基于PXIe总线的GNSS信号模拟器及其实现方法

专利名称：基于PXIe总线的GNSS信号模拟器及其实现方法
技术领域：
本发明涉及卫星导航领域，尤其涉及一种基于PXIe(PXI EXPRESS, PCIeXtensions for Instrumentation)总线的GNSS (Global Navigation SatelliteSystem，全球导航卫星 系统)信号模拟器及其实现方法。
背景技术：
GNSS信号模拟器可以模拟产生GNSS星座所发播的、经过空间传播到达接收机的 卫星导航信号，用来在实验室环境下提供用户可定义的、可重复的测试场景，是卫星导航系 统的各种信号试验和接收机测试不可或缺的仪器设备。 国内外已陆续研制出多种型号的GPS/GL0NASS/Galileo/北斗信号模拟器，这些 模拟器有单通道多通道之分，多采用计算机插卡式或独立机箱的嵌入式系统架构，但其系 统结构的灵活性及可扩充性受限于旧的接口或总线技术以及已有的空间信号定义，使其在 模拟多星座、多频点、新的GNSS信号结构以及多径和干扰信号时有很大的局限性。随着现 有GNSS系统的升级换代和新系统的建设热潮，以及高性能总线技术的发展，迫切需要一种 能够充分发挥新技术优势、兼容多种信号体制、支持新系统多系统组合导航试验、并具备高 灵活性及高可扩充性的卫星导航信号模拟器。 目前国际国内还未检索到关于基于PXIe总线的GNSS信号模拟器系统及方法的报 道。

发明内容
为了满足对卫星导航信号模拟器的日益增长的功能和性能要求，本发明提出基 于PXIe总线的GNSS信号模拟器及其实现方法。该模拟器系统及方法在继承本单位已申 请专利《多级输出BD2/GPS/Galileo卫星导航信号模拟器及其信号产生方法》(申请号 200810132412. 5)兼容BD-2/GPS/Galileo多系统多频点多信号、具备多通道多级输出测试 能力以及多种动态和干扰信号表示能力的基础上，充分结合面向仪器系统的PXIe总线架 构的技术优势，使参考时钟信号的传输以及多个信号发生器板卡以至多仪器间的同步更为 便利，增强了定时同步性能，提高了系统的灵活性、兼容性和可扩充性，同时改进了仪器的 模块化、坚固性和机械封装特性。本发明不仅能产生基于现有信号体制的支持组合导航的 多星座、多频点的卫星导航信号，而且能很方便地增减星座和频点的数量、改变信号的调制 方式以实现对未来信号体制的支持，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。 本发明的目的是通过以下技术方案实现的 采用基于PXIe总线的插卡式结构，由硬件信号发生器和上位机软件组成。硬件 信号发生器由同步控制卡、中频调制器卡、上变频器卡、合路器卡组成，采用板卡形式插入 标准PXIe机箱中；取决于仪器配置规模所对应的计算负荷的大小，上位机软件即可运行于 配备Windows的PXIe嵌入式控制器卡上，也可运行于通过接口电缆与PXIe机箱连接的计算机上。中频调制器卡在上位机软件控制下产生模拟中频信号，通过上变频器卡上变频至
L波段的指定频点。由位于PXIe机箱SYSTEM TMING插槽的同步控制卡为所有板卡提供
10MHz参考时钟、复位和时基同步信号，并利用PXIe总线传送这些信号。由合路器将多星
座、多频点的卫星信号合路输出，并通过功分器分为两路信号，其中一路通过固定值衰减器
衰减后输出小功率信号，另一路直接输出用于自校和测试的大功率信号。 所述的硬件信号发生器中一块中频调制器卡和两块上变频器卡为一组，每组能模
拟产生两个频点的卫星信号；可通过增加板卡数量的方式扩充系统所模拟的星座及频点数
量，单机箱仪器所能模拟星座及频点数仅受所使用的PXIe机箱插槽数的限制；通过同步控
