X/Ka頻段遙感衛星地面接收信道便攜式測試系統設計*

林波濤,王萬玉,張洪群,李 安,馮旭祥,李 凡,王 強

(中國科學院遙感與數字地球研究所，北京　100094)

X/Ka頻段遙感衛星地面接收信道便攜式測試系統設計*

林波濤,王萬玉**,張洪群,李 安,馮旭祥,李 凡,王 強

(中國科學院遙感與數字地球研究所，北京100094)

為解決X/Ka信道在建設和運行維護過程中測試設備笨重、功能單一、設備操作復雜、工作狀態無法獲取等弊端,通過優化中頻與射頻鏈路方案、小型化與多功能集成設計、集中監控與射頻線纜供電等方式,設計了一種便攜式X/Ka頻段遙感衛星接收信道測試系統,實現了1 GHz寬帶X/Ka衛星數據地面接收系統射頻(7.9～8.9 GHz、18～20 GHz、25～27.5 GHz 3個頻段,有線或無線)、中頻環路的調試和測試(1.2 GHz、1.5 GHz 2個頻段)及信道的測試系統的集中監控、高階調制、多種編碼、多普勒仿真、噪聲源添加等功能,極大地方便了現場或野外測試應用。

遙感衛星地面接收系統;X/Ka接收信道測試;便攜式設計;集中監控

引用格式:林波濤，王萬玉，張洪群，等.X/Ka頻段遙感衛星地面接收信道便攜式測試系統設計[J].電訊技術，2016，56(3)：278-283.[LIN Botao，WANG Wanyu，ZHANG Hongqun，et a1.Design of a Portab1e test system for X/Ka-band remote sensing sate11ite data receiving channe1s [J].Te1ecommunication Engineering，2016，56(3)：278-283.]

1　引 言

隨著對地觀測技術及遙感應用需求的發展，衛星有效載荷的時間分辨率、空間分辨率、輻射分辨率、光譜分辨率等不斷提高，星地鏈路需要傳輸的數據量越來越大，所占用的帶寬也越來越寬，但現有的星地鏈路卻不能滿足大數據量的傳輸，遙感信息與數據傳輸能力之間的矛盾日益凸顯[1]。

在對地觀測衛星數據地面接收系統的測試系統中，一般將信號的編碼、調制及濾波等在中頻進行，然后通過上變頻器將頻率搬移到較高的頻段，最后接入到地面接收系統測試耦合口，或饋送到標校塔信標天線，模擬衛星下行信號實現地面接收系統的測試。測試系統作為衛星數據地面接收系統的關鍵設備，其性能的好壞直接影響地面接收系統性能的檢測水平。

目前的對地觀測衛星數據普遍采用S/X頻段進行下傳，而相應的地面接收系統也基于S/X頻段來進行。為了解決遙感信息與星地鏈路的數據傳輸能力之間的矛盾，現階段國內外航天任務也由現在的S/X頻段向Ka頻段轉變[2]。然而，目前并沒有在軌的Ka頻段低軌衛星，也無相應的地面接收系統，需要對Ka頻段低軌衛星地面接收系統進行研制[3]。遙感衛星使用Ka頻段下傳衛星數據對地面接收系統提出了更高、更新的技術要求，涉及的技術需求、關鍵技術及實現途徑尚未開展深入的研究[4]，同時在地面接收系統建設與升級改造的過程中，需采用測試系統對X/Ka頻段低軌衛星地面接收系統性能進行測試，X/Ka頻段遙感衛星地面接收信道測試系統針對此需求進行研制[5-6]。

2　系統整體架構設計

實現X/Ka信道測試功能的整個系統包括X/Ka信道測試監控分系統、測試調制器、X頻段上變頻器及X-Ka頻段上變頻器。如圖1所示，X/Ka信道測試監控分系統用于通過網絡對測試調制器、X頻段上變頻器、X-Ka頻段上變頻器進行工作參數配置和狀態監控；測試調制器為雙通道高速測試調制器，用于對原始數據或偽隨機數據進行編碼、調制、多普勒頻偏控制，最后輸出1.2 GHz和1.5 GHz中頻信號；X頻段上變頻器用于將測試調制器輸出的信號上變頻至X頻段；X-Ka頻段上變頻器用于將X頻段上變頻器輸出的信號變頻至Ka頻段。

