中繼衛星地面站前向鏈路瞬時畸變信號抓取系統設計與實現

安 建，王 磊，韓 磊

（北京空間信息傳輸中心，北京 102308）

1 引言

中國天鏈系列中繼衛星系統日趨成熟，每年為載人航天等數十個型號的發射任務提供天基測控與數據中繼服務。以載人航天為代表的測控通信應用，對中繼衛星系統與設備的穩定性、可靠性要求極高，對故障或異常的早期發現具有重大意義［1］。

傳統的衛星通信信號異常檢測主要采用頻譜監測方式，實時分析信號中心頻率、帶寬、電平等參數，通過與已有頻譜模版對比檢測異常信號，對于穩態異常檢測效果較好，但對于瞬時畸變信號則難以實現有效檢測。近年來，深度學習技術迅猛發展，成為各個學科領域的研究熱點，在文字、語音、圖像識別等領域取得了顯著成果［2-5］。O’Shea 等［6］提出了一種基于循環神經網絡（Recurrent Neural Network，RNN）模型的異常檢測方法，能有效檢測頻譜中的異常信號，并在低信噪比條件下仍具有較高的檢測率。Li 等［7］建立了縮放深度學習模型來捕捉頻譜使用模式，并將其作為基線來檢測由故障和誤用導致的頻譜使用異常。Rajendran 等［8］基于信號的功率譜和對抗自編碼器（Adversarial Autoencoder，AAE），在少量帶標簽樣本場景下實現信號異常檢測。上述基于深度學習的異常檢測方法普遍存在檢測率、實時性受限或對電磁環境變化敏感等問題，無法滿足天基測控通信中的異常檢測需求。

本文針對衛星地面站鏈路前向信號發生瞬時畸變，頻譜儀等常規儀器手段難以檢測捕獲，故障定位耗時費力的問題，提出了一種基于多參量觸發的瞬時畸變信號檢測方法。通過對中頻信號采樣數據實時解調，根據解調過程中對載波同步、碼元同步等同步信息，以及對解調后可視化基帶波形分析、眼圖分析、星座及矢量分析獲取的頻率誤差、相位誤差、幅度誤差等可測參量信息進行監測，當上述實時監測對象發生異常事件或者可測參量超過設定的門限值時產生觸發信息，從而觸發采集瞬時畸變信號。采集的畸變信號波形片段可支持后續的深度分析和故障診斷。該方法不需要進行大數據樣本訓練，通過改變信號波形參數即可適應多種體制信號的異常檢測和抓取。

2 瞬時畸變信號抓取方法

正常衛星通信信號因故發生畸變時會導致信號的幅度、頻率及相位等要素偏離正常范圍，進而會導致解調異常、誤碼率增高。多種信號分析手段可以提取信號特征參數，這些特征參數及解調同步狀態能夠作為觸發參量用于畸變信號的觸發抓取，可選用的觸發參數類型包括信噪比、誤差矢量幅度（Error Vector Magnitude，EVM）、相關峰、誤碼率、頻率偏移量、相位偏移量、幅度偏移量、輸入功率、載波同步狀態、碼元同步狀態、幀同步狀態等。根據監測信號實際情況，設定可測量參數合適的閾值范圍，檢測到信號超出某一參量的閾值時產生觸發信號觸發采集；對于狀態參量，如載波同步狀態、碼元同步狀態、幀同步狀態等，可將異常狀態作為觸發參量。抓取支持多種觸發條件，各觸發條件參數可獨立配置，也可支持多種觸發條件的邏輯組合（各種條件的與、或邏輯組合）。抓取原理如圖1 所示。

圖1 瞬時畸變信號抓取原理Fig.1 The principle of instantaneous distortion signal capture

上述觸發參量的計算主要依賴對中頻信號采樣數據實時解調，為滿足信號解調后針對性分析的功能要求，需要針對中繼衛星系統采用的二進制相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）、正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）等多種調制體制設計專門的軟解調模塊，完成中頻數據的載波恢復、碼元同步、均衡等操作，同時還需確保所設計的軟解調算法不會因為自身的不足而影響中頻信號本身質量（星座圖、眼圖、波形圖等）的呈現，如載波恢復環路不穩造成的頻率及相位波動、碼元同步環路不穩造成的碼元時鐘波動等。采用前向軟解調技術，對中頻數據進行分段處理，之后依次完成頻差、相差、定時誤差的識別與校正，并且各段中頻數據處理中的過程數據不繼承、不累積，保證各段中頻數據處理之間不存在誤差累積及慣性干擾造成的頻率、相位或碼元時鐘波動，從而保證對中頻信號的分析與測量結果的真實呈現。

