衛(wèi)星通信中LXI總線收端模塊設(shè)計?

張亮，黃珍元，梁俊（.空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院，西安70077；.中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，山東青島66555）

衛(wèi)星通信中LXI總線收端模塊設(shè)計?

張亮1，黃珍元2，梁俊1
（1.空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院，西安710077；2.中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，山東青島266555）

研制了衛(wèi)星通信中LXI總線收端模塊，較好解決了衛(wèi)星通信中小站分散、技術(shù)保障困難的問題。下變頻模塊采用4次變頻，將射頻信號變?yōu)?1.4 MHz與7.5 MHz中頻信號。數(shù)字化儀模塊A／D采樣，將中頻模擬信號轉(zhuǎn)換成中頻數(shù)字信號。采用FPGA電路輔助的方式實現(xiàn)IEEE1588協(xié)議，實現(xiàn)了30 ns同步。

衛(wèi)星通信；LXI總線；下變頻模塊；數(shù)字化儀模塊；合成儀器

1 引言

目前，衛(wèi)星小站通信裝備因運行時間長，故障較多；值班人員缺乏經(jīng)驗，不能很好地進(jìn)行故障判斷；傳統(tǒng)測量儀器在被測件（UUT）升級后，往往不能滿足測試要求，需重新購置。針對上述問題，研制基于LXI總線的合成儀器十分必要。

LXI總線由安捷倫公司和VXI科技公司成立于2004年9月共同合作聯(lián)盟提出［1］，全稱為LAN-based Extensions for Instrumentation（局域網(wǎng)技術(shù)在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展）。代表了當(dāng)前自動化測試系統(tǒng)和虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展趨勢［2］。LXI通過IEEE1588（提供模塊與LAN之間準(zhǔn)確同步［3］）和Gigabit Ethernet（千兆網(wǎng)）等關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用，有效提升了測量系統(tǒng)同步精度與測量速率，并且隨著硬件觸發(fā)和10 Gbit／s（目前40 Gbit／s、100 Gbit／s、160 Gbit／s的LAN工作已經(jīng)開始［4］）的技術(shù)深化，LXI將得到更好的發(fā)展。

合成儀器由各種實現(xiàn)基本功能的模塊組成。遠(yuǎn)端裝載相應(yīng)模塊驅(qū)動的主控計算機可以通過LAN對各模塊進(jìn)行控制，同時顯示相關(guān)測量波形。當(dāng)被測件升級時，只需更換部分模塊便可完成測量儀器的升級，降低了資金投入。

2 總體實現(xiàn)方案

總體實現(xiàn)方案如圖1所示，可分為控制端和測試端。其中控制端為裝載有相關(guān)軟件（如實現(xiàn)頻譜分析、時域分析和信號產(chǎn)生的軟件）的計算機，完成對測試端各測試模塊的參數(shù)設(shè)置和輸出波形實時顯示。測試端由基于LXI總線的各測試模塊和通過接口適配器連接的衛(wèi)星裝備（被測件，簡稱UUT）組成。下變頻模塊與數(shù)字化儀模塊組成的合成儀器為衛(wèi)星通信中的LXI總線收端模塊（虛框中的模塊用于發(fā)信號，考慮到實際用途，可作為后期擴(kuò)展用）。

衛(wèi)星小站（測試現(xiàn)場）裝備通過天線接收微波信號，通過矩形波導(dǎo)管傳送至室外單元（ODU）、低噪放（LAN），通過同軸電纜傳輸至室內(nèi)單元（IDU）。如果小站未能收到遠(yuǎn)端發(fā)送信號或終端顯示異常，可用基于LXI總線收端模塊對各被測件（ODU、LAN、IDU等）輸入輸出端口進(jìn)行實時測量。通過LAN可將測量結(jié)果實時傳輸至控制端，方便控制端專家進(jìn)行分析判斷，逐一排查故障點。

基于LXI總線的測試模塊前后面板的設(shè)計均符合LXI標(biāo)準(zhǔn)，LXI前面板除了包括信號輸入輸出外，還包括電源指示燈、LAN狀態(tài)燈、IEEE1588狀態(tài)指示燈。

測試現(xiàn)場信號通過同軸電纜、適配器傳至下變頻模塊，下變頻模塊通過4次變頻，將射頻信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹蓄l信號送至數(shù)字化儀模塊，完成A／D變換，輸出的數(shù)字中頻信號送至安裝模塊驅(qū)動程序的主控計算機，將現(xiàn)場測試結(jié)果近乎實時地顯示出來，如圖2所示。

2.1 下變頻模塊關(guān)鍵電路實現(xiàn)

