一種基于CPCI-E總線的頻譜監測設備設計與實現

岳新宇

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

?

一種基于CPCI-E總線的頻譜監測設備設計與實現

岳新宇

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要：針對傳統的頻譜監測設備存在功能單一、通用性差、設備量大和集成度低等缺點，提出了一種新的基于CPCI-E總線的頻譜監測測向設備設計方法。該方法基于標準化和模塊化的設計思路，采用了CPCI-E總線技術，既提升了設備數據吞吐能力和信號處理性能，又提升了設備功能重構和模塊互換能力。新設備不僅具有瞬時監測頻段寬、測向精度高和自動化程度高等特點，且能夠滿足于多信號、多模式和多體制的頻譜監測測向需求。

關鍵詞：頻譜監測測向設備；CPCI-E總線；模塊化；標準化

0引言

在電磁頻譜管理領域中，傳統的監測設備或系統存在功能單一、設備不標準、通用性差、可維護性差、設備量大和集成度低等缺點，通常只適用于常規通信信號的監測和偵察，而對跳頻信號、擴頻信號和雷達信號的監測和測向通常需要不同的專用設備[1-7]。因此，開發一種模塊可互換、硬件可重組、軟件可重構、規模可擴展和任務可并發處理的新一代頻譜監測測向設備，已然成為電磁頻譜管理領域關鍵技術發展的迫切要求。

針對此需求，提出了一種基于CPCI-E總線的新型頻譜監測測向設備方法。該方法遵循硬件通用化、功能可重構與集成化的設計思想，可快速組裝、構建成適合不同應用場景的頻譜監測測向設備；運用了硬件多通道和軟件多線程的方法，增強了新設備對跳頻、擴頻和突發等多體制信號的監測能力和多任務并行處理能力；并通過應用軟件模塊和硬件模塊的可擴展性和動態配置，使設備具有良好的擴展和升級能力，能夠更好地適應現代和未來復雜電磁環境下頻譜監測測向設備的更高需求。

1新型頻譜監測測向設備的總體設計思想

基于CPCI-E總線的模塊化監測測向設備針對需求進行了優化設計，采用了模塊化和開放式可擴展的標準化體系架構，實現了電磁頻譜監測測向設備的模塊可互換、硬件可重組、軟件可重構和規?？蓴U展。該設備基于開放式架構，采用了CPCI-E標準總線[8]，實現了數據的高速傳輸，提升了系統擴展能力，通過軟件升級和硬件更新來提升設備的性能；軟件與硬件耦合弱，系統結構層次清楚，提升了模塊互換能力。

該設計的總體理念具體表現在以下幾個方面：

① 母板采用標準PCI-Express總線，可提升各模板件的數據吞吐能力，可以很好地解決I/O大數據下讀寫的瓶頸問題[9]；

② 基于軟件無線電的設計思想，主控模板的CPU采用Intel I7處理器，信號處理模塊采用雙DSP+ FPGA的處理架構，可提升數據實時處理、并發處理和多任務處理的能力；

③ 射頻接收模塊采用了低噪聲、大動態、寬帶射頻前端技術和高速大動態采樣技術，能夠在100 kHz～40 GHz范圍內對電磁頻譜環境進行實時監測和大動態范圍內的信號接收或處理，對待監測的信號進行快速和高效地測量分析，并使得該監測設備能更好地適應跳頻、擴頻、猝發、雷達和測控等特殊類型信號的監測和測向；

④ 方案中設備機箱供電采用交流220 V供電，交流供電適應環境范圍廣。交流電經電源模塊變換輸出3路+12 V(數字、模擬、風扇各使用1路)、2路+5 V(數字、模擬各使用1路)共5路直流電源輸出，足以滿足多種模塊的用電要求。

2硬件平臺結構的標準化和通用化設計

基于CPCI-E總線的模塊化監測測向設備平臺采用標準設備機箱+各種功能模塊的架構，在設備機箱內插裝不同的硬件模塊，并可裝載不同的如應用軟件模塊、DSP軟件模塊和FPGA軟件模塊[10]等各類的標準模塊，以滿足不同的功能需求。

