一种宽带数字化遥测信号隔离匹配方法

摘要

一种宽带数字化遥测信号隔离匹配方法，它包括以下步骤：(一)输入信号通过接收匹配电路，完成输入信号的接收、阻抗匹配、抗混叠滤波；(二)经过接收匹配电路后的模拟信号通过模数转换芯片采样数字化，模数转换后的数字信号通过数字耦合器件实现隔离耦合；(三)经过隔离耦合的数字信号，进入信号处理单元，完成信号的增益校正、增益设置以及可选带通滤波功能；(四)信号处理单元由人机界面控制，可以进行远程控制；(五)经过信号处理单元的数字信号通过数字隔离耦合器件隔离耦合，然后通过数模转换芯片恢复成模拟信号；(六)数模转换后的模拟信号通过驱动输出；(七)隔离电源模块实现输入单元、信号处理单元和输出单元之间电气的隔离。

说明书

一、技术领域

本发明测下提供一种宽带数字化遥测信号隔离匹配方法，具体涉及一种利用数字化隔离耦合方案来实现对遥行相移键控(PSK)信号的隔离、匹配和信号复制，属于卫星地面测试领域。

二、背景技术

遥测信号的隔离匹配应用在卫星地面测试设备中，完成遥测下行PSK信号与地面设备的隔离，并完成遥测下行PSK信号的阻抗匹配。遥测下行PSK信号频率范围在(1□500)KHz，常用遥测下行PSK信号频率为65.536KHz。

传统的信号隔离耦合方案均对模拟信号进行直接隔离耦合，通常有高精度线性光电耦合、宽带线性光电耦合、变压器耦合三种方式。基于高精度线性光电耦合的信号隔离耦合方案在带宽较小时，可获得良好线性，并且噪声较小；但是需要精确调节偏置，并难以在较宽的频带范围内获得较好的性能。基于宽带线性光电耦合的信号隔离耦合方案在较大带宽内获得一致的增益；但是需要精确调节偏置，并且耦合系数太小，导致噪声较大。基于变压器的信号隔离耦合方案电路非常简单，耦合系数大，噪声系数低，高频特性好；但是低频特性差。

表1.三种隔离耦合方案特点

  耦合方式  工作频率范围  噪声特性  高精度线性光电耦合  51KΩ≤50KHz  好  宽带线性光电耦合  (1□500)KHz  不好  变压器耦合  ≥50KHz  好

三种隔离耦合方案特点如表1所示，其工作频率范围有限或者噪声特性不好。因此采取新型宽带隔离耦合方案对遥测信号隔离匹配器的应用具有相当重要的意义。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种宽带数字化遥测信号隔离匹配方法，采用了数字化隔离耦合方案，对遥测下行PSK信号进行隔离、匹配和信号复制，为增大隔离匹配器的信号频谱宽度提供了一种有效的途径，提高了隔离匹配器的频谱特性，对卫星地面测试设备的性能有着重要的意义。

本发明一种宽带数字化遥测信号隔离匹配方法，其原理框图如图1所示，它包括以下步骤：

步骤一，输入信号通过接收匹配电路，完成输入信号的接收、阻抗匹配、抗混叠滤波，同时实现单端信号转差分信号和对信号进行幅度调整以适合后级处理；

步骤二，经过接收匹配电路后的模拟信号通过模数转换芯片采样数字化，由于输入、输出通道间相互电气隔离，因此要建立信号的联系，必须进行信号的隔离耦合，模数转换后的数字信号通过数字耦合器件实现隔离耦合；

步骤三，经过隔离耦合的数字信号，进入信号处理单元，完成信号的增益校正、增益设置以及可选带通滤波功能，可选带通滤波功能由信号下变频、信号抽取、信号低通滤波、信号内插和信号上变频五个部分实现；

