引言

隨著全球衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，衛(wèi)星技術(shù)已廣泛應(yīng)用于通信、導(dǎo)航、遙感、氣象、偵察等領(lǐng)域。其中，針對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的采集、存儲(chǔ)、回放等需求變得越來越迫切和廣泛。作為該領(lǐng)域關(guān)鍵設(shè)備的衛(wèi)星信號(hào)采集存儲(chǔ)回放系統(tǒng)以其強(qiáng)大的功能特點(diǎn)被應(yīng)用于衛(wèi)星在軌測(cè)試與驗(yàn)證、空間態(tài)勢(shì)感知、衛(wèi)星偵聽、深空探測(cè)任務(wù)等場(chǎng)景中。在復(fù)雜電磁環(huán)境與高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下，衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)射頻信號(hào)的采集精度、實(shí)時(shí)處理效率、存儲(chǔ)可靠性等提出了嚴(yán)苛要求。本文將針對(duì)衛(wèi)星領(lǐng)域的這些高標(biāo)準(zhǔn)要求，推出自研的國(guó)產(chǎn)寬帶采集存儲(chǔ)回放系統(tǒng)，并深入探討該系統(tǒng)的特點(diǎn)、功能、優(yōu)勢(shì)以及軟件定制化解決方案，詳細(xì)解析該系統(tǒng)如何有效助力衛(wèi)星射頻信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)與回放。

1衛(wèi)星應(yīng)用的需求與痛點(diǎn)

在衛(wèi)星信號(hào)處理領(lǐng)域，以衛(wèi)星接收機(jī)或?qū)Ｓ眯l(wèi)星信號(hào)采集分析儀為基礎(chǔ)的解決方案較為常見。然而，衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展帶來了新的挑戰(zhàn)，尤其是對(duì)高精度、高帶寬、實(shí)時(shí)處理以及大容量存儲(chǔ)的需求日益增長(zhǎng)，上述常見方案在高速信號(hào)的采集、處理、存儲(chǔ)等方面開始暴露出越來越多的局限性。坤馳科技通過較多的實(shí)際案例，總結(jié)目前衛(wèi)星應(yīng)用在信號(hào)采集、處理、存儲(chǔ)環(huán)節(jié)面臨三大需求與痛點(diǎn)：

1信號(hào)保真與復(fù)雜環(huán)境的對(duì)抗

衛(wèi)星信號(hào)通常非常微弱，且易受噪聲干擾。各種波段的衛(wèi)星信號(hào)普遍需在電離層擾動(dòng)、多徑干擾、強(qiáng)電磁干擾等復(fù)雜環(huán)境下保持信號(hào)完整性，但現(xiàn)有信號(hào)采集設(shè)備更多聚焦于信號(hào)接收而非高精度采集，導(dǎo)致其在采樣精度和動(dòng)態(tài)范圍方面存在不足，難以準(zhǔn)確捕捉和還原微弱的衛(wèi)星信號(hào)。

2高吞吐量與處理時(shí)效的博弈

衛(wèi)星信號(hào)通常具有高數(shù)據(jù)速率（例如某高分辨率SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)速率達(dá)1.5Gbps）和復(fù)雜調(diào)制方式（例如QPSK、16QAM、OFDM等），然而現(xiàn)有數(shù)據(jù)處理設(shè)備更多建立在傳統(tǒng)射頻儀器或設(shè)備的基礎(chǔ)之上，在實(shí)時(shí)處理能力、算法復(fù)雜度、并行計(jì)算與硬件加速等方面普遍存在不足，難以應(yīng)對(duì)海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理需求。

3存儲(chǔ)容量與讀寫速度不足

衛(wèi)星應(yīng)用通常需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)采集和存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，例如衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)等。上述常見方案在存儲(chǔ)容量和讀寫速度方面存在先天的短板，難以滿足大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和回放的需求。存儲(chǔ)容量不足會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，影響數(shù)據(jù)完整性和可靠性，讀寫速度不足會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸延遲，影響數(shù)據(jù)處理效率。

2實(shí)際案例和解決方案

針對(duì)上述需求和痛點(diǎn)，坤馳科技向衛(wèi)星領(lǐng)域的客戶提供了一系列針對(duì)射頻寬帶信號(hào)的采集存儲(chǔ)回放系統(tǒng)，可以完美解決上述問題。

