衛星通信中LXI總線收端模塊設計?

張亮，黃珍元，梁?。?空軍工程大學電訊工程學院，西安70077；.中國電子科技集團公司第四十一研究所，山東青島66555）

衛星通信中LXI總線收端模塊設計?

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

研制了衛星通信中LXI總線收端模塊，較好解決了衛星通信中小站分散、技術保障困難的問題。下變頻模塊采用4次變頻，將射頻信號變為21.4 MHz與7.5 MHz中頻信號。數字化儀模塊A／D采樣，將中頻模擬信號轉換成中頻數字信號。采用FPGA電路輔助的方式實現IEEE1588協議，實現了30 ns同步。

衛星通信；LXI總線；下變頻模塊；數字化儀模塊；合成儀器

1 引言

目前，衛星小站通信裝備因運行時間長，故障較多；值班人員缺乏經驗，不能很好地進行故障判斷；傳統測量儀器在被測件（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月共同合作聯盟提出［1］，全稱為LAN-based Extensions for Instrumentation（局域網技術在儀器領域的擴展）。代表了當前自動化測試系統和虛擬儀器技術的發展趨勢［2］。LXI通過IEEE1588（提供模塊與LAN之間準確同步［3］）和Gigabit Ethernet（千兆網）等關鍵技術應用，有效提升了測量系統同步精度與測量速率，并且隨著硬件觸發和10 Gbit／s（目前40 Gbit／s、100 Gbit／s、160 Gbit／s的LAN工作已經開始［4］）的技術深化，LXI將得到更好的發展。

合成儀器由各種實現基本功能的模塊組成。遠端裝載相應模塊驅動的主控計算機可以通過LAN對各模塊進行控制，同時顯示相關測量波形。當被測件升級時，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 總體實現方案

總體實現方案如圖1所示，可分為控制端和測試端。其中控制端為裝載有相關軟件（如實現頻譜分析、時域分析和信號產生的軟件）的計算機，完成對測試端各測試模塊的參數設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星裝備（被測件，簡稱UUT）組成。下變頻模塊與數字化儀模塊組成的合成儀器為衛星通信中的LXI總線收端模塊（虛框中的模塊用于發信號，考慮到實際用途，可作為后期擴展用）。

衛星小站（測試現場）裝備通過天線接收微波信號，通過矩形波導管傳送至室外單元（ODU）、低噪放（LAN），通過同軸電纜傳輸至室內單元（IDU）。如果小站未能收到遠端發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）輸入輸出端口進行實時測量。通過LAN可將測量結果實時傳輸至控制端，方便控制端專家進行分析判斷，逐一排查故障點。

基于LXI總線的測試模塊前后面板的設計均符合LXI標準，LXI前面板除了包括信號輸入輸出外，還包括電源指示燈、LAN狀態燈、IEEE1588狀態指示燈。

測試現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，將射頻信號轉變為中頻信號送至數字化儀模塊，完成A／D變換，輸出的數字中頻信號送至安裝模塊驅動程序的主控計算機，將現場測試結果近乎實時地顯示出來，如圖2所示。

2.1 下變頻模塊關鍵電路實現

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衰減器后進入寬帶微波SYTX組件（完成選通和濾波功能），經通道開關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組件內部經寬帶YTF濾波后經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，FSIG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的關系，圖3為下變頻模塊關鍵電路。

2.2 數字化儀模塊關鍵電路實現

數字化儀模塊主要包括中頻信號處理通路、高速ADC、基于FPGA（現場可編程門陣列）、DSP（數字信號處理）的數字中頻處理單元等部分［1］。中頻信號處理通路完成預處理、程控增益控制、抗混疊濾波；高速ADC實現模數轉換，將模擬中頻信號轉變為數字中頻信號；數字中頻處理單元的FPGA對高速ADC送出的數字中頻信號進行下變頻、數字濾波等得到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DSP進行本地數據運算，得到分析信號的相關特性。數字化儀模塊最終實現對下變頻模塊輸出模擬中頻信號的數字化處理，方便信息的傳輸與終端顯示。具體實現如圖4所示。

3 關鍵技術

基于LXI自動測量系統，要求各模塊有較高的時鐘同步特性。不同的測量對象與環境對同步精度不盡相同。LXI提供3種觸發，一是經LAN觸發（精度在幾毫秒），二是經LAN接口運行的IEEE1588精密時間協議（精度＜120 ns），三是線觸發接口（LXI觸發總線，精度在幾納秒）。這里采用IEEE1588觸發同步。IEEE1588精密時鐘同步協議（PTP）是一種網絡時間同步協議，是為克服以太網實時性不足而規定的一種對時機制，其原理是由一個精密的事件源周期性地對網絡中所有從時鐘節點進行同步與校正，協議本身并不能提高系統的實時性能，但它可以確定和調整時間達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IEEE1588時鐘同步的方案有兩種，一種是純軟件實現方案，另一種是硬件輔助實現方案，前一種同步精度只能達到毫秒級，而后一種方案能達到納秒級，我們采用FPGA電路輔助的方式實現IEEE1588協議，如圖6所示。

以太網信息幀經過收發器后，將分兩路傳送，一路到達以太網控制器，并由處理器接收處理，另一路將進入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，FPGA電路發送IEEE1588同步信息包的時候也將鎖定信息包的發送時間，因此，與純軟件實現方案相比，FPGA電路可精確記錄各種同步包的發送和接收時間，進而由軟件計算主從時鐘的偏差，從時鐘根據偏差值修正自己的時鐘。

根據以下公式進行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，假定傳輸介質是均勻對稱的，則

根據式（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公司的用以產生主時鐘的IEEE1588卡，從時鐘由測試模塊經主控計算機驅動產生，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。經過觀察，經過10 s左右兩者之間存在約30 ns的相對延時，說明經過軟硬件產生的IEEE1588同步已經達到預期目的。

4 結語

研制LXI收端模塊為解決衛星通信裝備遠程測量打下堅實基礎。中國電子科技集團公司第四十一研究所電子測試技術重點實驗室已經將模塊研發出來，經過測試其同步精度在30 ns左右，滿足衛星通信裝備的測量指標。改進電路和選擇更好精度本振是提高觸發精度的有效途徑。LXI總線繼承了VXI、PXI儀器背板觸發的優點，從而可以很好地滿足測試系統構建的要求，尤其在遠程分布式測試應用中將發揮非常顯著的作用。LXI技術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總線數字化儀模塊設計［J］.電子產品世界，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.模塊化技術在LXI波形發生器控制中的應用［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.思科網絡技術學院教程CCNA1網絡基礎［M］.思科網絡技術學院，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總線標準規范關鍵技術研究［J］.電子測量技術，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；

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

梁?。?962—），男，江蘇南京人，教授、碩士生導師，主要研究方向為微波與衛星通信。

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年于空軍工程大學獲學士學位，現為碩士研究生，主要研究方向為通信與測量技術應用；

1001-893X（2012）02-0220-05

2011-09-02；

2011-11-22