CN103873132A

CN103873132A - 基于PXIe总线的卫星通信系统模拟器

Info

Publication number: CN103873132A
Application number: CN201210537093.2A
Authority: CN
Inventors: 马士全; 姚亮; 许雪梅
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-12-13
Filing date: 2012-12-13
Publication date: 2014-06-18

Abstract

本发明公开了一种基于PXIe总线的卫星通信系统模拟器。所述基于PXIe总线的卫星通信系统模拟器，采用基于PXIe总线的插卡式结构，由上位机软件和硬件信号处理模块组成；硬件信号处理模块包括零槽控制器、时钟同步管理板卡、中频信号产生板卡、中频信号接收板卡、上变频板卡与下变频板卡；上位机软件运行于配置有windows操作系统的零槽控制器上。本发明中各个板卡之间组合方式灵活，能够对卫星通信系统进行全方面的充分测试，同时结合了面向仪器系统的PXIe总线架构的技术优势，使得参考时钟的传输与多个信号板卡以及仪器间的同步更为便利，增强了定时同步功能，利于提高卫星通信系统模拟器的灵活性、兼容性和可扩充性。

Description

基于PXIe总线的卫星通信系统模拟器

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，具体涉及一种基于PXIe总线的卫星通信系统模拟器。

背景技术

在卫星移动通信中，不同种类的收发终端形成了不同种类的电波传输链路，这些不同种类传输链路上的无线电波由于频率和传输环境的不同，导致信号电波传输比较复杂，其主要影响因素有信道衰减、多径传播、多普勒频率等。

对于一种新研发的卫星移动通信系统及其地面仿真验证系统来说，系统性能的测试是一项复杂而艰难的工作，需要在移动环境中进行反复长时间的测试，费时费力而且对测试结果的评价不准确。卫星信道模拟器正式仿真试验系统的一个主要应用，利用通信信道模拟器可以控制改变信道参数，从而了解一种通信系统或通信技术在不同信道条件下的性能、或在同一信道特性条件下进行不同通信设备或通信手段的优缺点分析，从而提高卫星移动通信系统开发的可靠性，缩短研发周期，降低研发成本。

发明内容

为了满足对卫星通信系统模拟器日益增长的功能和性能需求，本发明实施例提出了一种基于PXIe总线的卫星通信系统模拟器，能够模拟卫星移动通信的信道、以及卫星发射的基带信号同时具有调制解调数据的功能,充分结合了面向仪器系统的PXIe总线架构的技术优势，使得参考时钟的传输与多个信号板卡以及仪器间的同步更为便利，增强了定时同步功能，利于提高卫星通信系统模拟器的灵活性、兼容性和可扩充性，同时改进了仪器的模块化、坚固化和机械封装特性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

PXIe总线的卫星通信系统模拟器，采用基于PXIe总线的插卡式结构，由上位机软件和硬件信号处理模块组成；硬件信号处理模块包括零槽控制器、时钟同步管理板卡、中频信号产生板卡、中频信号接收板卡、上变频板卡与下变频板卡；上位机软件运行于配置有windows操作系统的零槽控制器上；零槽控制器运行上位机软件产生相应的卫星数据、发射功率、信号调制方式和信道模型参数控制字，并通过PXIe总线将数据传输至中频信号产生板卡上；中频信号产生板卡在上位机软件的控制下，对卫星数据进行数字化处理并按照零槽控制器指令进行调制，同时对信道模型进行多径干扰选择、时间延迟控制或噪声模型选择处理后进行数模转换产生模拟中频信号；上变频板卡接收中频信号产生板卡的模拟中频信号上变频到指定频点并通过天线或电缆进行发送，同时能够对发射信号进行功率控制；下变频板卡通过天线或电缆接收信号并下变频至中频信号接收板卡能够接收的频点，同时能够对接收信号进行功率控制；中频信号接收板卡接收下变频板卡或中频信号产生板卡传输的模拟中频信号后，经过模数转换、捕获、跟踪与解调处理，并将解调后的数据通过PXIe通信接口传输到零槽控制器上；时钟同步管理板卡利用PXIe总线为中频信号产生板卡、中频信号接收板卡、上变频板卡与下变频板卡提供参考时钟、复位和时基同步信号。

优选地，所述上变频板卡设置有若干种，每一种上变频板卡具有不同的通信频段。

优选地，所述中频信号产生板卡与上变频板卡组成发射机负责信号发射处理，所述中频信号接收板卡与下变频板卡组成接收机负责信号接收处理，上变频板卡的发射信号端通过电缆连接到下变频板卡的接收信号端。