下變頻模塊將采用4級變頻方案，3 Hz～26.5 GHz的信號通過程控步進(jìn)衰減器后進(jìn)入寬帶微波SYTX組件（完成選通和濾波功能），經(jīng)通道開關(guān)將信號分為低頻段和高頻段兩路，3 Hz～4 GHz的低頻段信號通過4 GHz低通濾波器后進(jìn)入低頻段組件模塊，低頻段變頻組件包含兩個變頻器，一個是掃本振的變頻器，另一個是固定中頻變頻器，通過掃描本振信號，將輸入信號頻率變換為4.921 4 GHz的第一中頻信號，第一中頻經(jīng)過放大和帶通濾波后與固定頻率4.6 GHz的本振信號混頻后輸出321.4 MHz的第二中頻信號；高頻段的輸入信號在SYTX組件內(nèi)部經(jīng)寬帶YTF濾波后經(jīng)過一次變頻同樣輸出321.4 MHz的中頻信號。

321.4MHz的中頻信號經(jīng)過放大和濾波后與300 MHz的本振信號混頻后輸出21.4 MHz的第三中頻信號，21.4 MHz的信號與28.9 MHz的本振混頻后輸出7.5 MHz的中頻信號。

在上述公式中，F(xiàn)SIG表示射頻輸入信號頻率；F1stIF表示0頻段1中頻信號頻率，該頻率為固定的4.921 4 GHz；F2ndIF表示2中頻信號頻率，該頻率為固定的321.4 MHz。

表1給出了不同頻段射頻信號和混頻諧波次數(shù)的關(guān)系，圖3為下變頻模塊關(guān)鍵電路。

2.2 數(shù)字化儀模塊關(guān)鍵電路實現(xiàn)

數(shù)字化儀模塊主要包括中頻信號處理通路、高速ADC、基于FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）、DSP（數(shù)字信號處理）的數(shù)字中頻處理單元等部分［1］。中頻信號處理通路完成預(yù)處理、程控增益控制、抗混疊濾波；高速ADC實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬中頻信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字中頻信號；數(shù)字中頻處理單元的FPGA對高速ADC送出的數(shù)字中頻信號進(jìn)行下變頻、數(shù)字濾波等得到I、Q（同相與正交）兩路信號，一方面I、Q兩路信號可直接輸出，另一方面I、Q兩路信號經(jīng)DSP進(jìn)行本地數(shù)據(jù)運算，得到分析信號的相關(guān)特性。數(shù)字化儀模塊最終實現(xiàn)對下變頻模塊輸出模擬中頻信號的數(shù)字化處理，方便信息的傳輸與終端顯示。具體實現(xiàn)如圖4所示。

3 關(guān)鍵技術(shù)

基于LXI自動測量系統(tǒng)，要求各模塊有較高的時鐘同步特性。不同的測量對象與環(huán)境對同步精度不盡相同。LXI提供3種觸發(fā)，一是經(jīng)LAN觸發(fā)（精度在幾毫秒），二是經(jīng)LAN接口運行的IEEE1588精密時間協(xié)議（精度＜120 ns），三是線觸發(fā)接口（LXI觸發(fā)總線，精度在幾納秒）。這里采用IEEE1588觸發(fā)同步。IEEE1588精密時鐘同步協(xié)議（PTP）是一種網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議，是為克服以太網(wǎng)實時性不足而規(guī)定的一種對時機制，其原理是由一個精密的事件源周期性地對網(wǎng)絡(luò)中所有從時鐘節(jié)點進(jìn)行同步與校正，協(xié)議本身并不能提高系統(tǒng)的實時性能，但它可以確定和調(diào)整時間達(dá)到更精確的時間間隔，從而獲得實時行為［5］。IEEE1588同步原理如圖5所示。實現(xiàn)IEEE1588時鐘同步的方案有兩種，一種是純軟件實現(xiàn)方案，另一種是硬件輔助實現(xiàn)方案，前一種同步精度只能達(dá)到毫秒級，而后一種方案能達(dá)到納秒級，我們采用FPGA電路輔助的方式實現(xiàn)IEEE1588協(xié)議，如圖6所示。

以太網(wǎng)信息幀經(jīng)過收發(fā)器后，將分兩路傳送，一路到達(dá)以太網(wǎng)控制器，并由處理器接收處理，另一路將進(jìn)入FPGA電路。FPGA的信息包識別電路將檢測該信息幀是否是IEEE1588同步信息包，如果是同步信息包，則鎖定定時器的值。由于定時器的時鐘由本地晶振提供，因此定時器的值代表本地時間，處理器可隨時讀取該時間。同時，F(xiàn)PGA電路發(fā)送IEEE1588同步信息包的時候也將鎖定信息包的發(fā)送時間，因此，與純軟件實現(xiàn)方案相比，F(xiàn)PGA電路可精確記錄各種同步包的發(fā)送和接收時間，進(jìn)而由軟件計算主從時鐘的偏差，從時鐘根據(jù)偏差值修正自己的時鐘。