以某衛(wèi)星客戶的具體案例為例，其低軌衛(wèi)星的信號(hào)范圍在950MHz-2.15GHz（比普通L波段1-2GHz的范圍略大，簡(jiǎn)稱為“擴(kuò)展L波段”），這個(gè)波段的衛(wèi)星信號(hào)在傳輸中具有電離層穿透能力強(qiáng)、自由空間損耗低的優(yōu)勢(shì)。該衛(wèi)星主要從事遙感觀測(cè)和通信服務(wù)，每天產(chǎn)生大量的射頻信號(hào)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要被高效地采集、存儲(chǔ)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)或事后分析，以支持衛(wèi)星任務(wù)的執(zhí)行和后續(xù)研究。針對(duì)該客戶的信號(hào)采集、存儲(chǔ)、回放需求，坤馳科技推薦的產(chǎn)品型號(hào)為QTS12331。該產(chǎn)品是一套便攜式寬帶射頻信號(hào)采集系統(tǒng)，其主要由射頻輸入模塊、中頻采集模塊、FPGA信號(hào)處理單元、服務(wù)器單元和存儲(chǔ)單元等組成。

QTS12331系統(tǒng)采用靈活的雙形態(tài)架構(gòu)設(shè)計(jì)，可根據(jù)測(cè)試場(chǎng)景需求配備便攜機(jī)版本或服務(wù)器版本（如圖1所示），為用戶提供高效、精準(zhǔn)的測(cè)試解決方案。便攜機(jī)版本以輕量化設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，搭載高集成度硬件模塊與抗震加固結(jié)構(gòu)，可在實(shí)驗(yàn)室外完成現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)試，特別適合車載測(cè)試、野外測(cè)試等移動(dòng)作業(yè)場(chǎng)景。當(dāng)需要進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證時(shí)，采用服務(wù)器版本，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成測(cè)試，也可搭配客戶的其他測(cè)試工具，組成包含衛(wèi)星信號(hào)接收、采集、處理、計(jì)算、分析、存儲(chǔ)等多個(gè)流程的完整解決方案。

圖 1. ?左邊為便攜機(jī)版本，右邊為服務(wù)器版本

其配合使用的上位機(jī)軟件提供豐富靈活的二次開發(fā)接口，支持用戶根據(jù)自身特定需求進(jìn)行定制化應(yīng)用開發(fā)，拓展軟件的功能和應(yīng)用場(chǎng)景。該軟件主要包括：信號(hào)采集控制、信號(hào)捕捉、參數(shù)測(cè)量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、文件管理、數(shù)據(jù)回放和圖形化展示模塊，參考下圖2所示的上位機(jī)部分功能界面。

圖 2. 上位機(jī)軟件的部分功能界面

QTS12331系統(tǒng)對(duì)于950MHz-2150MHz頻率范圍內(nèi)的模擬量射頻信號(hào)具備采集、存儲(chǔ)記錄與回放的功能，且采集與回放信號(hào)的瞬時(shí)帶寬高達(dá)500MHz。該系統(tǒng)可將采集的射頻信號(hào)數(shù)字化后轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)格式，通過PCIe接口存儲(chǔ)至計(jì)算機(jī)磁盤陣列，并能利用萬兆光纖接口將數(shù)據(jù)傳輸至本地服務(wù)器。此外，用戶可以對(duì)存儲(chǔ)在本地服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行自定義處理或重構(gòu)播放。QTS12331系統(tǒng)不僅可用于記錄試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)（如圖3所示），還具備實(shí)時(shí)頻譜分析功能以及數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，支持長(zhǎng)時(shí)間不間斷采集，便于進(jìn)行事后數(shù)據(jù)分析和處理，因此是衛(wèi)星等寬帶射頻信號(hào)采集領(lǐng)域的理想工具。

圖3. 某客戶在戶外使用QTS12331便攜機(jī)版的場(chǎng)景

3擴(kuò)展L波段衛(wèi)星信號(hào)采集過程

在客戶的某次具體采集任務(wù)中，坤馳科技的寬帶采集存儲(chǔ)回放系統(tǒng)QTS12331被部署在地面站。系統(tǒng)成功采集了衛(wèi)星下傳的射頻信號(hào)（如圖4所示），瞬時(shí)帶寬設(shè)置達(dá)到500MHz（如圖5所示），數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)3.2GB/s。采集的數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)存儲(chǔ)至本地磁盤陣列，并通過萬兆光纖接口傳輸至服務(wù)器進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。