优选地，所述中频信号产生板卡的发送信号端通过电缆与中频信号接收板卡的接收信号端连接，时钟同步管理板卡利用PXIe总线为中频信号产生板卡与中频信号接收板卡提供参考时钟、复位和时基同步信号。

优选地，所述硬件信号处理模块有两组，每一组硬件信号处理模块内部，中频信号产生板卡与上变频板卡组成发射机负责信号发射处理，中频信号接收板卡与下变频板卡组成接收机负责信号接收处理；其中一组硬件信号处理模块内部的上变频板卡的发射信号端通过电缆连接到另外一组硬件信号处理模块内部的下变频板卡的接收信号端，下变频板卡的信号接收信号端通过电缆连接到另一组硬件信号处理模块内部的上变频板卡的发送信号端。

优选地，所述中频信号产生板卡内部设置有PXIe通信控制模块、基带信号处理模块、信道参数控制模块、信道参数处理模块和上变频与数模转换模块，PXIe通信控制模块接收零槽控制器数据并分成两路进行传输，一路用于将数据传输到基带信号处理模块，基带信号处理模块按照零槽控制器的指令对数据进行调制与编码，另一路用于将控制参数传输到信道参数控制模块，信道参数控制模块负责信道多径干扰、时间延迟控制或噪声模型的产生与控制，由基带信号处理模块处理的数据与信道参数控制模块产生的信道模型参数经过信号参数处理模块进行叠加后，进行数模转换产生模拟中频信号。

优选地，所述基带信号处理模块在对数据进行调制与编码时，同时对数据进行压缩与加密操作。

优选地，所述中频信号接收板卡内部设置有PXIe通信控制模块、信号解码模块、信号跟踪模块、信号捕获模块和下变频与模数转换模块，下变频与模数转换模块负责将接收到的模拟中频信号进行数字化转换，然后经过信号捕获、信号跟踪与信道解码，并通过PXIe通信控制模块传输到零槽控制器上。

优选地，所述中频信号产生板卡内部包括PXIe接口电路、DSP信号处理电路、FPGA信号处理电路、SRAM数据存储电路、和数模转换电路，中频信号接收板卡内部包括PXIe接口电路、DSP信号处理电路、FPGA信号处理电路、SRAM数据存储电路、和模数转换电路，FPGA信号处理电路内置PCIe硬核，负责与PXIe通信接口进行通信。

本发明具有如下优点：

（1）本发明述及的基于PXIe总线的卫星通信系统模拟器，能够模拟卫星移动通信的信道、以及卫星发射的基带信号同时具有调制解调数据的功能,充分结合了面向仪器系统的PXIe总线架构的技术优势，使得参考时钟的传输与多个信号板卡以及仪器间的同步更为便利，增强了定时同步功能，利于提高卫星通信系统模拟器的灵活性、兼容性和可扩充性。本发明中板卡组合方式灵活，能够充分对卫星通信系统进行全方面系统测试：首先，中频信号产生板卡和上变频板卡作为发射机，中频信号接收板卡和下变频板卡作为接收机进行单系统的测试，对整个卫星通信系统的误码率等参数进行分析，作为判断系统设计合不合理的一个重要依据；其次，中频信号产生板卡可以直连到中频信号接收板卡上，进行中频信号级的仿真测试，以便完成对基于PXIe总线的卫星通信系统模拟器中各信号产生模块信号编码、信道模型、信号接收模块的信号捕获、信号跟踪、解码等性能的验证；此外，基于PXIe总线的卫星通信系统模拟器，还还以采用两套完整的硬件信号处理模块，对整个卫星系统同时进行发送与接收仿真，借助于PXIe的高效灵活的同步机制，实现对整个卫星上行链路和下行链路的仿真操作。

（2）本发明中述及的上变频板卡设置有若干种，每一种上变频板卡具有不同的通信频段。通过更换上变频板卡就可以模拟仿真不同频段的卫星通信系统，进而降低卫星通信系统模拟器的硬件成本。

（3）本发明中述及的时钟同步管理板卡，保证了基于PXIe总线的多块板卡之间的时钟、复位和时基同步，进而满足卫星通信系统对多板卡时钟同步高精度的要求。

（4）充分利用面向一起系统的PXIe总线架构的技术优势，改进了仪器的模块化、可靠性和机械封装特性。同时大大提高了系统的数据吞吐量，最大可以达到3.2GB/s。

（5）本发明中述及的中频信号产生板卡与中频信号接收板卡均使用了高性能的FPGA和DSP，这种组合使用既简化了硬件设计，缩短了系统的开发时间，同时提高了整个系统的性能，最重要的是可以通过对更改代码来对系统进行重构，具有可重构特性，能够很好满足对卫星通信系统进行全方面测试的需求。