圖1　X/Ka頻段遙感衛星地面接收信道測試系統結構框圖Fig.1 B1ock diagram of X/Ka-band remote sensing sate11ite data receiving channe1s test system

X/Ka頻段遙感衛星地面接收信道測試系統能夠完成X/Ka頻段遙感衛星地面接收系統的測試工作，包括信道的射頻鏈路(包含X、Ka兩個頻段)檢測與中頻鏈路(1.2 GHz和1.5 GHz)檢測。

在射頻環路測試中，Ka頻段上變頻器輸出的射頻信號接入標校塔Ka頻段天線輸入端或Ka信道的射頻鏈路測試耦合口，可以實現Ka頻段衛星數據地面接收系統下行鏈路的有線或無線測試；X頻段上變頻器的輸出信號可以輸出至衛星信號標校塔X頻段天線或X信道的射頻鏈路測試耦合口，實現X頻段衛星接收系統下行鏈路的有線或無線測試。

在中頻鏈路測試中，測試調制器輸出的調制信號通過中頻矩陣開關輸出至解調器輸出端，實現解調器的各類測試，同時解調器輸出的基帶數據通過基帶矩陣開關接入數據記錄設備，實現數據記錄設備的各類測試，從而實現中頻環路測試及基帶環路測試。

圖2　X/Ka測試系統網絡集中監控信息交互示意圖Fig.2 Diagram of the network centra1ized monitoring information exchange

整套系統通過網絡進行集中監控，如圖2所示，X/Ka信道測試監控分系統通過網絡完成對測試調制器、X頻段上變頻器、X-Ka頻段上變頻器的監控，包括各設備的工作狀態實時查詢、工作指令下達控制，實現對鏈路系統的集中監控管理，提高系統的集成度和實用性。

3　分系統架構設計

3.1X/Ka信道測試監控分系統

X/Ka信道測試監控分系統包括主程序管理模塊、測試調制器工作參數配置模塊、X頻段上變頻器工作參數配置模塊、X-Ka頻段上變頻器工作參數配置模塊、設備工作狀態實時監控模塊、網絡通信模塊、通信配置模塊、指令交互信息管理模塊和用戶管理模塊等。如圖3所示，各模塊的功能和輸入輸出，以及模塊間的交互集成在多個軟件包里。

X/Ka信道測試監控分系統的運行主要是由工作參數配置與信息交互及系統工作狀態實時查詢兩個工作流程來驅動。如圖3所示，工作參數配置與信息交互對應的工作流程：用戶在主界面調取測試調制器、X頻段上變頻器、X-Ka頻段上變頻器的工作參數配置模塊，3個配置模塊各自調取已保存的Xm1配置文件，進行參數校驗及保存后向3個設備(測試調制器、X頻段上變頻器以及X-Ka頻段上變頻器)下達發送指令；主應用程序調取網絡通信模塊的TCP/IP數據發送類進行工作參數的發送；網絡通信模塊監聽接收來自各設備的參數配置反饋指令，解析后將結果反饋到指令交互信息管理模塊，并由其實現指令信息在主界面上的實時顯示，從而完成一個參數配置指令下達與交互的流程。

3.2 大數據在農業上的應用 大數據在農業上所發揮的作用，用一個詞來概括就是“智慧農業”，大數據思維的本質就是智慧思維，這種智慧的主體不是人類，而是經過挖掘的大數據，這是跨越式的改變。在地球上，智慧一直是人類所獨有的，現在由于大數據技術的發展，有了人工智能，這種智能在某些領域已經超越了人類。 同樣，智慧農業的出現也是農業發展突破性的改變，這種改變可以用3個關鍵詞來概括，就是耦合、精準、決策。

圖3　X/Ka信道測試監控分系統結構框圖Fig.3 B1ock diagram of X/Ka channe1 test monitoring and contro1 system

3.2測試調制器

本文設計的測試調制器是具有多種調制體制和高效編碼的雙通道高速測試調制器，包括小型工控機平臺、調制數字信號處理卡和調制模擬信號處理卡。該設備具有多種調制體制和高效編碼的雙通道高速測試調制器，采用全數字調制結構和算法，能夠實現多數據源輸入、編碼成幀、卷積編碼、多種調制模式、成形濾波、中頻輸出控制(數控、程控衰減)、噪聲疊加、多普勒頻移等功能，最終能夠實現1.2 GHz和1.5 GHz中頻信號的輸出，可滿足對不同輸入中頻的鏈路設備的各項功能和性能指標進行測試及作為輸出至X頻段上變頻器的中頻信號的需求。