制卡可提供统一的复位、时钟和时基信号，并支持多机箱扩展。 所述的位于机箱SYSTEM TMING插槽的同步控制卡具有板载0CX0，同时该板卡亦 可连接外频标，并可以通过软件选择使用板载OCXO或外频标来产生10MHz参考时钟，所产 生的参考时钟与PXIe总线的PXI_CLK10_IN信号线相连接。亦可通过软件选择使用PXIe 机箱所提供的10MHz参考时钟。10MHz参考时钟通过PXIe总线的PXI_CLK10信号线连接至 各板卡，可以保证所有板卡的参考时钟是同步的。 位于机箱SYSTEM TMING插槽的同步控制卡可产生同步复位信号，通过PXIe总线 的PXI—STAR单端星型触发线连接至各板卡，可使用软件或机械按钮作为复位源使所有板 卡实现同步软复位或同步硬复位。 位于机箱SYSTEM TMING插槽的同步控制卡可产生时基同步信号，该时基同步信 号包括但不限于根据外部输入的秒脉冲信号(或根据同步控制卡所产生的秒脉冲信号)所 生成的上位机传输中断时基信号和中频调制器卡信号状态更新时基信号。时基同步信号通 过PXIe总线的PXIe—DSTAR差分星型触发线组连接至各板卡，可保证各板卡间的时基同步； 时基同步信号的产生可通过上位机软件进行控制。 位于机箱SYSTEM TMING插槽的同步控制卡具有秒脉冲输入、输出端口 ，用于实现 与其它设备间的同步。当IPPS入端口有秒脉冲信号输入时，同步控制卡可以通过调整时钟 相位使其产生的参考时钟信号边沿与输入的秒脉冲对齐；当1PPS入端口没有秒脉冲信号 输入时，同步控制卡可产生与参考时钟信号及所模拟的选定基准时间系统整秒时刻边沿对 齐的秒脉冲信号，并通过ipps出端口输出。 所述的中频调制器卡接收来自同步控制卡的参考时钟、复位和同步信号，并根据 从上位机软件接收到的卫星观测数据和导航电文完成各系统各频点各信号分量各可见卫 星对应通道的信号调制，实现多普勒、码相位、载波相位和相对电平的精确控制，生成指定 的模拟中频信号输出；同时根据上位机软件发送的信号控制信息对所连接的上变频器卡通 过PXIe总线Local Bus发出频点和功率控制指令。 所述的上变频器卡根据来自PXIe总线Local Bus的频点和功率控制指令将输入 的模拟中频信号通过正交调制的方式变频至L波段的指定频点，并对射频信号的功率在一 定的范围内进行控制，同时将本振锁定状态通过Local Bus传回给中频调制器卡。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，与国内外已有的GNSS信号模拟器相比， 本发明实施例提供的GNSS信号模拟器具有以下技术优点 (1)先进的同步机制保证了多块板卡之间的时钟、复位和时基同步，因而能够使 用多块板卡实现对多星座、多频点卫星导航信号的模拟，并通过对时钟、复位和时基同步信号的控制为模拟支持组合导航验证的信号提供完善的支持。
(2)高度的灵活性、可定制性及可扩充性上位机软件的运行平台、硬件信号发生
器的板卡数量均可定制；不仅能产生基于现有信号体制的支持组合导航的多星座、多频点
的卫星导航信号，而且能很方便地增减星座和频点的数量、改变信号的调制方式以实现对
未来信号体制的支持，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。
(3)充分利用面向仪器系统的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。


下面结合附图对本发明进一步说明。 图1为本发明实施例提供的GNSS信号模拟器系统结构示意图； 图2为本发明实施例提供的系统功能模块及模块间接口信号示意图； 图3为本发明实施例提供的一种中频调制器卡的结构示意图； 图4为本发明实施例提供的一种上变频器卡的结构示意图； 图5为本发明实施例提供的一种同步控制卡的结构示意图； 图6为本发明实施例中一种同步控制卡的时钟相位调整流程图。
具体实施例方式