（6）本发明述及的基于PXIe总线的卫星通信系统模拟器，不仅能产生不同调制方式的信号，而且能够根据系统需求很方便地调整系统频点、功率、信道模型等，同时使得模拟器与其他测量仪器设备的集成更为灵活和高效。

（7）本发明采用的PXIe通信接口，是目前测试测量领域最新的高速总线标准，相对现有技术中卫星通信系统普遍采用的PXI接口，最显著的改进和优势在于它融入PCI Express的特点，采用串行传输，点到点的总线拓扑结构；不同于PXI在所有总线设备间分享带宽，PXI Express为每一个设备提供单独的传输通道，同时它所增加的时钟和同步触发信号以及拥有的特殊的接口物理特性使得它在测量、通信、工业自动化等领域拥有更大的技术优势。

附图说明

图1为本发明实施例中基于PXIe总线的卫星通信系统模拟器的结构示意图；

图2为图1中中频信号产生板卡的硬件结构框图；

图3为图1中中频信号接收板卡的硬件结构框图；

图4为图1中中频信号产生板卡的功能模块框图；

图5为图1中中频信号接收板卡的功能模块框图；

图6为图4中信道参数处理模块的功能结构框图；

图7为图1中PXIe通信接口的硬件结构框图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

结合图1所示，基于PXIe总线的卫星通信系统模拟器，采用基于PXIe总线的插卡式结构，由上位机软件和硬件信号处理模块组成，其中硬件信号处理模块包括八个部分：零槽控制器即上位机、中频信号产生板卡、上变频板卡、中频信号接收板卡、下边频板卡、时钟同步管理板卡和PXIe总线背板。

本发明中采用零槽控制器作为上位机，配置有windows操作系统，通过运行上位机软件并对卫星通信系统中各项参数进行选择配置，从而产生相应的卫星通信数据、发射功率、信号调制方式和通信信道参数模型并将其组成数据包。

结合图4所示，中频信号产生板卡主要包括PXIe通信控制模块、基带信号处理模块、信道参数控制模块、信道参数处理模块和上变频与数模转换模块。PXIe通信控制模块主要负责信号传输的正常工作，同时负责将不同的信号传递到不同的模块。基带信号处理模块负责信号的调制与编码，又可以执行数据压缩、数据加密操作，其中，数据压缩模块是为了满足能够在相同条件下传输更多数据以降低通信成本的需要而设计的，数据加密则是为了能够满足通信过程中的保密要求而设计的。信道编码模块的功能是能够使信号通过信道后还能被解码出正确数据。信道参数控制模块负责信道多普勒效应、时间延迟、多径干扰和噪声干扰等信道模型的产生与控制，信道参数处理模块的功能结构框图如图6所示。

如果选择模拟卫星信号发射系统，则零槽控制器通过PXIe总线将产生的上述数据下传到中频信号产生板卡上，中频信号产生板卡首先对数据进行解码，将其中的控制参数传送到信道参数控制模块，将数据传送到基带信号处理模块。通过各模块对数据进行处理后，再经过上变频处理和数模转换，信号由基带数字信号变成了中频模拟信号。将产生的中频模拟信号送至上变频板卡，上变频板卡对其进行上变频道通信所需要的频点，然后通过电缆或者天线发送至被测设备中。通信的频带是可以通过更换不同的上变频板卡进行配置的，从而达到了只更换上变频板卡就可以模拟仿真不同频段的卫星通信系统，降低了硬件成本。

结合图5所示，中频信号接收板卡主要包括PXIe通信控制模块、信号解码模块、信号跟踪模块、信号捕获模块和下变频与模数转换模块。信号捕获模块主要负责对信号进行捕获，接收机在跟踪信号之前先要捕获信号，从中可以粗略地估算出卫星的信号参数值，以帮助接收系统跟踪环路并开始跟踪信号；接收系统在捕获信号时首先需要估算出接收信号的载波频率和码相位这两个参数，然后根据这新信号参数估计值初始化跟踪环路，以帮助接收通道展开对信号的跟踪；信号跟踪模块分为两部分，首先是载波跟踪，捕获模块在捕获到信号后需要牵引到跟踪模块，通过与本地产生的载波进行鉴相，经环路滤波器、压控振荡器持续调整本地载波与接收到的信号保持相同的频率，从而达到跟踪载波的目的，其次是码跟踪，类似的，码环将通过复制一个与接收信号中的伪码相位一致的伪码，然后让接收信号与复制伪码相乘相关，以剥离接收信号中的伪码，跟踪完成后则进入信号解码阶段，需要解码模块与相应的编码模块类型一致、顺序相反，否则会出现解码错误甚至解不出数据。

