)需要由硬件上傳。一類是各種狀態(tài)信息，主要是用來監(jiān)測解調(diào)譯碼信號處理算法工作時各個環(huán)節(jié)的工作狀態(tài)，如載波、位同步的鎖定指示，由于數(shù)據(jù)較少，采用突發(fā)模式上傳，另一類是連續(xù)的解調(diào)數(shù)據(jù)和星座圖數(shù)據(jù)。此類數(shù)據(jù)由于數(shù)量較大且連續(xù)不斷，因此其測試對測試系統(tǒng)的性能要求很高[5]。

2.2 實時配置功能與全局狀態(tài)檢測功能設(shè)計

實時配置與全局狀態(tài)功能主要完成對星地高速通信系統(tǒng)的參數(shù)狀態(tài)監(jiān)視和參數(shù)控制功能。監(jiān)視功能是實時顯示高速通信的當前參數(shù)和運行狀態(tài)等。若系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可及時監(jiān)測到?？刂乒δ苁窃O(shè)置系統(tǒng)的可控參數(shù)，要求嚴格檢查參數(shù)的有效性，確認后才控制到系統(tǒng)。此外，界面上要給用戶提示參數(shù)的有效范圍。實時配置與全局狀態(tài)如圖5 所示。

2.3 在線測試功能設(shè)計

在線測試主要包括信號分析、實時誤碼率測試以及事后誤碼率測試等測試分析功能。

信號分析是接收系統(tǒng)硬件采集上報的信號分析數(shù)據(jù)，主要包括時域波形分析、頻譜分析和星座圖。

（1）時域波形分析。采用圖形界面顯示采集的數(shù)據(jù)，即波形。波形顯示方式可以是折線，或者經(jīng)LPF 重構(gòu)顯示為平滑曲線。

（2）頻譜分析。對采集數(shù)據(jù)進行頻譜分析，仿照Agilent 頻譜儀顯示頻譜，可以調(diào)節(jié)RBW 和VBW 等顯示參數(shù)，如圖6 所示。

圖5 實時配置與全局狀態(tài)界面

圖6 頻譜分析

（3）星座圖。對采集數(shù)據(jù)進行軟件解調(diào)，根據(jù)獲得的定時信息和同步數(shù)據(jù)，在星座圖上顯示I和Q 基帶信號。對IQ 基帶信號進行矢量統(tǒng)計分析計算，可獲得包括Eb/N0、幅度誤差、相位誤差以及均衡質(zhì)量等調(diào)制質(zhì)量測試數(shù)據(jù)，如圖7 所示。

實時誤碼率測試是在閉環(huán)測試或任務(wù)時統(tǒng)計解調(diào)數(shù)據(jù)誤碼率，用以評估星地高速通信系統(tǒng)的能力。高速通信在解調(diào)信號處理流程中設(shè)計了多處實時誤碼檢測與統(tǒng)計，如幀頭誤碼率測試和解調(diào)數(shù)據(jù)誤碼率測試，分別如圖8 和圖9 所示。

圖7 星座圖

圖8 幀頭誤碼率測試

事后數(shù)據(jù)誤碼測試是用于對記錄存盤的數(shù)據(jù)進行誤碼率和丟幀測試，如圖10 所示。選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件，再設(shè)置幀長、幀頭、時碼區(qū)間以及誤碼比對區(qū)間等信息。在線測試軟件可以從文件中讀取數(shù)據(jù)作為標準幀，實時與已記錄的解調(diào)數(shù)據(jù)進行比對做誤碼率和丟幀測試。丟幀統(tǒng)計的原理是根據(jù)記錄數(shù)據(jù)的時間碼區(qū)，計算接收數(shù)據(jù)幀的連續(xù)性。不連續(xù)則認為丟幀，并累計總幀數(shù)和丟幀數(shù)。

圖9 解調(diào)數(shù)據(jù)誤碼率測試

圖10 事后誤碼率測試

3 結(jié)語

本文設(shè)計并實現(xiàn)的吉比特衛(wèi)星高速通信實時在線測試系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于某型號星地高速通信系統(tǒng)的日常調(diào)試和測試。經(jīng)過多次測試，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，達到了預期設(shè)計要求。實踐證明，該系統(tǒng)能顯著提升高速通信系統(tǒng)研制及使用維護的便捷性和測試實時性，具有較高的工程應(yīng)用價值。