測試調制器采用基于大規模FPGA+DSP的可編程平臺，在小型工控機內實現多數據源輸入、編碼成幀、卷積編碼、多種調制模式(BPSK、QPSK、 S/OQPSK、8PSK、16QAM、16APSK)、成形濾波、中頻輸出控制(數控、程控衰減)、噪聲疊加、多普勒頻移等功能。該設備具備多種測試信號源的輸入，實現1.2 GHz和1.5 GHz兩種中頻調制信號輸出。設備整體尺寸為111 mm(寬)×212 mm(高)×420 mm (深)，總質量為7.3 kg。制作成這種規格的設備在保證高性能(包括可擴展性)的同時能夠實現設備的便攜性(如單人雙肩包)，極大地方便戶外進行標校塔測試。

在圖4所示的結構框圖中，調制數字信號處理板卡通過PCI-E接口與上位機連接，在上位機的控制下對輸入數據進行編碼成幀、卷積編碼、差分編碼、星座映射、成形濾波、重采樣、數字化調制和數字衰減，并通過DAC實現模擬信號輸出，以及NCO在多普勒模塊的控制下，實現了多普勒頻率仿真。

圖4　測試調制器的結構框圖Fig.4 B1ock diagram of test modu1ator device

由于采用基于大規模FPGA+DSP的可編程平臺并在FPGA+DSP平臺上采用4.0 GsamP1es/s的DAC，該設備能夠實現中頻的全數字化。調制數字信號處理板卡的信號主鏈路由FPGA、數據選擇(ECL、大尺寸衛星/測試數據、內部的偽隨機數據、板卡內部512 MB的測試循環播發數據)、編碼成幀、星座映射、成形濾波或LPF、重采樣、調制、多普勒仿真、數字衰減、4 GsamP1es/s DAC、差分LPF等模塊組成，在上位機控制數據/狀態/參數傳輸管理單元和監控配置單元及其他模塊配合下實現信號的調制。

調制數字信號調制處理板卡可以通過RS232接口控制調制模擬信號處理卡，調制模擬信號處理卡對調制數字信號調制處理板卡輸出的中頻信號進行濾波和程控衰減，濾除帶外的諧波和干擾。其中，程控衰減和數字衰減組合可以實現分辨率高達0.01 dB精度、范圍54 dB的幅度衰減輸出。調制模擬信號處理板卡搭載10～2 000 MHz的噪聲源，并通過RS232接口接受調制數字信號處理卡的控制，實現峰值達16 dB的高斯白噪聲輸出。

3.3X頻段上變頻器

X頻段上變頻器將頻率1.2 GHz/1.5 GHz中頻信號上變頻至X頻段(8.45 GHz±500 MHz)，輸入增益可調(0～30 dB，1 dB步進)，主要包括放大器、混頻器、濾波器及數控衰減器等部件、+15 V直流電輸出單元等部件。該設備具有將內部+15 V直流電輸出的能力，可以通過射頻信號線纜為后級系統供電。根據實際需要可以將X頻段上變頻器外形尺寸設計為374 mm×370 mm×116 mm，提高了便攜性。

X頻段上變頻器的中頻輸入濾波器通頻帶為1 100～1 900 MHz，需要對鏡像頻率進行抑制。在測試系統中，鏡像頻率為14.3～16.5 GHz，濾波器在該頻段的抑制可以達到70 dBc以上，滿足了鏡像抑制大于60 dBc的要求。射頻濾波器對本振頻段的抑制有50 dBc以上，采用兩級濾波，可保證射頻輸出端的本振泄露電平在-80 dBm以下，且帶外雜散抑制可主要由射頻濾波器保證。X頻段上變頻器采用一次變頻，本振為6 400～7 500 MHz，沒有組合雜散落在帶內，兩級濾波器可以滿足帶外雜散抑制要求；在輸入端接濾波器，濾波器的駐波小于1.3，并接電阻π型匹配電路，確保了產品輸出駐波小于1.5。射頻信號輸出端為隔離器，可以有效保證X頻段上變頻器駐波要求。