如果选择模拟卫星信号接收系统，则信号首先通过下变频板卡进行下变频，将其变频至中频信号接收板卡能够接收的频点，再经过中频信号接收板卡，在中频信号接收板卡中信号首先进行下变频和模数转换，将模拟信号转换成数字信号，然后对信号进行捕获、跟踪、解码，最后将解码后的数据通过PXIe通信控制模块上传至零槽控制器，在零槽控制器中对接收到的数据进行后处理，进而对整个卫星通信系统性能做出合理的评价。

中频信号产生板卡和中频信号接收板卡的硬件结构图如图2、图3所示，其中，中频信号产生板卡内部包括PXIe接口电路、DSP信号处理电路、FPGA信号处理电路、SRAM数据存储电路、和数模转换电路，中频信号接收板卡内部包括PXIe接口电路、DSP信号处理电路、FPGA信号处理电路、SRAM数据存储电路、和模数转换电路，FPGA信号处理电路内置PCIe硬核，负责与PXIe通信接口进行通信。

高性能的FPGA和DSP的组合使用既简化了硬件设计，缩短了系统的开发时间，同时提高了整个系统的性能，最重要的是可以通过对更改代码来对系统进行重构，具有可重构特性，能够很好满足对卫星通信系统进行全方面测试的需求。

结合图7所示，PXIe通信接口是目前测试测量领域最新的高速总线标准，相对PXI最显著的改进和优势就在于它融入PCI Express的特点，采用串行传输，点到点的总线拓扑结构。不同于PXI在所有总线设备间分享带宽，PXI Express为每一个设备提供单独的传输通道。同时它所增加的时钟和同步触发信号以及拥有的特殊的接口物理特性使得它在测量、通信、工业自动化等领域拥有更大的技术优势。由于卫星通信过程中，有时候需要有非常大的数据量，为了能够使得卫星通信系统模拟器具有更广泛的应用，需要采用一种数据率较高的总线来传输数据；同时，由于整个模拟器中有多块板卡，而卫星通信中对时间同步要求非常高；基于以上两点要求本发明选用了PXIe总线作为整个系统的通信方式。PXIe的通信信号采用的是PCI express的协议。本实施例中采用FPGA内置的PCIE硬核，通过对硬核接口的控制来达到对整个通信过程的控制。其主要包括PCIE内核接口的控制处理、接收信号解码和传输信号编码三个部分。

本发明述及的基于PXIe总线的卫星通信系统模拟器，具有非常灵活的组合方式。首先可以是中频信号产生板卡和上变频板卡作为发射机，中频信号接收板卡和下变频板卡作为接收机进行单系统的测试：测试时，由零槽控制器产生相应的数据，发送到中频信号产生板卡上，经信号基带处理、信道模型处理，最后经上变频卡调制到所需要的频点，然后将上变频板卡的发射接口直接连接到下变频板卡的接收信号端，经下变频处理，然后信号进行捕获、跟踪，进而解调出数据并上传到上位机，上位机可以根据发射的数据与接收到的数据进行对比，从而仿真出整个系统的误码率等参数，作为判断系统设计合不合理的依据之一。

其次还可以将中频信号产生板卡的输出接口直接连接到中频信号接收板卡，这样连接可以验证系统中信号产生模块的信号编码、信道模型，信号接收模块的信号捕获、信号接收、解码等的性能。

同时，基于PXIe总线的卫星通信系统模拟器还可以采用两套完整的硬件信号处理模块对整个卫星系统进行接收发送同时仿真：每一套硬件信号处理模块内部，中频信号产生板卡与上变频板卡组成发射机负责信号发射处理，中频信号接收板卡与下变频板卡组成接收机负责信号接收处理；其中一组硬件信号处理模块内部的上变频板卡的发射信号端通过电缆连接到另外一组硬件信号处理模块内部的下变频板卡的接收信号端，下变频板卡的信号接收信号端通过电缆连接到另一组硬件信号处理模块内部的上变频板卡的发送信号端，借助PXIe的高效灵活的同步机制，能够实现整个卫星上行链路和下行链路的仿真。