根據(jù)以下公式進(jìn)行PTP偏移量計算：

式中，one-way-delay是主時鐘與從時鐘之間的傳輸時延，假定傳輸介質(zhì)是均勻?qū)ΨQ的，則

根據(jù)式（5）可以算得各從時鐘與主時鐘的偏移。

為驗證IEEE1588同步精度，搭建如圖7所示測試平臺。

平臺由裝有NI公司的用以產(chǎn)生主時鐘的IEEE1588卡，從時鐘由測試模塊經(jīng)主控計算機驅(qū)動產(chǎn)生，以此驗證測試模塊的同步精度。分別將主時鐘和從時鐘信號接到示波器上，顯示實時波形。經(jīng)過觀察，經(jīng)過10 s左右兩者之間存在約30 ns的相對延時，說明經(jīng)過軟硬件產(chǎn)生的IEEE1588同步已經(jīng)達(dá)到預(yù)期目的。

4 結(jié)語

研制LXI收端模塊為解決衛(wèi)星通信裝備遠(yuǎn)程測量打下堅實基礎(chǔ)。中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所電子測試技術(shù)重點實驗室已經(jīng)將模塊研發(fā)出來，經(jīng)過測試其同步精度在30 ns左右，滿足衛(wèi)星通信裝備的測量指標(biāo)。改進(jìn)電路和選擇更好精度本振是提高觸發(fā)精度的有效途徑。LXI總線繼承了VXI、PXI儀器背板觸發(fā)的優(yōu)點，從而可以很好地滿足測試系統(tǒng)構(gòu)建的要求，尤其在遠(yuǎn)程分布式測試應(yīng)用中將發(fā)揮非常顯著的作用。LXI技術(shù)將以更低的成本提供更好的性能、兼容性和易用性［6］。

［1］楊江濤，黃珍元.LXI總線數(shù)字化儀模塊設(shè)計［J］.電子產(chǎn)品世界，2011，18（4）：38-45. YANG Jiang-tao，HUANG Zhen-yuan.Design of LXI Bus Digitizer Instrument Module［J］.Electronic Engineering＆Product World，2011，18（4）：38-45.（in Chinese）

［2］劉建勛，潘仲明，郭偉，等.模塊化技術(shù)在LXI波形發(fā)生器控制中的應(yīng)用［J］.計算機測量與控制，2010.18（11）：2622-2624. LIU Jian-xun，PAN Zhong-ming，GUO Wei，et al.Application of Modularization Technology to Program-controlled LXIWaveform Generator［J］.Computer Measurement＆Control，2010，18（11）：2622-2624.（in Chinese）

［3］Rouse W B.A Mode of Human Decision Making in a Fault Diagnosis Task［J］.IEEE Transactions on Systems，Man and Cybernetics，1978，8（5）：270-279.

［4］Knott W O T.思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院教程CCNA1網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)［M］.思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院，譯.北京：人民郵電出版社，2008. Knott W O T.Cisco Networking Academy Program CCNA 1 Companion Guide［M］.Translated by Cisco Networking Academy Program.Beijing：Posts＆Telecomm，2008.（in Chinese）

［5］IEEE Std 1588，Precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems［S］.

［6］李鳴，高娜，江義東.LXI總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.電子測量技術(shù)，2010，33（8）：22-24. LI Ming，GAO Na，JIANG Yi-dong.Key technology research of LXI-bus standard criterion［J］.Electronic Measurement Technology，2010，33（8）：22-24.（in Chinese）

ZHANG Liang was born in Sanyuan，Shaanxi Province，in 1986.He received the B.S.degree from Air Force Engineering University in 2008.He is now a graduate student.His research concerns communication and measurement technology application.

Email：zl78901＠163.com

黃珍元（1971—），男，安徽太湖人，高級工程師，主要研究方向為自動化測量技術(shù)；

HUANG Zhen-yuan was born in Taihu，Anhui Province，in 1971.He is now a senior engineer.His research concerns auto measurement technology.

梁俊（1962—），男，江蘇南京人，教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為微波與衛(wèi)星通信。

LIANG Jun was born in Nanjing，Jiangsu Province，in l962.He is now a professor and also the instructor of graduate students.His research interests include microwave and satellite corrmmnication system.

Design of LXI Bus Receiver Modules in Satellite Communication

ZHANG Liang1，HUANG Zhen-yuan2，LIANG Jun1
（1.Telecommunication Engineering Institute，Air Force Engineering University，Xi′an 710077，China；2.The 41st Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Qingdao 266555，China）

The receiver modules are developed based on LXI bus so as to preferably solve the station problem about decentralization and difficult technique guarantee in satellite communication.The down frequency module coverts radio frequency to 21.4 MHz and 7.5 MHz through 4 times frequency conversion.The digitizer module coverts intermediate and analog signals to intermediate and digitalsignals through A／D sampling.Realization of IEEE1588 based on FPGA has achieved 30 ns synchronization.

satellite communication；LXI bus；down frequency module；digitizer module；synthesized instrument

TN915

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.02.021

張亮（1986—），男，陜西三原人，2008年于空軍工程大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向為通信與測量技術(shù)應(yīng)用；

1001-893X（2012）02-0220-05

2011-09-02；

2011-11-22