步骤四，信号处理单元由人机界面控制，可以在PC机上进行远程控制，PC机与隔离匹配硬件设备通过RS485进行通信；

步骤五，经过信号处理单元的数字信号通过数字隔离耦合器件隔离耦合，然后通过数模转换芯片恢复成模拟信号；

步骤六，数模转换后的模拟信号通过驱动输出，驱动电路由运放和串联负载电阻组成，设计信号传输比时，需根据实际负载电阻的情况进行改变；

步骤七，输入单元、信号处理单元和输出单元之间信号互相隔离，因此要求几个模块之间电源和地彼此隔离，隔离电源模块采用电压转换芯片实现电气的隔离；

数字化隔离耦合方案避免了对模拟信号的耦合，在中间的传输比控制、信号复制等环节全部为数字信号处理，因此具有如下特点：

√不需要调节偏置；

√电路一致性好；

√兼顾低频和高频特性；

√可以添加数字滤波器等数字处理算法；

数字化隔离耦合方案和传统的三种隔离耦合方案相比，其优势如表2所示。

表2.数字化隔离耦合方案

  耦合方式  工作频率范围  噪声特性

  数字化隔离耦合  (1□500)KHz  取决于模数转换/数  模转换芯片选型  好  输出幅度较小时稍差

四、附图说明

图1是本发明原理框图；

图2是本发明遥测信号隔离匹配硬件设备框架图；

图3是本发明增益校正单元结构图；

图4是本发明增益设置单元算法结构图；

图5是本发明可选带通滤波单元算法流程图；

图6是本发明隔离电源原理图；

图中符号说明如下：

Adc_d：模数转换芯片采集后得到的数据；

Adc_ovr：模数转换芯片的溢出标志信号；

Gain_adj：增益校正参数；

Gset：增益设置参数；

Da_out：数模转换输出；

CIC：级联积分器梳状滤波器；

LDO：低压差线性稳压器；

DC-DC：直流-直流电压转换器；

五、具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本实例结合附图说明，详细阐述采用数字隔离耦合方案应用在遥测信号隔离匹配的具体方法，遥测信号隔离匹配硬件设备框架图如图2所示，可分为七个模块加以说明。

第一部分模块即信号接收处理模块，用于完成输入信号的接收、阻抗匹配、抗混叠滤波、单端信号转差分信号和对信号进行幅度调整以适合后级处理。信号接收电路是一个由运放搭建的电压跟随器实现，通过跳线可以选择输入阻抗，从而实现阻抗匹配。抗混叠滤波电路用有源滤波器搭建实现，有源滤波器同时实现对输入信号的粗略幅度调整，以适应后级模数转换电路的输入要求。有源运放滤波器后端电路接运放电路，从而实现单端输入信号转换成差分输入信号。

第二部分模块即输入信号的数模转换和隔离耦合模块。本实例中采用的数模转换芯片为14-bit量化精度，将模拟信号转换成数字信号。由于输入、输出通道间相互电气隔离，因此要建立信号的联系，必须进行信号的隔离耦合。本实例中采用的输入信号隔离耦合芯片是三片ADUM3440和一片ADUM3441。隔离芯片ADUM3440和ADUM3441是四通道数字隔离器，可以支持最高150Mbps的数据速率，它是基于ADI公司的iCoupler技术，因此避免了电流传输率不确定性，非线性传递函数以及温度与使用寿命的影响问题。隔离芯片ADUM3440和ADUM3441两侧的电源电压范围都可以为3.0V～5.5V，可与低电压系统兼容，同时还能实现电平转换功能。隔离芯片ADUM3440为四通道输出，而隔离芯片ADUM3441为一通道输入、三通道输出。

第三部分模块是信号管理模块。信号处理模块实现输入信号的增益校正、增益设置和可选带通滤波。

图2中设计的模数转换前端电路满幅度输入范围为6Vpp，模数转换芯片为14-bit量化精度；数模转换后端电路设计的满幅度输出范围也是6Vpp，数模转换芯片为16-bit量化精度。模数转换增益校正单元主要用于解决两个问题。其一为后续处理方便，模数转换原始采样的14-bit量化数据需要转换为16bit。输入单元和输出单元量化位数相同后，由于两者对应的满幅度电压相等，现场可编程门阵列(FPGA)中数字量所代表的电压值物理意义相同；其二，虽然硬件电路的设计参数中模数转换芯片和数模转换芯片满幅度均为6Vpp，但是由于元件参数的离散性，不可避免存在一定误差，模数转换校正单元用于消除通道间的差异，设备更精确。

模数转换增益校正单元的详细结构如图3所示.Adc_d[13:0]为模数转换芯片采集后得到的14-bit量化数据，理论上14-bit满幅度对应输出16位的满幅度，即扩展过程中需要将Adc_d[13:0]乘以4。Adc_ovr是模数转换芯片的一个溢出标志信号，如果发生溢出，模数转换芯片限幅检测逻辑直接对模数转换的数据进行硬限幅，即将数据置为正的最大值8191或负的最小值-8192。整个校正算法的表达式为：

adj_out＝adc_d*(256+gain_adj)/64    (1)

除法运算为整除。gain_adj是一个增益校正参数。当gain_adj＝0时，不包含任何校正。当gain_adj由-128到127变化时，对应输入通道增益校正的范围gain＝((256+gain_adj)/64)/4为：0.5到1.496；gain_adj每增加或减小1，增益变化1/256倍。

在标准条件下(温度、湿度等)，使用信号源提供一个标准信号，如峰峰值为3Vpp，将通道增益设为1，观测输出信号峰峰值；当输出峰峰值小于3Vpp时，增加gain_adj的值，当输出峰峰值大于3Vpp时，减小gain_adj的值，直至输出通道的值为3Vpp时的gain_adj数值为校准值。

