基于軟件無線電的短波通信系統設計＊

李 莉 彭 雋

（武漢船舶通信研究所 武漢 430079)

1 引言

由于體制結構的限制，我三軍裝備了大量不同類型的短波電臺，而為了克服短波通信容量有限、傳輸穩定性差和抗干擾性能差等缺點，又相繼出現了頻率自適應、寬帶抗干擾等多種新技術，每實現一種新的業務功能，都需研制一款新的短波設備或模塊板卡，不僅給短波通信系統總體的電磁兼容性和可靠性設計帶來了不小的難度，還會大幅增加系統成本和調試周期。同時，也造成了短波電臺類型眾多且不能互聯互通的局面，嚴重制約著三軍的協同作戰能力。本文將軟件無線電的思想引入短波通信系統設計中，通過對現有業務波形的模塊化封裝，新波形組件的復用、重構和動態加載，通用硬件模塊的無縫升級實現系統功能的平滑升級，新技術、新體制波形的低成本注入，以及多通信頻段的業務融合，如25kHz寬帶波形、超短波近距離通信等體制或功能，較好地解決了現今以硬件為主導的技術體制帶來的功能擴展復雜和難以互連互通的問題。

2 基于軟件無線電的短波通信系統總體設計思路

軟件無線電的核心思想是構造一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，將各種功能如工作頻段、調制解調類型、加密模式等用軟件來完成，通過加載不同的通信軟件來實現不同的通信模式和功能［1］。軟件通信體系架構（Software Communication Architecture，SCA)是 由 美 軍JTRS（Joint Tactical Radio System)JPEO（Joint Program Executive Office)提出的一種軟件無線電系統體系結構設計規范［2］，它規定了通信設備的軟件體系結構、硬件體系結構和安全體系結構，以及API接口規范，其目的是實現無線通信設備硬件模塊化、通用性，軟件的可移植性、可重用性，以保證整個系統的開放型及可擴展性，使系統升級簡單，減少系統開發費用、縮短開發時間［3］。

SCA規范將是未來美國各軍兵種無線通信系統都將遵循的一體化體系結構。因此，基于軟件無線電的短波通信系統設計也必須遵循SCA的設計規范，它將是一個以軟件為核心的信號處理平臺，由波形開發和管理環境、硬件平臺及軟件平臺等部分組成。在該系統中要求硬件結構必須通用化、模塊化，即硬件體系結構不能針對某個特定的功能設計，而是設計成可擴展、可升級的通用設備，這些設備通過邏輯軟件包進行封裝和描述，并可通過在軟件平臺上加載不同的功能軟件模塊實現特定的波形應用［4］。以下將分為硬件平臺和軟件平臺架構兩部分進行設計方案描述。

3 硬件平臺架構設計

模塊化是軟件無線電系統的一個重要特征，無論硬件、軟件都是由多種功能模塊按照一定的體系架構組織起來的。硬件平臺架構的設計原則是保證模塊化硬件的可擴展性和可升級性［4］，能夠支持未來短波通信系統覆蓋更廣的頻率范圍和實現更大的工作帶寬的潛在需求，延長設備的使用壽命。

常見的三種硬件平臺架構包括流水式架構、總線式架構和交換式架構。本文采用標準CPCI總線架構，它的功能模塊之間的耦合性比流水式架構更低，可擴展性更強；具體實現時的結構復雜度和難度比交換式架構要低。

按照總線架構、標準化、模塊化、開放性的系統設計原則［5］，基于軟件無線電的短波通信系統中的硬件平臺由射頻接收模塊、射頻發射模塊、波形處理模塊、主控制模塊等幾部分組成，其組成框圖如圖1所示。所有模塊都采用CPCI總線方式，以提高系統硬件的兼容性和可擴展性。硬件平臺的各主要功能模塊與運行波形開發、部署和管理軟件的上位機模塊通過網口互聯。波形處理模塊和RF接收模塊、RF發射模塊也可根據需要配置多塊，以構成多頻段、多通道分布式的復雜信號處理平臺。

圖1 硬件平臺組成框圖

主控制模塊采用由MPC8572PowerPC處理器和FPGA組成的硬件結構，PowerPC安裝VxWorks操作系統，其上將加載波形處理模塊、RF接收模塊和RF發射模塊的程序和驅動，執行SCA的核心框架（CF)、設備管理器（Device Manager)、域管理器（Domain Manager)、應用程序工廠（Application Factory)等。主控制模塊可根據上位機模塊的命令，完成整個系統硬件平臺的配置管理，同時也可承擔網絡層協議算法的實現。

