第 39 卷第 2 期 中南民族大学学报( 自然科学版) Vol．39 No．22020 年 4 月 Journal of South-Central University for Nationalities( Natural Science Edition) Apr．2020

收稿日期 2019-11-12作者简介 朱正平( 1968- ) ，男，教授，博士，研究方向: 电离层无线电波传播，信号检测与信息处理，电离层垂直探测设备

的研究与开发，无线电探测新观测模式研究，E-mail: zpzhu2007@ sina．com基金项目 国家自然科学基金资助项目( 41474135)

电离层测高仪高速采集系统设计朱正平，展旭强

( 中南民族大学 电子信息工程学院，武汉 430074)

摘 要 电离层测高仪数据采集是进行频高图标定及电离层参数研究的基础，其采样的精度对频高图标定有着重

要的影响．采用基于 IP 硬核方案的 PCI Express 总线测高仪高速采集系统，设计了以 FPGA ( EP4CGX150CF23C8N)

为系统控制核心和高性能模数转换器 ADC( LTC2192) 作为数据采集系统硬件主要模块．利用 Visual C++ 6．0 的平

台完成采集系统驱动程序及编写上位机应用软件实现了软件设计模块．利用数字测高仪平台对武汉、北京、海南地

区电离层进行常规观测，对采集的频高图完成本地存储．分析采集的频高图与原始数据，结果表明: 利用设计的 PCIExpress 总线采集系统相比原 ISA 总线在精度与 DMA 传输速度上有较大提高，采集得到的频高图 O 波与 X 波轨迹

更为清晰．原始数据图显示出回波信号的幅度变化与多普勒频移．关键词 测高仪; PCI Express 接口; FPGA 技术; 数据采集

中图分类号 P352 文献标志码 A 文章编号 1672-4321( 2020) 02-0186-09doi: 10．12130 /znmdzk．20200214引用格式 朱正平，展旭强． 电离层测高仪高速采集系统设计［J］．中南民族大学学报( 自然科学版) ，2020，39( 2) : 186-194．ZHU Zhengping，ZHAN Xuqiang． Design of high-speed acquisition system for ionosonde ［J］． Journal of South-CentralUniversity for Nationalities ( Natural Science Edition) ，2020，39( 2) : 186-194．

Design of high-speed acquisition system for ionosondeZHU Zhengping，ZHAN Xuqiang

( College of Electronics and Information Engineering，South-Central University for Nationalities，Wuhan 430074，China)

Abstract The data acquisition of the ionosonde is the basis for the study of ionogram and ionospheric parameters． Theaccuracy of sampling has an important influence on the ionogram． The PCI Express bus ionosonde high-speed acquisitionsystem based on IP hard core scheme is designed with FPGA ( EP4CGX150CF23C8N) as the system control core and high-performance analog-to-digital converter ADC ( LTC2192) as the main module of data acquisition system hardware． UsingVisual C ++ 6． 0 platform to complete the acquisition system driver and write the host computer application software toachieve software design module． The ionosonde platform is used to observe the ionosphere in Wuhan，Beijing and Hainan，

and the local ionogram storage is completed． The ionogram and the raw data of the acquisition are analyzed． The results showthat the designed PCI Express bus acquisition system has a higher improvement in accuracy and DMA transmission speedthan the original ISA bus． The acquired O-wave and X-wave travel of the ionogram map are clearer．The raw data plot showsthe amplitude change and Doppler Frequency shift of the echo signal．Keywords Ionosonde; PCI Express; FPGA; Data collection