下面结合附图来详细说明本发明，本发明实施例所述GNSS信号模拟器的结构示 意图如图l所示，主要包括如下六个部分PXIe机箱、PXIe嵌入式控制器卡(或可替换的通 过接口电缆与PXIe机箱连接的计算机)、同步控制卡、上变频器卡、中频调制器卡以及合路 器/功分器。 在图1中，PXIe机箱为满足PXIe规范要求的标准机箱，机箱的插槽数量决定了单 机箱模拟器最多能产生的星座、频点的数量。PXIe嵌入式控制器卡为配备Windows并适用 于PXIe总线的嵌入式控制器卡，用来运行上位机软件，并通过PXIe总线对硬件信号发生器 进行控制；当配置的星座和频点规模增大到一定程度时，可以将PXIe嵌入式控制器卡替换 为通过接口电缆连接到PXIe机箱中的计算机来运行上位机软件以实现对硬件信号发生器 的控制及友好的人机界面。每个机箱中硬件信号发生器由一块同步控制卡、多块中频调制 器卡、上变频器卡和合路器卡组成。其中同步控制卡插在机箱的SYSTEM TMING插槽中，通 过PXIe总线与上位机软件通信，根据上位机所发送的时钟及同步信号控制信息来产生系 统参考时钟、复位和时基同步信号。中频调制器卡和上变频器卡用来产生所仿真的物理信 号，每块中频调制器卡可以产生两个频点的模拟中频信号，每块上变频器卡可以将一个频 点的模拟中频信号上变频至L波段指定频点，故一块中频调制器卡和两块上变频器卡为一 组，在增减板卡数量时应以组为单位。所有上变频器卡输出的射频信号使用合路器合路，并 通过功分器分为两路信号，其中一路通过固定值衰减器衰减后输出，另一路直接输出。
本发明实施例提供的系统功能模块及模块间接口信号如图2所示，上位机软件通 过PXIe总线将卫星观测数据、导航电文发送给中频调制器卡，中频调制器卡根据卫星观测 数据和导航电文产生模拟中频信号。中频调制器卡与上变频器卡使用同轴电缆连接，由上 变频器卡将模拟中频变频至L波段的指定频点。中频调制器卡根据上位机软件发送的信号控制信息，通过PXIe总线的Local Bus信号线对上变频器卡所产生信号的频点和功率进行 控制。每块中频调制器卡可以产生两个频点的模拟中频信号，并可以和两块上变频器卡连 接，从而产生两个频点的射频信号。由图l可以看到中频调制器卡插在两块上变频器卡的 中间，这种安排是因为每块中频调制器卡要通过Local Bus控制两块上变频器卡，而PXIe 规范规定Local Bus仅连接相邻的两个插槽，同时这样安排还能使传输两路模拟中频信号 的同轴电缆的等长更容易实现。上位机软件通过PXIe总线将参考时钟生成的控制信息发 送给位于PXIe机箱SYSTEM TIMING插槽的同步控制卡，同步控制卡根据该控制信息选择使 用板载频标或外频标产生10MHz的时钟信号，并将时钟信号线与PXIe总线的PXI_CLK10_IN 相连接，该信号将在机箱时钟电路的控制下通过PXIe总线的PXI_CLK10信号线发送到各板 卡。同步信号由同步控制卡根据上位机软件发送的同步信号控制信息产生，通过PXIe总线 的星型触发线(StarTrigger)传送至其他各板卡。PXIe总线的星型触发线有两种， 一种为 传输单端信号的PXI—STAR信号线，另一种为传输差分信号的PXIe—DSTAR信号线，其中PML STAR信号线用来传输同步复位信号，PXIe—DSTAR用来传输时基同步信号。同步复位信号的 复位源可以是上位机软件或机械按钮。 本发明实施例提供的一种中频调制器卡的结构如图3所示。中频调制器卡的主要 作用是根据从上位机软件接收到的卫星观测数据和导航电文完成各系统各频点各信号分 量各可见卫星对应通道的扩频调制、副载波调制和载波调制，实现不同通道信号的多普勒、 码相位、载波相位和相对电平的精确控制；并经数字合路、数字上变频、DAC、放大和滤波生 成指定的模拟中频级信号输出。同时，中频调制器卡还要根据上位机软件发送的信号控制 信息对所连接的上变频器卡进行控制。中频调制器卡除直接接收来自上位机软件的卫星观 测数据、导航电文及信号控制信息外，还接收来自同步控制卡的10MHz参考时钟、复位和时 基同步信号，以保证所有中频调制器卡之间的同步动作。 本发明实施例提供的一种上变频器卡的结构如图4所示。上变频器卡的作用是 根据控制指令将接收到的模拟中频信号通过正交调制的方式变频至L波段的指定频点，并 对射频信号的功率在一定的范围内进行控制。在本发明的实施例中，中频调制器卡将上位 机软件所发送的信号控制信息译码为控制指令，通过PXIe总线Local Bus中的PXI_LBL6、 PXI_LBR6信号线发送给上变频器卡，从而实现对上变频器卡所产生信号的频点和功率的控 制。