波形處理模塊是硬件平臺的核心部分，由AD/DA板和基帶處理板組成。為了兼顧多速率波形處理子系統的可編程能力和信號處理能力，承載多種現有不同帶寬的波形體制并支撐未來的技術升級需求，基帶處理板采用了多片DSP和FPGA組合的架構，對外提供高速數據傳輸接口及控制傳輸接口，使用變速率處理技術對數字基帶信號進行數字上下變頻處理，完成適當倍數的插值與抽取、信號濾波、符號速率匹配和調制解調、擴頻解擴、信道編譯碼等波形處理功能。

在該硬件平臺設計方案中，RF接收模塊和RF發射模塊都采用超外差二次變頻和分頻段濾波的方式。這種二次變頻方式不但可使干擾信號與接收信號的頻率差增大，便于帶通濾波器濾除鏡頻干擾，而且多級放大也更加穩定。分頻段濾波的可以提高接收機的鏡像抑制度和靈敏度，保證短波通信系統的同址雙工工作能力。由于RF收發模塊采用了統一中頻設計和數字中頻帶通采樣結構，降低了對中頻ADC芯片的采樣速率要求，保證了較高的量化精度。中頻和基帶處理則均采用了同樣的支持寬、窄帶波形處理的模塊板卡，為軟件平臺中第三方業務波形的集成注入和動態加卸載提供了通用化的運行平臺。

4 軟件平臺架構設計

基于軟件無線電的短波通信系統設計的核心就是“重配置性”，主要體現在軟件在異構平臺之間的可重用性。SCA規范將操作系統、中間件等計算機領域的技術引入軟件無線電，定義了層次化的軟件體系結構［6］，共分為六層：板級支持包（總線層)、網絡協議棧和接口服務層、操作系統層、CORBA中間件層、核心框架層和應用層。通過CORBA軟總線屏蔽底層具體的硬件實現［8］，最上層的應用波形組件通過核心框架提供的標準API互連，實現分布式計算。波形成為無線通信系統中的應用軟件，波形開發者像Windows程序員一樣主要關注組件的劃分和設計，不用了解底層數據的交互過程，就可以直接利用現有的組件進行波形重構，從而實現代碼的可移植、可復用和可重構。

4.1 總體架構

如圖2所示，上位機模塊Windows操作系統上運行開發用的SCA OE（Operation Environment，操作環境，集成了核心框架（CF，Core Framework)、CORBA中間件和應用接口)和波形集成開發部署管理軟件（包括波形集成開發環境和波形部署管理界面)。主控制模塊上運行針對硬件板卡和操作系統的SCA OE，即針對確定的PowerPC芯片型號和VxWorks嵌入式操作系統的OE，波形集成開發部署管理軟件提供針對該OE的編譯連接工具。主控制模塊上運行的OE和上位機模塊上運行的OE都是SCA兼容的。上位機模塊和主控制模塊間通過CORBA的命名服務，采用GIOP/IIOP（General Inter－ORB Protocol，GIOP)協議進行CORBA 通信［7］。

圖2 軟件平臺組成

SCA波形集成開發環境采用基于模型的應用波形設計流程，以提升波形的可移植性和可重用性。支持針對不同SCA OE的自動代碼生成功能，模型自動代碼生成將產生波形的SCA框架容器代碼。波形邏輯代碼（包括DSP C代碼、FPGA Verilog代碼)的編寫測試與平常的開發調試方式相同，通過將DSP和FPGA編譯好的.out與.bin文件與框架容器代碼進行集成，生成符合SCA規范的波形。這里需要說明的是，SCA并不是一種波形規范，而是一個基于CORBA、XML DTD（Extensible Markup Language，可擴展標記語言，Document Type Definition，文檔類型定義)和POSIX（Portable Operation System Interface，可移植操作系統接口)技術來進行軟件無線電管理和應用部署的框架。