电离层是地球大气的一个电离区域，人类通过电

离层传递信息，如无线电通讯、无线电导航、雷达定位

等．当发生电离层暴和电离层不规则时，对电离层通

讯和广播可能造成严重影响，甚至发生讯号中断问

题．因此对电离层观测研究具有一定的科学价值［1-4］．电离层测高仪是对电离层进行日常观测的设备，具体

工作过程是从地面垂直向上发射频率随时间变化的

无线电脉冲［5］，在同一地点接收电离层反射的回波脉

冲信号，通过接收机中数据采集系统将数据传输到上

位机，测量出电波往返的时延，从而获得虚高与频率

的变化曲线．随着电子通信技术和计算机迅速发展，速度更

快、性能更优的电离层测高仪的研制成为可能．其中

测高仪的数据传输速度与精度是至关重要的．传统测

高仪数据采集传输系统是基于 ISA 总线设计实现的．ISA 总线是并行数据传输方式，受到位宽的限制，传

输速率过低、CPU 占用率高等缺点．PCIE 总线［6，7］与

ISA 总线对比有以下特点 1、在数据传输模式上，PCIE总线采用双工串行点对点传输模式，不受位宽的限

制，串行收发数据同时进行，单向数据传输速度为2．5Gb /s．2、所连接设备分配独享通道带宽，有多种规格

配置 PCIE ×1 /2 /4 /8 /16 /32，能够满足将来不同传输

设备的需求．3、串行传输抗电磁干扰能力加强，对于

测高仪高频电磁干扰问题的解决起到重要作用．4、串行连接引入嵌入式时钟技术，即发送端不在向接收端

发送时钟，接收端通过 8bit /10bit 编码从数据链中恢

复出时钟．本文设计以 PCIE 总线的测高仪数据采集

系统．方案采用不同以往的接口芯片来实现总线方

式，选择以 IP 硬核模块完成总线设计．本文首先描述

了电离层测高仪的硬件平台，然后介绍了数据采集系

统硬件模块设计和软件模块的设计，在测高仪平台下

进行探测采集，最后给出了采集系统的 DMA 读写速

度和采集的频高图、原始数据图．

1 系统硬件设计

电离层测高仪是对电离层进行垂直观测的仪器，

采用脉冲编码、频率交错等技术得到各种电离层参

数．根据电离层参数可以分析电离层结构、电子浓度

剖面和扰动等信息．测高仪由接收系统、发射系统、数据采集系统和上位机处理系统组成．系统结构框图如

图 1 所示．上位机通过采集系统的自定义 ICSA 测高

仪总线检测各个模块工作是否正常无误后下达发射

命令到 DDS 信号源，信号源响应通过功率放大器和

发射天线把 1～30 MHz 的电磁脉冲垂直发射到天空，

信号经过电离层反射的作用在同一地点接收回波信

号．电离层回波信号被两个垂直接收天线接收后在宽

带滤波与本地 DDS 信号源进行混频，再中频滤波放

大，最后输出两路同向分量 I 信号和正交分量 Q 信

号．两路模拟信号经过 ADC 芯片( LTC2192) 采集量化

后的数据通过 FPGA( EP4CGX150CF23C8N) 进行相

关解码运算经串并转换后对数据时序进行同步调整，

确保高速信号的时序同步．再通过 PCIE 总线传输到

上位机处理系统，得到频率与虚高变化的曲线图，即

频高图．从图 1 中可以得出数据采集系统肩负着上位

机指令的传输与电离层回波信号数据的采集任务，采

集的精度与速度决定着频高图的质量，在测高仪中担

任着重要的作用．

图 1 测高仪系统结构框图

Fig．1 Structure diagram of altimeter system

1．1 采集系统硬件设计

本文设计测高仪数据采集系统的硬件结构如图

2 所示．主要包括电源模块、晶振模块、IP 硬核接口模

块、FPGA 控制模块、ADC 模块等组成．

781第 2 期 朱正平，等: 电离层测高仪高速采集系统设计

图 2 采集系统硬件框图