上变频器卡上的微控制器用作指令译码，将接收到的指令翻译成控制信号对具体的电 路进行控制。上变频器卡上的本振合成电路可根据指令改变本振的频点，正交调制器、自动 增益控制电路及功率控制电路都可以根据指令打开或者关闭，本振锁定状态可通过Local Bus传回给中频调制器卡。 本发明实施例提供的一种同步控制卡的结构如图5所示。同步控制卡用来产生 10MHz参考时钟、复位和时基同步信号。PXIe总线的PXI—CLK10JN信号线与一个SP4T的开 关相连，可通过控制该开关选择10MHz参考时钟的源。SP4T开关的4个端口中分别与外频 标、板载恒温晶体振荡器(0CX0， 0ven-Controlled Crystal0scillator) 、 FPGA和时钟综合 器相连。当选择FPGA的输出为时钟源，并将FPGA的输出脚设为高阻时，将使用机箱提供的 10MHz时钟作为参考时钟。因为FPGA和时钟综合器所产生的时钟信号的相位可控，故当选 择FPGA或时钟综合器作为时钟源且秒脉冲(1PPS)入端口有秒脉冲信号输入时可将10MHz 参考时钟的边沿与秒脉冲信号对齐，从而实现系统与其他设备的同步。时钟相位的调整过程如图6所示。当1PPS入端口无信号时，同步控制卡将产生与10MHz参考时钟边沿及所模 拟的选定基准时间系统整秒时刻对齐的秒脉冲信号并通过1PPS出端口输出，该输出可作 为其它设备的同步基准。同步控制卡具有lOMHz板载OCXO，故当选择FPGA或时钟综合器 的输出作为时钟源时可选择使用板载OCXO或外频标作为频率标准。同步控制卡所产生的 10腿z参考时钟由PXIe总线的PXI_CLK10信号线传输至各板卡，根据PXIe规范，所有标准 PXIe机箱中PXI_CLK10信号线由机箱的时钟扇出器到所有插槽的走线等长，故可以保证所 有板卡的参考时钟是同步的。同步控制卡还可以根据复位源的动作通过PXI—STAR信号线 使系统中所有的板卡复位，这个复位源可以是上位机软件也可以是位于同步控制卡上的复 位按钮，由于PXIe规范规定在所有PXIe标准机箱中PXI_STAR由SYSTEM TIMING插槽到所 有插槽的走线等长，故可以保证各板卡复位的同步性。同时，同步控制卡可以根据外部输入 的秒脉冲信号(或同步控制卡产生的秒脉冲信号)产生时基同步信号，该时基同步信号包 括但不限于上位机传输中断时基信号和中频调制器卡信号状态更新时基信号。时基同步信 号通过PXIe—DSTAR差分星型触发线组传送至各板卡，同样，在标准PXIe机箱中PXIe—DSTAR 差分星型触发线组由SYSTEM TMING插槽到所有插槽的走线等长，可保证各板卡间的时基 同步。标准PXIe机箱中具有3对PXIe_DSTAR信号线，在本发明的实施例中同步控制卡和 所有中频调制器卡都连接了全部的3对PXIe—DSTAR信号线，所以在需要时可以利用冗余的 PXIe—DSTAR差分星型触发线实现复杂的同步机制。同步控制卡的所有参数可以由上位机软 件进行设置，并通过PXIe总线传送给同步控制卡。
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权利要求
一种基于PXIe总线的GNSS信号模拟器，其特征在于，采用基于PXIe总线的插卡式结构，由硬件信号发生器和上位机软件组成。硬件信号发生器由同步控制卡、中频调制器卡、上变频器卡、合路器卡组成，采用板卡形式插入标准PXIe机箱中；取决于仪器配置规模所对应的计算负荷的大小，上位机软件即可运行于配备Windows的PXIe嵌入式控制器卡上，也可运行于通过接口电缆与PXIe机箱连接的计算机上。中频调制器卡在上位机软件控制下产生模拟中频信号，通过上变频器卡上变频至L波段的指定频点。由位于PXIe机箱SYSTEMTIMING插槽的同步控制卡为所有板卡提供10MHz参考时钟、复位和时基同步信号，并利用PXIe总线传送这些信号。由合路器将多星座、多频点的卫星信号合路输出，并通过功分器分为两路信号，其中一路通过固定值衰减器衰减后输出小功率信号，另一路直接输出用于自校和测试的大功率信号。