以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims

1.基于PXIe总线的卫星通信系统模拟器，其特征在于，采用基于PXIe总线的插卡式结构，由上位机软件和硬件信号处理模块组成；硬件信号处理模块包括零槽控制器、时钟同步管理板卡、中频信号产生板卡、中频信号接收板卡、上变频板卡与下变频板卡；上位机软件运行于配置有windows操作系统的零槽控制器上；零槽控制器运行上位机软件产生相应的卫星数据、发射功率、信号调制方式和信道模型参数控制字，并通过PXIe总线将数据传输至中频信号产生板卡上；中频信号产生板卡在上位机软件的控制下，对卫星数据进行数字化处理并按照零槽控制器指令进行调制，同时对信道模型进行多径干扰选择、时间延迟控制或噪声模型选择处理后进行数模转换产生模拟中频信号；上变频板卡接收中频信号产生板卡的模拟中频信号上变频到指定频点并通过天线或电缆进行发送，同时能够对发射信号进行功率控制；下变频板卡通过天线或电缆接收信号并下变频至中频信号接收板卡能够接收的频点，同时能够对接收信号进行功率控制；中频信号接收板卡接收下变频板卡或中频信号产生板卡传输的模拟中频信号后，经过模数转换、捕获、跟踪与解调处理，并将解调后的数据通过PXIe通信接口传输到零槽控制器上；时钟同步管理板卡利用PXIe总线为中频信号产生板卡、中频信号接收板卡、上变频板卡与下变频板卡提供参考时钟、复位和时基同步信号。

2.根据权利要求1所述的基于PXIe总线的卫星通信系统模拟器，其特征在于，所述上变频板卡设置有若干种，每一种上变频板卡具有不同的通信频段。

3.根据权利要求1所述的基于PXIe总线的卫星通信系统模拟器，其特征在于，所述中频信号产生板卡与上变频板卡组成发射机负责信号发射处理，所述中频信号接收板卡与下变频板卡组成接收机负责信号接收处理，上变频板卡的发射信号端通过电缆连接到下变频板卡的接收信号端。

4.根据权利要求1所述的基于PXIe总线的卫星通信系统模拟器，其特征在于，所述中频信号产生板卡的发送信号端通过电缆与中频信号接收板卡的接收信号端连接，时钟同步管理板卡利用PXIe总线为中频信号产生板卡与中频信号接收板卡提供参考时钟、复位和时基同步信号。

5.根据权利要求1所述的基于PXIe总线的卫星通信系统模拟器，其特征在于，所述硬件信号处理模块有两组，每一组硬件信号处理模块内部，中频信号产生板卡与上变频板卡组成发射机负责信号发射处理，中频信号接收板卡与下变频板卡组成接收机负责信号接收处理；其中一组硬件信号处理模块内部的上变频板卡的发射信号端通过电缆连接到另外一组硬件信号处理模块内部的下变频板卡的接收信号端，下变频板卡的信号接收信号端通过电缆连接到另一组硬件信号处理模块内部的上变频板卡的发送信号端。

6.根据权利要求1至5任一项所述的基于PXIe总线的卫星通信系统模拟器，其特征在于，所述中频信号产生板卡内部设置有PXIe通信控制模块、基带信号处理模块、信道参数控制模块、信道参数处理模块和上变频与数模转换模块，PXIe通信控制模块接收零槽控制器数据并分成两路进行传输，一路用于将数据传输到基带信号处理模块，基带信号处理模块按照零槽控制器的指令对数据进行调制与编码，另一路用于将控制参数传输到信道参数控制模块，信道参数控制模块负责信道多径干扰、时间延迟控制或噪声模型的产生与控制，由基带信号处理模块处理的数据与信道参数控制模块产生的信道模型参数经过信号参数处理模块进行叠加后，进行数模转换产生模拟中频信号。

7.根据权利要求6所述的基于PXIe总线的卫星通信系统模拟器，其特征在于，所述基带信号处理模块在对数据进行调制与编码时，同时对数据进行压缩与加密操作。

8.根据权利要求1至5任一项所述的基于PXIe总线的卫星通信系统模拟器，其特征在于，所述中频信号接收板卡内部设置有PXIe通信控制模块、信号解码模块、信号跟踪模块、信号捕获模块和下变频与模数转换模块，下变频与模数转换模块负责将接收到的模拟中频信号进行数字化转换，然后经过信号捕获、信号跟踪与信道解码，并通过PXIe通信控制模块传输到零槽控制器上。

9.根据权利要求1所述的基于PXIe总线的卫星通信系统模拟器，其特征在于，所述中频信号产生板卡内部包括PXIe接口电路、DSP信号处理电路、FPGA信号处理电路、SRAM数据存储电路、和数模转换电路，中频信号接收板卡内部包括PXIe接口电路、DSP信号处理电路、FPGA信号处理电路、SRAM数据存储电路、和模数转换电路，FPGA信号处理电路内置PCIe硬核，负责与PXIe通信接口进行通信。