Fig．2 Acquisition system hardware block diagram

由于 FPGA 电源需要 3．3 V、2．5 V、1．8 V 和内核

电压 1．2 V，为了解决不同电源需求采用 AMS1117 系

列低压差线性稳压器．FPGA 参考时钟由 100MHz 的

有源晶振提供其他模块的时钟由 PLL 分频，配置芯

片选择 EPCS4SI8N 防止 FPGA 芯片断电程序丢失．IP硬核接口模块能够自动完成数据链路层和物理层的

数据处理功能，减少了复杂的底层协议规范方便设计

核心放在总线的应用层接口设计上，有利于缩短开发

周期．FPGA 控制模块是系统的控制核心，主要包括

ADC 模块控制、双口 ＲAM 模块、SＲAM 模块控制、DMA 控制器等．首先 ADC 模块完成采集量化的回波

数据，然后在双口 ＲAM 中进行缓存数据接着启动

DMA 模块，最后 ＲAM 采用乒乓模式通过 DMA 模块

将数据不断取出通过 PCIE 接口传输到上位机处理系

统，同时它还需要完成对 ADC 控制，配置 ADC 内部

的控制寄存器．SＲAM 模块是存储上位机对测高仪硬

件模块的控制指令．ADC 模数转换器是采集系统的核

心器件，主要是实现把回波模拟信号转换为数字

信号．1．1．1 ADC 电路设计

LTC2192 是一个双通道采样率为 16 位，单通道

速度为 65 Msps 的 A/D 转换器．由一个 1．8 V 单电源

供电，具有高采样率、低噪声、低功耗等特点．为了减

少数据线的数量，数字输出为串行 LVDS，每个通道一

次输出一位、两位或四位［8］．LVDS 驱动器具有可选的

内部端接和可调节的输出电平，以确保信号完整性．LVDS 输出还可以减少印刷电路板上的数字噪声同时

简化 PCB 布局设计．考虑到电离层回波信号为单端信号，而 LTC2192

的输入端为差分输入，需要在信号采样前进行信号调

理．调理电路的核心是 Mini-Circuits 公司的 ADT2-1T器件，是带有中心抽头的射频变压器驱动的模拟输入

进行转换为差分信号，信号调理电 路 设 计 如 图 3所示．

中心抽头与 A21_1VCM1 偏置，将 A/D 输入设置

在最佳直流电平．在较高的输入频率下，传输线变压

器具有更好的平衡，从而降低 A/D 失真．设计能够调

理输入频率从 1～70MHz 的信号转换，同时在模拟输

入端有一个 ＲC 低通滤波器．此低通滤波器将驱动电

路与 A/D 采样保持开关隔离，还限制了驱动电路的

宽带噪声．LTC2192 外围接口电路设计如图 4 所示．AIN1+/

AIN1-为差分模拟信号输入对，噪声对差分编码输入

信号质量有很大的影响．噪声主要可通过电源输入端

和模拟输入端进入转换器．模拟输入端已设计一个

ＲC 低通滤波器，对此在电源输入端以及在 ＲEFH 和

ＲEFL 参考电源引脚使用高质量 0402 封装旁路电容

器，尤其重要的是该电容器应与 ADC 在电路板的同

一侧，并尽可能靠近芯片来达到减少噪声作用．

881 中南民族大学学报( 自然科学版) 第 39 卷

图 3 信号调理电路

Fig．3 Signal conditioning circuit

图 4 LTC2192 外围接口电路

Fig．4 LTC2192 peripheral interface circuit

2 软件设计

2．1 驱动程序设计

驱动程序是完成采集系统与上位机应用软件通

信和 数 据 交 换 的 桥 梁，PCIE 总 线 驱 动 程 序 采 用

DriverStudio、DDK 和 Visual C++ 6．0 开发完成的［9，10］．本设计完成的应用程序主要实现以下功能:

( 1) 程序初始化，包括采集检测设备是否正常、对 IP 硬核进行参数配置、申请缓存数据的内存、基地

址映射等．( 2) 数据采集传输与处理，主要是实现回波数据

采集传输到上位机以及上位机对数据进行数字信号

处理．( 3) 测高仪硬件系统的配置，主要是设置 FPGA

的参数包括 DMA 缓存、设置中断方式、采集程序任务

的配置等．实现了上位机对硬件模块的控制功能．

2．2 应用程序设计

应用程序是完成对数据采集系统的控制和数据

处理功能，其工作流程如图 5 所示．应用程序初始化，

PCIE 驱动程序检测: 设备是否正确安装、基地址映

射、数据缓存内存申请．成功初始化后通知主线程，主

线程通过 ICSA 总线向硬件模块发送启动探测任务．发射系统立即进入到工作状态，此时采集系统进入到

等待电离层回波信号状态．当采集系统完整无缺的将

一个频点数据缓存到内存中后，采集系统对当前频点

的采集任务结束进入到下一个频点的采集．同时在内

存中的数据被上位机处理系统取出，采集和取出过程

并行工作直到全部的频点采集完毕．此时采集得到的

是原始数据需要经过进一步处理，上位机采用双机工

作模式送入缓冲区中的数据通过网络端口传输，数据

处理机启动数字信号处理解码差分算法、去噪等，将

这个频点的结果显示在软件上等待着下一个频点数

据一直循环到完成全部频点．本地存储数据是将原始

981第 2 期 朱正平，等: 电离层测高仪高速采集系统设计

数据和自定义 DIF /ODF 格式文件存在本地磁盘以方 便研究使用．

图 5 程序工作流程图

Fig．5 Process flow chart

3 观测结果分析

3．1 DMA 读写速度测试

为了验证本文设计的 PCIE 总线接口的传输性

能，设计采用 DMA 传输模式测试其读写速度，在设计

应用程序的同时结合 QuartusⅡ开发环境使用 VerilogHDL 语言编写代码．其中主要的内容是 IP 硬核模块

的设置有应用层接口模式( Avalon-ST 128-bit) 、最大

负载量( 512 Bytes) 、最大有效载荷写入( 128 Bytes) 、基地址寄存器大小、MSI 中断设置等．依据 DMA 模式

测试传输数据量，结果如图 6 所示．通过连续四十次

速度测试，结果表明性能稳定无缺失数据求其平均值

读速度为 700 MB /s，写速度为 630 MB /s．

图 6 DMA 读写测试

Fig．6 DMA read write test

3．2 采集数据频高图

中南民族大学与中国科学院地质与地球物理研

究所合作研制的测高仪( PDI2) 运行于北京、武汉、海南地区进行长年的观测．将本文设计的 PCIE 总线高

速采集系统结合测高仪平台经长时间运行性能稳定．频高图中数据经过反演可得出电离层电子浓度剖面、真高等信息．电离层的色散作用会将回波信号分解为

两个圆偏振波在频高图中显示为 O 波( 红) 和 X 波

( 绿) ．电离层参数如真高的计算要用到 O 波和 X 波，

另一个对于频高图标定也需要清晰完整的O 波曲线，

因此对于研究电离层的变化规律频高图的描迹曲线

清晰完整很重要．使用 ISA 总线数据采集系统存在采集精度低、传

输速度慢等造成频高图数据不完整无法准确标定临

界值影响电离层参数研究．图 7、8 分别给出了不同地

区( 武汉、海南、北京) 的频高图结果．图 7 为武汉地区

使用 ISA 总线和 PCIE 总线采集得到的频高图对比，

采集时间间隔为 15 min．图 8 为在海南和北京地区同

一时间电离层测高仪基于 PCIE 总线采集得到的频高

图，同为 15 min 间隔采集．由图 7 可看出，对比原先的频高图使用本文设计

的采集系统得到的频高图一次回波 O 波和 X 波更为

清晰，还出现了清晰的二次回波信号曲线．原 ISA 总

线采集得到的频高图一次回波 O 波和 X 波描迹不

清，也不够清晰完整．在图 8 中海南和北京两个地区

得到的频高图一次回波 O 波和 X 波均较为清晰．

091 中南民族大学学报( 自然科学版) 第 39 卷

图 7 武汉地区 ISA 总线与 PCIE 总线频高图

Fig．7 ISA bus and PCIE bus ionogram in Wuhan

图 8 海南和北京地区 PCIE 总线频高图

Fig．8 PCIE bus ionogram in Hainan and Beijing

3．3 原始数据图

原始数据为测高仪采集未经过去噪、信道均衡等

处理的数据．数据采用中南民族大学在 2019 年 6 月

25 日 4: 45 UT( 国际时间) 电离层测高仪采集得到的

191第 2 期 朱正平，等: 电离层测高仪高速采集系统设计

原始数据，利用 MATLAB 算法读取原始数据的信息， 选择在 9．3MHz 频点主要原始数据格式自定义表 1．表 1 频点原始数据格式

Tab．1 Frequency point raw data format

序号 名称 含义 采集数据结果

1 Data Flag 数据标识 Ox000100002 PulseNum 每个频点包含脉冲数 323 BlindHeigth 起始高度( Km) 844 ION_ToalFreqNum 总频率个数 3015 ION_MaxFrequency 最大频率值( KHz) 160006 ION_MinFrequency 最小频率值( KHz) 10007 DataNumePerPulse 每个脉冲包含数据个数 8968 Echo_dataFormat 数据结构 I1，Q1，I2，Q2

从表 1 中可以得出探测脉冲信号是重复进行的，

本次数据重复频率为 32 次．通过计算频率值与总频

率个数得到频率分辨率为 0．05 MHz．采集原始数据频

率为 1～16 MHz，数据结构存放按信息头和 I1，Q1，I2，

Q2 的排列方式．利用 MATLAB 算法提取出 I1，Q1，I2，

Q2 对 数 据 进 行 矩 阵 处 理 按 PulseNum *DataNumePerPulse 方式排列得到结果如图 9 所示．可以得出 I、Q 的数据信号幅度．

图 9 9．3 MHz I /Q 信号幅度

Fig．9 9．3 MHz I /Q signal amplitude

通过 I、Q 数据可以计算得出原始的 O 波与 X 波

幅度，测高仪接收天线为南北与东西垂直方向架设，

设南北接收天线的复信号为YSN 东西接收天线的复信

号为 YEW．定义如下:

YEW = I1 + j·Q1，YSN = I2 + j·Q2， ( 1)

再按以下算法得到 O 波与 X 波的值，WO 代表 O 波信

号，WX 代表 X 波信号其表示为:

WO = I1 + j·Q1 + ( I2 + j·Q2) ·ejπ2 =

( I1 － Q2) + j( Q1 + I2) ， ( 2)

WX = I1 + j·Q1 + ( I2 + j·Q2) ·ej( － π2 ) =

( I1 + Q2) + j( Q1 － I2) ， ( 3)

其 O 波与 X 波幅度信息结果如图 10 所示．O 波与 X 波信号分离也是重要的，前提是要保证

接收天线与接收机系统信号幅度和相位一致，但接收

天线工艺、环境很难保证严格一致．可求出 YEW 通道相

对于 YSN 幅度差值 K，为解决双通道信号不均衡问题

找到一种方法，接收系统根据不同频点相对幅度差生

成通道补偿表用于系统校正．利用公式( 4) 得到相对

幅度差值如图 11 所示．

K =I21 + Q槡 2

1

I22 + Q槡 22

． ( 4)

利用采集系统在测高仪平台( PDI2) 上运行采集

得到的频高图一次回波 O 波和 X 波清晰，数据传输速

度与精度性能都得到提升，利于缩短频高图采集时

间．国际上的测高仪加密采集时间为每五分钟一次，

而 PDI2 测高仪实现了加密采集时间为一分钟一次，

是 ISA 总线所无法完成的，可用于研究多普勒频移

( Doppler frequency shift) ．研究电离层多普勒频移对

291 中南民族大学学报( 自然科学版) 第 39 卷

图 10 O 波与 X 波信号幅度

Fig．10 O wave and X wave signal amplitude

图 11 通道相对幅度差值

Fig．11 Channel relative amplitude difference

于研究电离层不同尺度的扰动与传播具有重要的作

用．通过相位斜率方法将原始数据中多普勒进行提

取，方法由公式( 5) 、( 6) 、( 7) 可得，其中 φn 是单个窄

带回波信号的相位．

φn = tan －1 Qn

In，n = 0，1，2，…，N － 1， ( 5)

φ( ti ) = Δω × ti + φ0，i = 0，1，2，…，N － 1，( 6)

Δω =∑N－1

i = 1( ti －珋t) ［φ( ti ) － 珔φ］

∑N－1

i = 1( ti －珋t)

2． ( 7)

其中珔φ 是变量 φ( ti ) 的平均值，ti 是计算相同高度回

波信号相位的时间点，珋t 是变量 ti 的平均值，Δω 为多

普勒频移．图 12 给出根据公式算法得到的三亚地区

2018 年 12 月 20 日 17: 00( LT) ～ 2018 年 12 月 21 日

16: 00( LT) ，LT 为三亚本地时间，每一分钟连续的多

普勒频移变化．图中为多普勒频移随本地时间和扫描

频率的变化曲线，可观察到多普勒频移在 ± 0．5 Hz，在 1: 00 ～ 3: 00( LT) 和6: 00 ～ 8: 00( LT) 期间电离层

不规则体的扰动反映在多普勒频移异常．

391第 2 期 朱正平，等: 电离层测高仪高速采集系统设计

图 12 多普勒频移( Hz) 与本地时间和扫描频率连续变化

Fig．12 Doppler frequency shift ( Hz) continuously changes with

local time and scan frequency

4 结语

随着计算机及电子技术的不断发展，传统的 ISA总线已满足不了性能更优的测高仪数据采集．为了提

高测高仪采集精度及速度的性能，本文设计基于 IP硬核 PCIE 总线接口方案的采集系统．以 FPGA 作为

系统的控制核心完成对 ADC 模块控制、时序控制、DMA 数据传输等功能，在完成驱动程序与上位机应

用软件的基础上进行系统探测采集．结果表明: 设计

的 PCIE 总线数据采集系统传输速度快，得到频高图

O 波、X 波清晰，较传统的 ISA 总线数据采集系统更

优，得到的多普勒频移可用于研究电离层不规则体的

发生．此外本设计还引出足够的 GPIO 接口以方便进

行系统再次开发，可适应日后功能更强的测高仪．

参 考 文 献

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( 责任编辑 雷建云)

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