圖4. QTS12331系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)完成圖示

圖5. 系統(tǒng)采集的帶寬設(shè)置為500MHz （瞬時(shí)帶寬）

系統(tǒng)采用先進(jìn)的存儲(chǔ)技術(shù)，確保采集到的信號(hào)能夠高效、可靠地存儲(chǔ)在服務(wù)器系統(tǒng)的磁盤陣列中。QTS12331可以提供不同大小的存儲(chǔ)，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求從1TB到256TB進(jìn)行自由搭配選型，圖6顯示的是該客戶選擇了16TB的存儲(chǔ)空間。同時(shí)，系統(tǒng)還提供了便捷的存儲(chǔ)管理功能，用戶可以隨時(shí)查看、刪除或?qū)С龃鎯?chǔ)的信號(hào)數(shù)據(jù)。

圖6. QTS12331提供16TB的SSD作為存儲(chǔ)配置（SSD大小可選擇）

當(dāng)用戶需要對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行回放時(shí)，只需在系統(tǒng)界面選擇相應(yīng)的信號(hào)文件，并設(shè)置回放參數(shù)。系統(tǒng)即可根據(jù)設(shè)置的參數(shù)將存儲(chǔ)的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)播放，供用戶進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)分析和處理，如圖7所示。

圖7. 數(shù)據(jù)回放的操作界面

除上述采集-存儲(chǔ)-回放三個(gè)主要功能之外，客戶在數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，利用服務(wù)器系統(tǒng)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)處理和分析。通過先進(jìn)的信號(hào)處理算法，系統(tǒng)成功提取了該衛(wèi)星信號(hào)的關(guān)鍵信息，而且這些接收到的數(shù)據(jù)也為后續(xù)的分析決策提供了重要依據(jù)。

4結(jié)論

在當(dāng)今數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的時(shí)代，傳統(tǒng)的衛(wèi)星接收機(jī)或?qū)Ｓ眯l(wèi)星信號(hào)采集分析儀由于其固有的架構(gòu)局限性，難以滿足日益增長(zhǎng)的高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理需求。QTS12331系統(tǒng)憑借其基于高速數(shù)字化儀的設(shè)計(jì)，提供了卓越的數(shù)據(jù)采集和處理能力，為用戶帶來了更高效、更精準(zhǔn)的分析體驗(yàn)。該系統(tǒng)不僅能夠應(yīng)對(duì)當(dāng)前衛(wèi)星領(lǐng)域海量數(shù)據(jù)處理的挑戰(zhàn)，還為未來的技術(shù)升級(jí)和應(yīng)用擴(kuò)展提供了充足的空間。

對(duì)衛(wèi)星寬帶信號(hào)采集有需求的客戶，通過采用坤馳科技自研的QTS12331，可以實(shí)現(xiàn)：

? 提升數(shù)據(jù)處理效率：實(shí)現(xiàn)對(duì)來自衛(wèi)星高帶寬傳輸下海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和處理，顯著縮短分析時(shí)間。

? 提高分析精度：該系統(tǒng)利用高速數(shù)字化儀的先進(jìn)特性，獲取更精確的信號(hào)細(xì)節(jié)和分析結(jié)果。

? 增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性：系統(tǒng)具備高度的可配置性和可擴(kuò)展性，能夠根據(jù)不同衛(wèi)星應(yīng)用的場(chǎng)景進(jìn)行定制化調(diào)整（文中給出的案例只是某擴(kuò)展L波段的衛(wèi)星應(yīng)用，但實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景不限于此，關(guān)于其他頻率范圍的需求，敬請(qǐng)聯(lián)系本公司相關(guān)銷售人員）。

? 降低總體成本：相比傳統(tǒng)儀器或設(shè)備通用且固化的模塊與功能，基于模塊化儀器搭建系統(tǒng)的另一個(gè)好處是能夠顯著降低成本。模塊化儀器在功能與配置上可進(jìn)一步細(xì)化，以及通過軟件操作的方式，實(shí)質(zhì)上可提高設(shè)備的成本利用率，從而降低采購(gòu)與使用成本。

綜上所述，坤馳科技QTS12331系統(tǒng)在衛(wèi)星領(lǐng)域可發(fā)揮重要價(jià)值，通過數(shù)個(gè)實(shí)際案例的成功應(yīng)用證明其在采集精度、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)與回放等方面是不可或缺的工具。隨著衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展，寬帶采集存儲(chǔ)回放系統(tǒng)有望在未來的航天任務(wù)中發(fā)揮更為關(guān)鍵的作用。

審核編輯 黃宇