卫星通信中LXI总线收端模块设计✴

张亮，黄珍元，梁俊（.空军工程大学电讯工程学院，西安70077；.中国电子科技集团公司第四十一研究所，山东青岛66555）

卫星通信中LXI总线收端模块设计✴

张亮1，黄珍元2，梁俊1
（1.空军工程大学电讯工程学院，西安710077；2.中国电子科技集团公司第四十一研究所，山东青岛266555）

研制了卫星通信中LXI总线收端模块，较好解决了卫星通信中小站分散、技术保障困难的问题。下变频模块采用4次变频，将射频信号变为21.4 MHz与7.5 MHz中频信号。数字化仪模块A／D采样，将中频模拟信号转换成中频数字信号。采用FPGA电路辅助的方式实现IEEE1588协议，实现了30 ns同步。

卫星通信；LXI总线；下变频模块；数字化仪模块；合成仪器

1 引言

目前，卫星小站通信装备因运行时间长，故障较多；值班人员缺乏经验，不能很好地进行故障判断；传统测量仪器在被测件（UUT）升级后，往往不能满足测试要求，需重新购置。针对上述问题，研制基于LXI总线的合成仪器十分必要。

LXI总线由安捷伦公司和VXI科技公司成立于2004年9月共同合作联盟提出［1］，全称为LAN-based Extensions for Instrumentation（局域网技术在仪器领域的扩展）。代表了当前自动化测试系统和虚拟仪器技术的发展趋势［2］。LXI通过IEEE1588（提供模块与LAN之间准确同步［3］）和Gigabit Ethernet（千兆网）等关键技术应用，有效提升了测量系统同步精度与测量速率，并且随着硬件触发和10 Gbit／s（目前40 Gbit／s、100 Gbit／s、160 Gbit／s的LAN工作已经开始［4］）的技术深化，LXI将得到更好的发展。

合成仪器由各种实现基本功能的模块组成。远端装载相应模块驱动的主控计算机可以通过LAN对各模块进行控制，同时显示相关测量波形。当被测件升级时，只需更换部分模块便可完成测量仪器的升级，降低了资金投入。

2 总体实现方案

总体实现方案如图1所示，可分为控制端和测试端。其中控制端为装载有相关软件（如实现频谱分析、时域分析和信号产生的软件）的计算机，完成对测试端各测试模块的参数设置和输出波形实时显示。测试端由基于LXI总线的各测试模块和通过接口适配器连接的卫星装备（被测件，简称UUT）组成。下变频模块与数字化仪模块组成的合成仪器为卫星通信中的LXI总线收端模块（虚框中的模块用于发信号，考虑到实际用途，可作为后期扩展用）。

卫星小站（测试现场）装备通过天线接收微波信号，通过矩形波导管传送至室外单元（ODU）、低噪放（LAN），通过同轴电缆传输至室内单元（IDU）。如果小站未能收到远端发送信号或终端显示异常，可用基于LXI总线收端模块对各被测件（ODU、LAN、IDU等）输入输出端口进行实时测量。通过LAN可将测量结果实时传输至控制端，方便控制端专家进行分析判断，逐一排查故障点。

基于LXI总线的测试模块前后面板的设计均符合LXI标准，LXI前面板除了包括信号输入输出外，还包括电源指示灯、LAN状态灯、IEEE1588状态指示灯。

测试现场信号通过同轴电缆、适配器传至下变频模块，下变频模块通过4次变频，将射频信号转变为中频信号送至数字化仪模块，完成A／D变换，输出的数字中频信号送至安装模块驱动程序的主控计算机，将现场测试结果近乎实时地显示出来，如图2所示。

2.1 下变频模块关键电路实现

下变频模块将采用4级变频方案，3 Hz～26.5 GHz的信号通过程控步进衰减器后进入宽带微波SYTX组件（完成选通和滤波功能），经通道开关将信号分为低频段和高频段两路，3 Hz～4 GHz的低频段信号通过4 GHz低通滤波器后进入低频段组件模块，低频段变频组件包含两个变频器，一个是扫本振的变频器，另一个是固定中频变频器，通过扫描本振信号，将输入信号频率变换为4.921 4 GHz的第一中频信号，第一中频经过放大和带通滤波后与固定频率4.6 GHz的本振信号混频后输出321.4 MHz的第二中频信号；高频段的输入信号在SYTX组件内部经宽带YTF滤波后经过一次变频同样输出321.4 MHz的中频信号。

321.4MHz的中频信号经过放大和滤波后与300 MHz的本振信号混频后输出21.4 MHz的第三中频信号，21.4 MHz的信号与28.9 MHz的本振混频后输出7.5 MHz的中频信号。

在上述公式中，FSIG表示射频输入信号频率；F1stIF表示0频段1中频信号频率，该频率为固定的4.921 4 GHz；F2ndIF表示2中频信号频率，该频率为固定的321.4 MHz。