對于非擴頻的BPSK、QPSK 等信號，可以采用通用的解調處理流程，其難點在于需要適應不同的調制方式和碼速率，處理流程如圖2 所示。

圖2 非擴頻信號解調處理流程Fig.2 Demodulation processing flow of non-spread spectrum signal

對于擴頻的BPSK、QPSK 等信號，需要首先實現載波頻率和偽碼相位的二維捕獲才能做進一步的處理，處理流程如圖3 所示。其主要難點在于為降低復雜度，提高可靠性，對不同偽碼速率和信息速率采用統一的算法模塊來處理。

圖3 擴頻信號解調處理流程Fig.3 Demodulation processing flow of spread spectrum signal

3 系統設計

本文設計了瞬時畸變信號實時抓取系統，如圖4 所示。抓取系統由數據采集、信號實時分析處理、觸發參數識別判決、瞬時畸變信號抓取等功能模塊組成。

圖4 瞬時畸變信號抓取系統功能組成圖Fig.4 Function composition diagram of instantaneous distortion signal capture system

1）數據采集模塊主要對中頻信號進行實時采集，并將采集數據分成2 路，一路用于臨時存儲，一路用于實時分析處理。臨時存儲主要把數據暫時存放在內存中，當信號有異常時，支持對觸發時刻前后一定時間內的采樣數據進行提取。

2）實時分析處理模塊主要通過信號的實時解調處理，監測解調過程中的載波同步、碼元同步等同步信息，并在解調后通過可視化基帶波形分析、眼圖分析、星座及矢量分析提取信號的頻率誤差、相位誤差、幅度誤差等可測參量信息；對于擴頻信號計算相關峰信息，根據編解碼原理，對解調后的數據誤碼率進行實時計算，獲取信號的誤碼率；最后，將監測結果實時發送至觸發參數超限判決模塊。

3）觸發參數超限判決模塊根據狀態異常事件或可測參量的門限值，產生觸發信號，觸發參量組合和可測參量門限值可根據信號體制等具體情況進行配置。

4）瞬時畸變信號抓取模塊接收觸發信號，并抓取記錄對應畸變時刻前后一段時間內的信號采樣數據。

抓取系統具有以下功能：

1）具備衛星信號的采集和回放功能，采樣精度≥14 bit；

2）具備前、返向鏈路信號軟件解調、譯碼及幀同步等功能；

3）具備信號實時分析功能，分析方法包括頻譜分析、波形分析、矢量分析、眼圖分析等；

4）支持對瞬時畸變信號的自動觸發抓??；

5）支持多種類型觸發參數，觸發參數類型包括信噪比、EVM、相關峰、誤碼率、頻率偏移、相位偏移、幅度偏移、輸入功率、載波同步、碼元同步、幀同步等；

6）支持瞬時畸變信號抓取回溯時間及總時長按需配置，配置步進≤1 ms；

7）具有異常告警功能，發現異常時及時發出告警信號。

4 系統實現

抓取系統采用可靠的工控機形態，提升數據采集的穩健性，主要完成輸入模擬信號的模擬濾波、AGC 控制、AD 轉換、數字域下變頻、數字域降采樣處理，并將獲得的信號采樣數據進行進一步的數字信號處理，完成數字域的各類信號實時分析處理操作，如解調、譯碼、基帶波形分析、眼圖分析、星座及矢量分析、相關峰計算、誤碼率統計等。

抓取系統設備由結構、硬件電路、固件和主控軟件組成，如圖5 所示。

圖5 瞬時畸變信號抓取系統組成框圖Fig.5 Composition diagram of instantaneous distortion signal capture system

1）結構子系統。結構子系統包括一體化機箱、電源、內部電纜、風扇、外部接口等部分，主要作用是為硬件電路板卡提供必要的結構空間、供電、散熱等支持。

2）硬件電路子系統。硬件電路子系統包括工控機CPU 主板、中頻信號處理板（采集回放功能）、存儲板、NVMe 硬盤等組成，其主要作用是實現寬帶信號的中頻采集，并將采集信號高速存儲至本地存儲陣列，可高速讀取本地存儲陣列中的數據，進行中頻數據回放。

3）固件子系統。固件子系統是指運行硬件板卡上的FPGA 數字芯片上的程序，其主要作用是將采集信號進行格式整理、緩存，將回放信號進行格式解析、輸出，并通過DMA 與主機進行信號交互。

4）主控軟件子系統。主控軟件系統是指運行于VPX 工控機平臺的監控軟件，是抓取系統設置管理的應用層軟件，人機交互的窗口，如圖6所示。

瞬時畸變信號抓取系統采用2U VPX 系統架構，機箱背板提供4 個槽位，可插入4 塊標準6U VPX 板卡，其中一個為主控板（CPU 板）槽位，插一塊工控機主板。工控機主板通過交換板與VPX 各槽位板卡進行千兆網監控信息交互及PCIE 高速數據傳輸，并通過DMA 的方式存儲數據。設備樣機如圖7 所示。