本設計方案中采用了標準化和通用統一結構設計，標準設備機箱設計為通用統一的5U拼接屏蔽機箱，具有良好的電磁屏蔽性能和抗沖擊振動性能，能滿足固定、車載、機載設備對電磁兼容性和沖擊和振動等環境適應性的要求。5U機箱中可最多插裝17個6U 4HP模塊，最大利用機箱空間。機箱可插裝1個主控處理模塊、1個交換模塊和15個外設模塊。在機箱內部結構設計時，對機箱散熱進行了熱仿真設計和優化風道設計，并充分利用內部結構件進行傳導散熱，使機箱可滿足450 W散熱需求；任務功能接口接插件安裝于機箱的后面板，而調試及測試接口設計在機箱的前面板，便于設備的調試或測試，其結構設計示意圖如圖1所示。

基于CPCI-E總線的模塊化監測測向設備的功能模塊分為主控模塊、外設模塊、交換模塊和BITE控制模塊等4大類。主控模塊和交換模塊總線接口及接插件選型符合“Compact-PCI Express PCIMG EXP.0 R1.0 Specification”規范(以下簡稱規范一)。外設模塊分為數?；旌夏K和數字處理模塊兩類，均采用了統一的盲插屏蔽結構設計，簡化母板及機箱結構設計，可提升設備的維修性、保障性及電磁兼容性。

圖1　標準設備機箱結構圖

外設模塊的對外接口連接設計為電源供電區、高速數據連接區和射頻連接區等3類。電源供電區、高速數據連接區的總線接口及接插件選型符合規范一，射頻連接區的射頻連接器選用SBMA連接器，射頻信號通過盒體后面板上的SBMA插頭輸入/輸出，模塊間的射頻信號均通過母板上的SMA/SBMA-KFK連接器完成連接，拆裝外設模塊時不需拆裝電纜，提高設備的維修性。在設計外設模塊屏蔽盒時也綜合考慮到了屏蔽和散熱的功能需求。

3設備電路的模塊化與集成化設計

3.1母板設計

母板是監測測向設備的重要部件，擔負各模塊間及外部的控制指令、數據傳輸，以及外設模塊間及外部接口間的射頻連接。

母板設計為17槽背板，槽1為系統槽，插裝主控模塊；槽4插裝交換模塊；其它槽插裝外設模塊。其中槽17即可插裝外設模塊，也可插裝BITE模塊。各模塊間的指令/數據傳輸采用PCI Express總線及SRIO等點對點的高速串行總線技術，解決了傳統并行總線如PCI總線的傳輸速率低和電路板設計復雜及成本高等方面的不足。母板設計也是遵循按規范一設計，電路原理圖如圖2所示。

圖2　母板電路原理圖

總線全部設計為PCIe×4總線，且兼容PCIe×1。PCIe×4總線理論傳輸速率為1 000 Mbytes/s，實測連續傳速度高于750 Mbytes/s，遠遠高于PCI總線的128 Mbps理論傳輸速率。主控模塊輸出4個PCIe×4總線，分別連接前三外設模塊及交換模塊。交換模塊對PCIe總線進行擴展，輸出12個PCIe×4總線分別與其他外設模塊連接。若外設計模塊少于3個時，可不用交換模塊，以節約成本。另外，外設模塊1、2、3相互之間采用SRIO×4實現數據通信。SRIO每個信道傳輸速率為3.125 Gb/s，每個信道單方向最高可以到312.5 Mbytes/s，實測時模塊間雙向收發傳輸速度均可達1 Gbytes/s以上。