2. 根据权利要求1所述的GNSS信号模拟器，其特征在于，所述的硬件信号发生器中一块中频调制器卡和两块上变频器卡为一组，每组能模拟产生两个频点的卫星信号；可通过增加板卡组数的方式扩充系统所模拟的星座及频点数量，单机箱仪器所能模拟星座及频点数仅受所使用的PXIe机箱插槽数的限制；通过同步控制卡可提供统一的复位、时钟和时基信号，并支持多机箱扩展。
3. 根据权利要求1所述的GNSS信号模拟器，其特征在于，所述的位于机箱SYSTEMTIMING插槽的同步控制卡具有板载0CX0，同时该板卡亦可连接外频标，并可以通过软件选择使用板载OCXO或外频标来产生10MHz参考时钟，所产生的参考时钟与PXIe总线的PXI_CLK10—IN信号线相连接。亦可通过软件选择使用PXIe机箱所提供的10MHz参考时钟。10MHz参考时钟通过PXIe总线的PXI—CLK10信号线连接至各板卡，可以保证所有板卡的参考时钟是同步的。
4. 根据权利要求1所述的GNSS信号模拟器，其特征在于，所述的同步控制卡可产生同步复位信号，通过PXIe总线的PXI_STAR单端星型触发线连接至各板卡，可使用软件或机械按钮作为复位源使所有板卡实现同步软复位或同步硬复位。
5. 根据权利要求1所述的GNSS信号模拟器，其特征在于，所述的同步控制卡可产生时基同步信号，该时基同步信号包括但不限于根据外部输入的秒脉冲(lPPS，lPulse PerSecond)信号(或根据同步控制卡所产生的秒脉冲信号)所生成的上位机传输中断时基信号和中频调制器卡信号状态更新时基信号。时基同步信号通过PXIe总线的PXIe—DSTAR差分星型触发线组连接至各板卡，可保证各板卡间的时基同步；时基同步信号的产生可通过上位机软件进行控制。
6. 根据权利要求1所述的GNSS信号模拟器，其特征在于，所述的同步控制卡具有秒脉冲输入、输出端口，用于实现与其它设备间的同步。当IPPS入端口有秒脉冲信号输入时，同步控制卡可以通过调整时钟相位使其产生的参考时钟信号边沿与输入的秒脉冲对齐；当1PPS入端口没有秒脉冲信号输入时，同步控制卡可产生与参考时钟信号及所模拟的选定基准时间系统整秒时刻边沿对齐的秒脉冲信号，并通过1PPS出端口输出。
7. 根据权利要求l所述的GNSS信号模拟器，其特征在于所述的中频调制器卡接收来自同步控制卡的参考时钟、复位和同步信号，并根据从上位机软件接收到的卫星观测数据和导航电文完成各系统各频点各信号分量各可见卫星对应通道的信号调制，实现多普勒、码相位、载波相位和相对电平的精确控制，生成指定的模拟中频信号输出；同时根据上位机软件发送的信号控制信息对所连接的上变频器卡通过PXIe总线Local Bus发出频点和功率控制指令。
8.据权利要求1所述的GNSS信号模拟器，其特征在于所述的上变频器卡根据来自PXIe总线Local Bus的频点和功率控制指令将输入的模拟中频信号通过正交调制的方式变频至L波段的指定频点，并对射频信号的功率在一定的范围内进行控制，同时将本振锁定状态通过Local Bus传回给中频调制器卡。
全文摘要
本发明提供了一种基于PXIe总线的GNSS信号模拟器及其实现方法。该模拟器基于PXIe总线来构架整个系统平台，硬件信号发生器由同步控制卡、中频调制器卡、上变频器卡、合路器卡组成，采用板卡形式插入标准PXIe机箱中。系统利用同步控制卡产生并通过PXIe总线的等长时钟线、单端及差分星型触发线传输参考时钟、复位及时基信号，所有板卡可通过PXIe总线由上位机软件进行控制。本发明系统具有优异的灵活性、兼容性和可扩充性，可支持目前和未来信号体制下组合导航的多星座、多频点的卫星导航信号。
文档编号G01S19/23GK101706580SQ200910238050
公开日2010年5月12日 申请日期2009年11月24日 优先权日2009年11月24日
发明者刘洪泉, 寇艳红, 张海涛, 王振岭, 蔚保国 申请人:北京航空航天大学;中国电子科技集团公司第五十四研究所