圖7 瞬時畸變信號抓取系統樣機Fig.7 Prototype of instantaneous distortion signal capture system

5 系統工作模式

抓取過程主要負責提取異常出現時刻前后一段時間內的時域信號。為保證采集到異常發生時刻前后的信號，抓取系統將信號進行實時緩存，在異常觸發信號到來時刻，將緩存的一定時長的信號進行存儲，并將觸發時刻之后的信號繼續存儲一段時間，觸發時刻前后的存儲時長可根據需要進行設置。

抓取一般工作在自動觸發采集模式，即觸發信號觸發采集后，可自動按設置的采集時長參數進行數據的采集存儲。采集支持任意時刻的手動觸發采集，觸發信號生成后，開始存儲數據，直到手動停止采集。為便于后續開展信號深度分析，數據存儲格式支持手動設置，可按文件形式存儲，每個數據文件均帶時間信息（時碼）；也可按照數據流的形式存儲，此時只存儲數據起始時刻的時間信息。

在中繼衛星地面站上行鏈路中，瞬時畸變信號抓取系統可在線監測功放、一級變頻、二級變頻和數字基帶4 個節點，一旦某個節點發生故障，則觸發采集4 路節點數據，如圖8 所示。抓取系統通過監控軟件設置4 路信號分析參數及觸發邏輯，設置抓取相關參數；系統實時分析4 路信號，提取各個觸發參量的實時數值和狀態參量的狀態信息，系統內部的觸發參數超限判決根據設定的觸發條件和各路信號的實時分析結果生成觸發信號；抓取模塊根據觸發信號同時對4 路信號按照配置的時長進行抓取，并以文件形式存儲供后續分析使用。

圖8 地面站前向鏈路監測示意圖Fig.8 Schematic diagram of forward link monitoring of ground station

系統支持4 路中頻信號同時輸入，可同時對多路信號進行實時分析，分析路數可配置。以4 路信號實時分析為例，典型工作流程如圖9所示。

圖9 瞬時畸變信號抓取工作流程示意圖Fig.9 Schematic diagram of work flow of instantaneous distortion signal capture

1）通過監控軟件設置4 路信號分析參數及觸發邏輯，設置抓取相關參數；

2）系統實時分析4 路信號，將分析過程的各節點數據給觸發參數超限判決模塊，同時將分析結果上報給監控軟件進行顯示；

3）觸發參數超限判決模塊根據設定的觸發條件和各路信號的分析結果生成觸發信號；

4）抓取模塊根據觸發信號生成4 路信號的快照數據；

5）4 路抓取信號數據通過PCIe 總線以DMA方式上傳到主控板，由監控軟件將信號存儲在存儲板中；

6）監控軟件生成告警信息和相應抓取日志。

6 測試驗證

為驗證系統有效性，構建了測試驗證環境，基于矢量信號源對瞬時畸變信號抓取系統性能進行了測試，測試環境如圖10 所示。

圖10 瞬時畸變信號抓取系統測試環境結構Fig.10 Structure of test environment for instantaneous distortion signal capture system

矢量信號源產生一路隨機突發中斷的中頻信號，信號編碼前信息速率為2 Mbps，編碼方式為卷積（7，1／2），調制方式為BPSK，中斷時長3 ～5 ms 不等。矢量信號源通過分路器將中頻信號分成4 路，分別連接至瞬時畸變信號抓取系統的4 個中頻采集端口，抓取系統按要求配置4 路中頻采集通道參數，實時監測4 路中頻信號。監測到異常發生時，觸發采集4 路異常信號，并以文件形式存盤。對測試中抓取的一段異常信號數據進行小波分析，結果如圖11 所示。

圖11 瞬時畸變信號小波分析結果Fig.11 Wavelet analysis results of instantaneous distortion signal

測試結果表明本文系統具有以下特點：

1）抓取精度高，可實現毫秒級時長的瞬時畸變信號波形抓??；

2）觸發精確可控，系統對于觸發參量響應靈敏，如通過判斷誤碼率是否超限來產生觸發信號，統計數據長度一定的情況下誤碼門限逐比特可調；

3）支持連續觸發抓捕，系統依據觸發條件，可完成所有異常時刻信號的自動觸發和抓取。

7 結論

本文研究基于多參量觸發的瞬時畸變信號時域波形抓取方法，突破了常規手段捕獲瞬時畸變信號難題，實現了極低概率、毫秒級時長畸變信號的精確抓取，為衛星通信鏈路載波信號的瞬時健康監測提供了手段。

采集的畸變信號波形片段可用于開展深度分析和系統故障診斷，對于盡早發現系統及設備存在的故障隱患具有一定應用價值。