表1给出了不同频段射频信号和混频谐波次数的关系，图3为下变频模块关键电路。

2.2 数字化仪模块关键电路实现

数字化仪模块主要包括中频信号处理通路、高速ADC、基于FPGA（现场可编程门阵列）、DSP（数字信号处理）的数字中频处理单元等部分［1］。中频信号处理通路完成预处理、程控增益控制、抗混叠滤波；高速ADC实现模数转换，将模拟中频信号转变为数字中频信号；数字中频处理单元的FPGA对高速ADC送出的数字中频信号进行下变频、数字滤波等得到I、Q（同相与正交）两路信号，一方面I、Q两路信号可直接输出，另一方面I、Q两路信号经DSP进行本地数据运算，得到分析信号的相关特性。数字化仪模块最终实现对下变频模块输出模拟中频信号的数字化处理，方便信息的传输与终端显示。具体实现如图4所示。

3 关键技术

基于LXI自动测量系统，要求各模块有较高的时钟同步特性。不同的测量对象与环境对同步精度不尽相同。LXI提供3种触发，一是经LAN触发（精度在几毫秒），二是经LAN接口运行的IEEE1588精密时间协议（精度＜120 ns），三是线触发接口（LXI触发总线，精度在几纳秒）。这里采用IEEE1588触发同步。IEEE1588精密时钟同步协议（PTP）是一种网络时间同步协议，是为克服以太网实时性不足而规定的一种对时机制，其原理是由一个精密的事件源周期性地对网络中所有从时钟节点进行同步与校正，协议本身并不能提高系统的实时性能，但它可以确定和调整时间达到更精确的时间间隔，从而获得实时行为［5］。IEEE1588同步原理如图5所示。实现IEEE1588时钟同步的方案有两种，一种是纯软件实现方案，另一种是硬件辅助实现方案，前一种同步精度只能达到毫秒级，而后一种方案能达到纳秒级，我们采用FPGA电路辅助的方式实现IEEE1588协议，如图6所示。

以太网信息帧经过收发器后，将分两路传送，一路到达以太网控制器，并由处理器接收处理，另一路将进入FPGA电路。FPGA的信息包识别电路将检测该信息帧是否是IEEE1588同步信息包，如果是同步信息包，则锁定定时器的值。由于定时器的时钟由本地晶振提供，因此定时器的值代表本地时间，处理器可随时读取该时间。同时，FPGA电路发送IEEE1588同步信息包的时候也将锁定信息包的发送时间，因此，与纯软件实现方案相比，FPGA电路可精确记录各种同步包的发送和接收时间，进而由软件计算主从时钟的偏差，从时钟根据偏差值修正自己的时钟。

根据以下公式进行PTP偏移量计算：

式中，one-way-delay是主时钟与从时钟之间的传输时延，假定传输介质是均匀对称的，则

根据式（5）可以算得各从时钟与主时钟的偏移。

为验证IEEE1588同步精度，搭建如图7所示测试平台。

平台由装有NI公司的用以产生主时钟的IEEE1588卡，从时钟由测试模块经主控计算机驱动产生，以此验证测试模块的同步精度。分别将主时钟和从时钟信号接到示波器上，显示实时波形。经过观察，经过10 s左右两者之间存在约30 ns的相对延时，说明经过软硬件产生的IEEE1588同步已经达到预期目的。

4 结语

研制LXI收端模块为解决卫星通信装备远程测量打下坚实基础。中国电子科技集团公司第四十一研究所电子测试技术重点实验室已经将模块研发出来，经过测试其同步精度在30 ns左右，满足卫星通信装备的测量指标。改进电路和选择更好精度本振是提高触发精度的有效途径。LXI总线继承了VXI、PXI仪器背板触发的优点，从而可以很好地满足测试系统构建的要求，尤其在远程分布式测试应用中将发挥非常显著的作用。LXI技术将以更低的成本提供更好的性能、兼容性和易用性［6］。

［1］杨江涛，黄珍元.LXI总线数字化仪模块设计［J］.电子产品世界，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］刘建勋，潘仲明，郭伟，等.模块化技术在LXI波形发生器控制中的应用［J］.计算机测量与控制，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.思科网络技术学院教程CCNA1网络基础［M］.思科网络技术学院，译.北京：人民邮电出版社，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］李鸣，高娜，江义东.LXI总线标准规范关键技术研究［J］.电子测量技术，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

黄珍元（1971—），男，安徽太湖人，高级工程师，主要研究方向为自动化测量技术；

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，江苏南京人，教授、硕士生导师，主要研究方向为微波与卫星通信。

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

张亮（1986—），男，陕西三原人，2008年于空军工程大学获学士学位，现为硕士研究生，主要研究方向为通信与测量技术应用；

1001-893X（2012）02-0220-05

2011-09-02；

2011-11-22