在測試過程中，X頻段上變頻器的輸出信號分為兩路，其中一路輸出至X頻段衛星接收系統射頻鏈路測試耦合口或標校塔X頻段天線，實現X頻段衛星接收系統的有線或無線測試，另外一路輸出至X-Ka頻段上變頻器以進行Ka頻段上變頻。

3.4Ka頻段上變頻器

X-Ka上變頻器具有兩級變頻鏈路，X-Ka上變頻器包括放大器、混頻器、濾波器及數控衰減器。如圖5所示，在一級變頻單元的輸入前端設置一個數控衰減器，當大信號傳輸進入時可將數控衰減器置于衰減狀態，實現一級Ka頻段射頻信號輸出。

圖5　Ka上變頻器的結構框圖Fig.5 B1ock diagram of Ka-converter device

本文的測試系統在架構設計時考慮到功耗及實際使用的需求，高頻段的Ka鏈路可以通過遠控實現電源開啟/關閉，信號輸入采用開關進行控制。根據實際需要可以將X-Ka頻段上變頻器外形尺寸設計為374 mm×370 mm×116 mm，這種設計使得XKa頻段上變頻器設備的重量能夠大大減輕，實現了便攜式設計。

在X-Ka頻段上變頻器的18～20 GHz一級變頻鏈路中，輸入的X頻段的信號頻率為8.45 GHz± 500 MHz，經隔離器、濾波器、衰減器、放大器調制處理后與Ka頻段的一級本振信號進行混頻。通過混頻能夠將8.45 GHz±500 MHz搬移到18～19 GHz、18.5～19.5 GHz、19～20 GHz，然后再由控制器通過對選控開關的控制對混頻后的18～19 GHz、18.5～19.5 GHz、19～20 GHz三個頻率范圍的信號進行選擇，再經放大、可調衰減、濾波后進入分路器，從而實現18～20 GHz的Ka頻段射頻信號輸出。其中，分路器分出的一路18～20 GHz的Ka頻段射頻信號將直接饋送到發送天線發往接收端，而分路器分出的另一路18～20 GHz的Ka頻段射頻信號將作為二級變頻的輸入。

在X-Ka頻段上變頻器的25～27.5 GHz二級變頻鏈路中，經分路器分出的另一路18～20 GHz的Ka頻段射頻信號經選控開關接入并進行濾波、增益調整后與Ka頻段的二級本振信號進行混頻，混頻后的信號再經濾波、放大、衰減后輸出25～27.5 GHz的Ka頻段射頻信號。

需要說明的是X-Ka頻段上變頻器的供電是由X變頻器通過射頻電纜饋直流電+15 V到輸入端口，該設計能夠減除電源交直流變壓模塊，不僅帶來便攜性，還可實現Ka上變頻器直接搬移到標校塔上，降低Ka頻段信號的線纜損耗。

4　測試結果及分析

在整個系統整體聯調測試中，如圖6所示，通過網絡對進行工作參數配置和狀態巡檢；解調器端設置與調制對應的解調模式和解碼方式，對調制器輸出的1.2 GHz和1.5 GHz中頻調制信號和調制器的各項功能進行檢測；調制器輸出的中頻信號通過分路器輸出至X上變頻器，在X、Ka上變頻器端用頻譜儀對輸出的射頻信號進行檢測。圖7和圖8所示為中頻和Ka一個頻段的信號。

圖6　系統整體聯調測試Fig.6 Joint test of the system

圖7　中頻(8PSK)信號解調解碼的星座圖Fig.7 Conste11ation of IF decoding&demodu1ation

圖8　Ka頻段(27 GHz)射頻信號頻譜Fig.8 RF sPectrum of Ka-band

X/Ka信道測試系統所涉及的技術指標眾多，限于篇幅，僅列出部分關鍵指標。表1所示為調制編碼及帶寬測試，可見解調及譯碼星座圖鎖定正確，誤碼檢測正確，帶寬測量值偏離期望值±3 MHz；表2和表3為中頻、射頻(X、Ka)信號頻率上下限最惡劣的一些相關技術指標測試結果。

表1　調制編碼及帶寬Tab.1 Bandwidth with different modu1ation modes

表2　測試調制輸出的中頻信號技術指標Tab.2 OutPut modu1ated IF signa1 sPecifications in test

表3　上變頻器設備輸出的X、Ka頻段射頻信號技術指標Tab.3 X/Ka-band RF signa1s sPecifications of the uPconverter