增益设置单元包括增益设置和输出限幅保护电路，增益设置的范围为0到8。增益设置单元算法结构如图4所示。图4中，当输出的负载为高阻抗时，电压增益(高阻)与增益参数设置的关系为：

G_high＝Gset/8192    (2)

除法操作为整除，对应增益量化误差为1/8192。当输出负载为低阻时，电压增益(低阻)与增益参数设置的关系为：

G_50Ω＝Gset/16384    (3)

可选带通滤波单元算法流程图如图5所示，包括信号下变频、信号抽取、信号低通滤波、信号内插和信号上变频。可选带通滤波单元按照如下步骤进行。

步骤一，信号进入可选带通滤波单元，选择是否进行带通滤波。如果是，进入后续步骤；如果否，直接跳出该单元。

步骤二，在人机界面上设置输入信号的中心频率和带通滤波的带宽。

步骤三，如果带宽是312.5Hz，则输入信号经过下变频后，进行8倍CIC抽取，然后进入低通滤波单元，滤波输出后的信号，进行8倍CIC内插，最后经过上变频输出。

步骤四，如果带宽是1.25KHz，则输入信号经过下变频后，进行32倍CIC抽取(8倍CIC抽取和4倍CIC抽取级联)，然后进入低通滤波单元，滤波输出后的信号，进行8倍CIC内插(8倍CIC内插和4倍CIC内插级联)，最后经过上变频输出。

步骤五，如果带宽是5KHz，则输入信号经过下变频后，进行128倍CIC抽取(8倍CIC抽取、4倍CIC抽取和4倍CIC抽取级联)，然后进入低通滤波单元，滤波输出后的信号，进行8倍CIC内插(8倍CIC内插、4倍CIC内插和4倍CIC内插级联)，最后经过上变频输出。

步骤六，如果带宽是20KHz，则输入信号经过下变频后，进行128倍CIC抽取(8倍CIC抽取、4倍CIC抽取、4倍CIC抽取和4倍CIC抽取级联)，然后进入低通滤波单元，滤波输出后的信号，进行8倍CIC内插(8倍CIC内插、4倍CIC内插、4倍CIC内插和4倍CIC内插级联)，最后经过上变频输出。

第四部分模块即人机界面，可以在PC机上进行远程控制，PC机与隔离匹配硬件设备通过RS485进行通信。远程控制界面中左侧实时显示输出通道的中心频率、带宽和幅度增益(本实例包括四个模拟信号匹配设备，故显示四种通道)，右侧可以对输出通道的中心频率、带宽和幅度增益进行设置。

第五部分模块即FPGA输出信号的隔离耦合和数模转换模块。由于输入、输出通道间相互电气隔离，因此要建立信号的联系，必须进行信号的隔离耦合。本实例中采用的输出信号隔离耦合芯片为四片ADUM3440。数模转换模块将隔离耦合后的数字信号，转换成模拟信号输出。本实例中采用的数模转换芯片，为16-bit量化精度。

第六部分模块即信号输出模块，本实例有三个输出通道。信号经数模转换后，由输出匹配电路驱动输出。信号输出模块由运放和串联电阻组成。运放工作于深度负反馈模式，内阻很小，总的匹配器内阻由串联电阻决定。当外部负载为高阻时，匹配器仍然可以正常工作，只是输出幅度比低阻负载大一倍。在设计信号传输比时，需根据实际负载的情况进行转换。

第七部分模块即隔离电源部分。输入单元、信号处理单元和输出单元之间信号互相隔离，输出单元三个通道之间也要求信号互相隔离。因此这五个模块之间要求电源和地彼此隔离。隔离电源原理如图6所示，外置两种电源+5V和+12V，彼此互相电气隔离。+5V电源经过LDO芯片PTH05000限压成+3V和+1.2V为信号处理单元提供电源和地；+12V电源经过4片DC-DC芯片WRA1205ZP转换成+5V电源，彼此电气互相隔离。

本实例在卫星地面实际测试中，满足技术指标如下：

√输入信号频率范围在(1□500)KHz；

√信号传输比率范围在0.1□6，步进为0.1；

√可选滤波输出，带宽分别为312.5Hz、1.25KHz、5KHz和20KHz；

√信号一路输入三路输出，三路输出波形幅度一致；

√输入信号与输出信号互相隔离，输出信号之间互相隔离；

√可在人机界面上，对信号隔离匹配硬件设备进行远程控制；

实际测试结果证明了宽带数字化遥测信号隔离匹配方法在卫星地面测试中应用的可行性。