3.2模塊設計

3.2.1主控模塊

主控模塊負責分機控制、信號處理和對外通信等功能，是監測測向設備的核心部件，直接影響設備的整體性能。主控模塊同樣遵循規范一設計，其CPU采用Intel i7 4核2.0 GHz板載CPU，并配有2 Gbytes板載DDRⅢ內存顆粒，外存儲器采用128 G的寬溫SLC存儲高速電子盤和CF卡，可為設備提供高性能計算處理能力及高速數據存儲讀寫能力。另外，主控模塊配有標準的PCIE總線、VGA、千兆以太網、USB和音頻等接口。

3.2.2交換模塊

CPCI-E交換板基于PLX公司的PEX8648交換芯片設計，通過兩片PEX8648級聯提供1個PCIe×8 Uplink端口和PCIe×16個4Downlink端口。傳輸協議遵循PCI-E 2.0規范，向下兼容PCI-E 1.0a/1.1，所有端口支持全速度，并可自適應鏈路帶寬，上行端口可自適應協商鏈路帶寬從×8到×4、×2、×1，上行端口可自適應協商鏈路帶寬從×4到×2、×1。

3.2.3外設模塊

文中頻譜監測測向設備提供多種外設模塊，通過不同模塊的組合并配備不同的軟件，可以快速構造出不同功能的頻譜監測測向接收機，以適應于特殊用途的應用場景。

外設模塊分為數字處理模塊和模擬模塊2類。數字處理模塊包括信號處理模塊、多通道采樣預處理模塊和多通道采樣處理模塊等；模擬模塊由短波信道、超短波信道，超短波本振模塊、參考源與短波自校源模塊、參考源與超短波自校源模塊等組成。采樣預處理模塊采用“高速大動態A/D+高速大容量FPGA”方案，實現了寬帶、高靈敏度和大動態的采樣及變頻處理；數字處理模塊采用“高速大容量FPGA+多核DSP”方案，提升處理性能，可實現頻譜監測、測向處理、信號檢測識別、信號解調等多任務、實時和并行處理，提高了復雜電磁環境下多模多體制信號的捕獲和自動監測能力，滿足了現代頻譜監測管理的任務需求。模擬模塊采用小型化高性能接收技術，不僅大大減少了設備的體積及重量，而且實現設備寬帶下的高靈敏度和大動態接收。另外，每個模塊設計有BITE電路及接口，頻譜監測測向設備并提供BITE控制模塊[11-13]。

4設計工程應用案例

4.1短波/超短波頻譜監測設備實現

短波/超短波頻段(1.5 MHz~3 GHz)是電磁頻譜監測管理的重要頻段，該頻段的頻譜監測設備采用了本文的設計方案，主要由標準機箱配以主控模塊、交換模塊、雙通道采樣處理模塊、短波信道、超短波信道、超短波一本振、超短波二三本振和BITE控制模塊等組成，設備實現原理圖如圖3所示。

雙通道采樣處理模塊設計有2個獨立的采樣及處理通道，可對兩路采樣數據獨立并行處理，因此設備的2個接收通道——短波接收處理通道和超短波接收處理通道可獨立工作和并行監測處理。雙通道采樣處理模塊的高速大容量FPGA主要用于采樣數據的變頻處理及FFT運算，多核DSP用于實現多路信號的檢測、識別或解調運算。通過主控模塊的任務調度和控制，該監測設備可實現短波、超短波的獨立接收處理，頻譜監測、信號檢測、信號識別和解調的實時并行處理。

圖3　短波/超短波頻譜監測設備實現原理圖

短波/超短波頻譜監測設備配以相應的接收天線和天線選擇開關，即為頻譜監測系統。若配以其他頻段的下變頻器和天線可實現監測頻段的擴展。

4.2多通道超短波頻譜監測測向設備實現

多通道超短波頻譜監測測向設備是電磁頻譜監測系統標配的專用設備，該設備采用了本文的設計方法，組成原理圖如圖4所示，主要由標準機箱、主控模塊、交換模塊、信號處理模塊、多通道采樣預處理模塊、超短波信道、超短波一本振、超短波二本振、超短波三本振、參考源與超短波自校源和BITE控制模塊等模塊組成。該設備采用監測測向一體化技術，實現了寬帶搜索、信號監視、多模式測向、信號分析和解調等功能。