4.2 波形組件化開發

在SCA波形集成開發環境中主控制模塊作為主節點，運行VxWorks操作系統，并在操作系統上加載SCA操作環境（SCA OE，主要包括 Domain Manager、Device Manager、日志服務)。在主控模塊 MPC8572節點PPC8572Node上運行域管理器domain Manager和設備管理器Device Manager，一套平臺上只能運行一個域管理器。節點上包含了由Device Manager組件控制著的一系列設備，包括CORBA設備MPc8572、RF Device設備、RF Switch設備的軟件視圖，而可執行設備DSP和可加載設備FPGA這類非CORBA設備則統一虛擬為MHAL Device［8］。主控制模塊上的波形組件可以通過調用MHAL提供的通信代理服務與波形處理模塊上FPGA、DSP運行的波形組件進行互通。

波形通過組件化方式進行開發，以QPSK波形為例，按功能可簡單劃分為編碼Coder和解碼Decoder兩個組件。Coder和Decoder組件可通過設置依賴屬性PropertyRef，如 MIPS（Million Instructions Per Second，每秒百萬條指令)、Throughput（吞吐量)等指標，選擇待部署運行的目的芯片，如FPGA或DSP。Coder組件的輸出和Decoder組件的輸入連接至主控制模塊的MHAL設備代理，與MPC8572進行數據收發。裝配控制器屬于核心框架管理類組件，每個SCA波形都需要有一個裝配控制器（Assembly Controller)來對波形的各個組件進行控制［9］。

4.3 動態加載流程

主控制模塊上電后啟動OE環境中的域管理器和設備管理器，并創建命名服務和文件系統。用戶通過上位機模塊上的波形部署管理界面向硬件平臺上的域管理器請求波形部署，域管理器根據請求讀取文件系統中相關的波形XML文件，將波形組件分別部署到硬件平臺的GPP和FPGA、DSP計算節點上，并連接組件，組件間通過CORBA接口和MHAL代理進行通信，實現運行在FPGA上的波形組件與CPU波形組件之間的CORBA通信［10］。應用配置成功后，會在域管理器中進行注冊，波形開始運行。使用波形部署管理軟件時，上位機模塊還作為通信系統的信源和信宿，進行輸入輸出數據/控制流的管理。

5 結語

本文提出了一種可實現的基于軟件無線電的短波通信系統軟硬件設計方案，實現了中頻和基帶處理模塊的通用化，完成了短波QPSK波形的組件化封裝和動態加載，并支持窄、寬帶業務波形的可移植性、可配置性。該設計方案與傳統的基于硬件的通信裝備相比，具有寬頻段、多功能、易兼容、便于升級等優勢。基于軟件無線電的短波通信系統是滿足未來戰爭通信要求、打贏信息化戰爭的重要技術保障，代表了戰術通信裝備的重要發展方向，對推動我國軍用軟件無線電技術的發展和應用具有一定的意義。

［1］Benjamin H.Wang，Pangan Ting，S.Charles Tsao，Integration of System Software and SDR Hardware Platforms，SDRF01I0052V0.00，Software Defined Radio Forum Contribution，2001.

［2］Joint Program Executive Office（JPEO)Joint Tactical Radio System （JTRS)，Software Communications Architecture Specification，Version 2.2.2［S］.2006.

［3］Modular Softwareprogrammable Radio Consortium.Software Communication Architecture Specification（Version.2).Washington：JTRS Joint Program Office，2001.

［4］JTRS JPO，Specialized Hardware Supplement to the Software Communication Architecture（SCA)Specification，JTRS5000 SP V3.0.

［5］Software Communications Architecture Extensions ：JTRS Standards Joint Program Executive Office（JPEO)Joint Tactical Radio System（JTRS)Space and Naval Warfare Systems Center 2006：411.

［6］范建華，王曉波，李云洲，等.基于軟件通信體系結構的軟件定義無線電系統［J］.清華大學學報（自然科學版)，2011，08.

［7］PrismTech OpenFusion CORBA Products［M］.http：//www.prismtech.com/sectionitem.asp？id＝570＆sid＝18＆sid2＝10＆sid3＝251.

［8］DACKENBERG J.Software Communication ArchitectureWaveform Distribution with MHAL［D］.Link?ping，Sweden；Link?pings universitet，2010.

［9］W.Emmerich and N.Kaveh Java Beans，COM，CORBA，RMI，EJB and the CORBA Component Model，Component Technologies［C］//In Proceedings of International Conference on Software Engineering，2002.

［10］Steve Bernier，Capt Hugues Latour，Software Communications Architecture Reference Implementation（SCARI)Project，Communications Research Centre（CRC)Agency of Industry Canada，2002.