從前文描述及具體指標測試中可以看出，該系統具有高速雙通道多種調制與高效編碼的中頻信號(包含1.2 GHz與1.5 GHz兩個頻段)輸出，X頻段(8.45 GHz±500 MHz)與Ka雙頻段(包含18～20 GHz、25～27.5 GHz兩個頻段)有線或無線射頻信號輸出功能，信號增益可以實現較大范圍調整，具備多數據源輸入、編碼成幀、卷積編碼、成形濾波、噪聲疊加、多普勒頻移等功能，關鍵技術指標如鏡像抑制、帶外抑制、噪聲系數、輸入/輸出駐波比、1 dB壓縮點、群延時、幅度平坦度、本振相位噪聲以及可靠性等能夠滿足對地觀測衛星地面系統上行鏈路的檢測設計要求。

5　結束語

本文設計的X/Ka頻段遙感衛星地面信道測試系統，在滿足遙感衛星地面接收系統技術指標要求的情況下，實現了工作模式多樣化、信號源與調制和編碼模式多樣化、信號功率大小與頻段輸出可調，整套設備能夠通過網絡實現集中監控，滿足了中頻(2個頻段)環路和X/Ka射頻環路(3個頻段)有線/無線微波信號環路測試需求，充分考慮戶外使用的一系列問題(測試現場方便搬移和野外標校塔測試)，相較于現有設備價格昂貴、功能單一、粗大笨重(1臺4U、2臺1U標準架構)，整套設備單人即可搬運，實現了便攜性使用需求，滿足了未來一段時期內遙感衛星地面接收信道測試的各項需求，為地面系統建設提供了可靠的調試和測試手段，縮短了研制、建設周期。進一步的工作包括無線通信和軟件升級，以實現整套系統的遠程部署，能夠極大地方便野外標校測試等工作。

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林波濤(1980—)，男，山東昌邑人，碩士，工程師，主要研究方向為信號與信息處理；

LIN Botao was born in Changyi，Shandong Province，in 1980.He is now an engineer with the M.S.degree.His research direction is signa1 and information Processing.

Emai1：1inbt@radi.ac.cn

王萬玉(1962—)，男，安徽當涂人，1990年獲碩士學位，現為研究員、碩士生導師，主要研究方向為信號與信息處理。

WANG Wanyu was born in Dangtu，Anhui Province，in 1962.He received the M.S.degree in 1990.He is now a senior engineer of Professor and a1so the instructor of graduate students. His research direction is signa1 and information Processing.

Emai1：wywang@ceode.ac.cn

Design of a Portable Test System for X/Ka-band Remote Sensing Satellite Data Receiving Channels

LIN Botao，WANG Wanyu，ZHANG Hongqun，LI An，FENG Xuxiang，LI Fan，WANG Qiang
(Institute of Remote Sensing and Digita1 Earth，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China)

In construction and oPeration of X/Ka-band remote sensing sate11ite data receiving channe1s test system，the equiPment is heavy，its function is unitary，its oPeration is comP1ex and its working state can not be obtained.To so1ve above Prob1ems，a new X/Ka-band Portab1e test system is designed by oPtimizing the intermediate frequency(IF)and radio 1ink methods，miniaturization and mu1ti-function integrated design，centra1ized monitoring and radio frequency(RF)cab1e Power suPP1y.The system can emit X/Ka-band RF (7.9～8.9 GHz，18～20 GHz and 25～27.5 GHz，wired or wire1ess)and IF(1.2 GHz and 1.5 GHz) signa1s with 1 GHz bandwidth for the test of sate11ite data ground receiving system.The system is characterized as centra1ized monitoring，variab1e coding and modu1ation，DoPP1er simu1ation and noise source adding functions.It is very suitab1e for the site and outdoor test aPP1ications.

remote sensing sate11ite data receiving system；X/Ka-band data receiving channe1s test；Portab1e design；centra1ized monitoring

TN927;TN919.3

A

1001-893X(2016)01-0278-06

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.03.008

2015-10-11;

2016-03-04 Received date:2015-10-11;Revised date:2016-03-04

**通信作者:wywang@ceode.ac.cn Corresponding author:wywang@ceode.ac.cn