圖4　多通道超短波頻譜監測測向設備實現原理圖

5結束語

本文提出的頻譜監測設備設計方法中采用CPCI-E總線技術，解決了設備內部數據傳輸帶寬的瓶頸，提升信號處理性能；采用了標準化和模塊化設計方法，提升了設備功能重構和模塊互換能力；采用了多通道和軟件多線程的方法，增強了跳頻、擴頻、突發等多體制信號的監測能力和多任務并行處理能力。新方法在多型頻譜監測測向設備中的應用效果表明，該方法可滿足新形勢下復雜電磁環境頻譜監測的需求，具有重要的工程實用價值。

參考文獻

[1]王樹剛，徐文娟.電磁頻譜監測系統設計分析[J].無線電工程，2012，42(6)：39-41.

[2]殷云志，解建偉.基于傳感器協作網絡的信號監測技術研究[J].無線電工程,2014,44(7):15-18.

[3]邢占春，曹芳菊,黃進燕，等.基于CPCI總線的多卡實現32路采集平臺設計[J].無線電工程，2014，44(4)：77-80.

[4]孫磊,安建平.基于軟件無線電的無線頻譜測量設備設計[J].計算機測量與控制,2007,15(2):1822-1823.

[5]李朝海,羅超,王杰峰.多客戶端頻譜監測設備系統設計[J].電子技術應用,2014,40(9):68-71.

[6]吳青萍,周玉.超短波頻譜監測網絡化設備設計[J].電子技術應用,2012,35(11):110-112.

[7]吳拓.偵察接收一體式寬帶數字設備設計[J].航天電子對抗,2009,25(6):43-46,53.

[8]雷迎科,鐘子發.CPCI-E背板設計與仿真[J].計算機與現代化,2012(11):203-208.

[9]郭峰,林光福,鮮于運香.基于CompactPCI Express 總線的計算機體系架構研究[J].工業控制計算機,2011,24(11):15-17.

[10]張德民,李明,李楊,等.基于SRIO的FPGA間數據交互系統設計與應用[J].重慶郵電大學學報,2013,25(6):738-742.

[11]郭漢橋,褚麗麗.幾種功能電路的BIT 測試方案設計及其仿真[J].電子與封裝,2010,10(8):14-16,20.

[12]鄭文榮,夏清濤.幾種功能電路的BIT 測試方案設計及其仿真[J].艦船電子工程,2012,32(12):131-132,152.

[13]張賢志,楊紅梅,盛文,等.基于CAN總線的雷達裝備BIT 故障診斷專家系統研究[J].微型機與應用,2011,30(3):58-60.

ANovel Scheme of Spectrum Monitoring Direction-finding Device Basedon CPCI-E Bus

YUE Xin-yu

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Abstract：Considering the disadvantages of traditional spectrum monitoring and direction-finding devices such as single function,poor commonality and low integration degree,a novel scheme of spectrum monitoring direction-finding device based on CPCI-E bus is proposed.The scheme is based on standard and modular design ideas and uses CPCI-E bus technology,which not only improves the data throughput and signal processing performance,but also enhances the device’s ability of function reconstruction and module interchanging.The new device not only has the characteristics of wide instantaneous monitoring frequency band,high accuracy and high automation degree,but also can meet the requirements of multi-signal,multi-mode and multi-system spectrum monitoring and direction finding.

Key words：spectrum monitoring direction-finding device;CPCI-E bus;modularization;standardization

中圖分類號：TN911

文獻標識碼：A

文章編號：1003-3114(2016)02-88-4

作者簡介：岳新宇(1975—)，男，高級工程師，主要研究方向：無線頻譜監測與管理、通信對抗及無線通信系統等。

基金項目：國家部委基金資助項目

收稿日期：2015-12-18

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.02.23

引用格式：岳新宇.一種基于CPCI-E總線的頻譜監測設備方案[J].無線電通信技術,2016,42(2):88-91.