基于VPX架構(gòu)的軟件無線電通信平臺設(shè)計

崔霞霞 王少飛

摘要：針對目前通信裝備型譜復(fù)雜、通用性差、維護難度高等情況，分析了VPX架構(gòu)與軟件無線電技術(shù)的特點，提出了一種基于VPX架構(gòu)的多體制軟件無線電基型通信平臺的設(shè)計思路，并介紹了平臺硬件體系結(jié)構(gòu)、軟件體系結(jié)構(gòu)與健康管理系統(tǒng)設(shè)計，構(gòu)建了具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化特點的無線通信通用硬件平臺。同時搭建測試環(huán)境，對設(shè)計的軟件無線電通信平臺數(shù)據(jù)通路、波形控制等基本功能進行了驗證。

關(guān)鍵詞：軟件無線電；VPX；通信平臺

中圖分類號：TN925文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2020）11-56-4

0引言

在全球信息網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展與不斷變化的高強度軍事對抗電磁環(huán)境背景下，對傳統(tǒng)軍事無線通信設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化、軟件定義化和應(yīng)用手段的綜合化提出了更高的要求。

美軍于20世紀(jì)末啟動了聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)項目，該項目旨在利用軟件無線電技術(shù)，聯(lián)合工業(yè)部門共同制定開放的體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，按照該標(biāo)準(zhǔn)研制一個具有開放體系結(jié)構(gòu)、可靈活配置和可升級的戰(zhàn)術(shù)電臺系列[1]。通信頻譜覆蓋美軍現(xiàn)役大部分的HF頻段、所有的VHF頻段和大部分的UHF頻段，支持戰(zhàn)斗網(wǎng)電臺（CNR）、數(shù)據(jù)鏈和有關(guān)軍用戰(zhàn)斗通信衛(wèi)星系統(tǒng)等戰(zhàn)術(shù)通信波形，取代原有的數(shù)十種型號和數(shù)十萬部戰(zhàn)術(shù)電臺，最終為全球信息柵格（GIG）提供一個無縫的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。

目前，我國對軟件無線電技術(shù)在軍用無線通信裝備綜合化設(shè)計方面的應(yīng)用尚處于起步階段，主要工作是總體架構(gòu)、硬件、軟件標(biāo)準(zhǔn)的研究以及軟件無線電原理樣機的研制。大部分已裝備的通信設(shè)備根據(jù)特定用途設(shè)計，功能單一、型譜復(fù)雜、裝備通用性差及維護難度高，極大地限制了不同裝備的互連、互通和互操作能力。

為了解決以上問題，通過分析VPX架構(gòu)與軟件無線電技術(shù)特點，提出了一種基于VPX架構(gòu)的多體制軟件無線電基型通信平臺的設(shè)計思路，構(gòu)造具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺，為實現(xiàn)通信裝備的架構(gòu)統(tǒng)一、波形共用和互聯(lián)互通提供硬件基礎(chǔ)。

1 VPX架構(gòu)分析

2007年，VITA組織正式推出VPX協(xié)議，借鑒了VME，CPCI，CPCIE總線優(yōu)點，在信號完整性、結(jié)構(gòu)和連接方式上都做了優(yōu)化[2]。VPX標(biāo)準(zhǔn)采用串行傳輸方式，單差分對起點速度達(dá)到3.125 Gbps，集成了更多IO，增加了系統(tǒng)帶寬。

VPX是一種開放的架構(gòu)，可支持以太網(wǎng)、SRIO、PCIE、JESD204及FC等協(xié)議，與CPCI架構(gòu)相比，VPX系統(tǒng)中的模塊在連接方式上是一致的，邏輯功能的劃分不影響物理接口形式的一致性。

VPX協(xié)議族對VPX架構(gòu)的模塊物理特性、互聯(lián)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容做出了詳細(xì)定義，其主要標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

其中，VITA46[3]協(xié)議定義了自然散熱和傳導(dǎo)散熱條件下的VPX標(biāo)準(zhǔn)模塊結(jié)構(gòu)、連接器類型、信號定義、電源和時鐘等。VITA48[4]協(xié)議定義機械加固規(guī)范，規(guī)定了多種散熱條件下的機械特性。VITA65協(xié)議[5]詳細(xì)規(guī)定了VPX各功能模塊的位置、標(biāo)識、電源和信號定義等參數(shù)，主要解決不同廠商VPX接插件信號定義不同所造成的不兼容問題。VPX架構(gòu)不但對基帶數(shù)字信號的定義進行了規(guī)范約束，通過同軸線纜或光纖的連接方式，其應(yīng)用也擴展到了ADC，DAC以及射頻領(lǐng)域。

通過以上分析可以得出，VPX架構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)化總線設(shè)計，在滿足模塊間總線傳輸帶寬要求的同時，還具備更多模塊的負(fù)載能力，能夠滿足多體制軟件無線電通信平臺的開放性、標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)模可伸縮的需求。

軟件無線電技術(shù)通過將波形軟件與底層硬件解耦[6]，使通信平臺功能的實現(xiàn)擺脫硬件布線結(jié)構(gòu)的束縛，盡可能地將開發(fā)工作轉(zhuǎn)移到軟件上來，降低系統(tǒng)的改進升級成本，更好地實現(xiàn)異構(gòu)平臺間的互聯(lián)、互通、互操作。

因此，將VPX架構(gòu)與軟件無線電技術(shù)相結(jié)合，可實現(xiàn)通信裝備的小型化、集成化和智能化，滿足不同場景下的通信保障需求，并使裝備具備持續(xù)升級的擴展能力。

2軟件無線電基型通信平臺設(shè)計

2.1平臺整體設(shè)計

軟件無線電通信平臺軟硬件總體架構(gòu)如圖1所示。以軟件為核心的平臺要求系統(tǒng)硬件在架構(gòu)上具備通用性，以滿足波形組件運行時的動態(tài)加載和維護時期的更新、移植，并保證平臺的可擴展性。

平臺硬件設(shè)計采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM行硬件模塊劃分，并規(guī)定關(guān)聯(lián)屬性。在運行各波形應(yīng)用時，依據(jù)這些屬性把波形組件分配至FPGA，GPP，DSP等相應(yīng)硬件資源，從而實現(xiàn)在統(tǒng)一的硬件平臺運行不同的通信體制波形。

軟件層主要包括波形組件、核心框架、中間件、操作系統(tǒng)、硬件抽象層及BPS驅(qū)動等。其核心作用是通過中間件及硬件抽象層等，屏蔽底層硬件實現(xiàn)細(xì)節(jié)，為波形應(yīng)用提供一致的運行環(huán)境，使不同波形的組件能夠靈活加載到硬件資源中，實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)、編解碼協(xié)議處理等組件功能，從而確保平臺系統(tǒng)波形可重構(gòu)、功能可擴展。

系統(tǒng)健康管理實現(xiàn)平臺故障檢測及資源管理等功能，在檢測到硬件故障后能夠觸發(fā)波形遷移，并為波形重構(gòu)提供資源部署依據(jù)。

多體制軟件無線電基型通信平臺設(shè)計支持HF，V/UHF，L/S，C，Ku，Ka相應(yīng)頻段通信波形的加載運行，如表2所示。

2.2平臺硬件體系結(jié)構(gòu)

多體制軟件無線電通信平臺主要完成信息處理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理、基帶數(shù)字信號處理及中頻數(shù)字信號處理等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)到射頻信號的處理功能，支持基于交換的信道與基帶資源動態(tài)重組與功能重構(gòu)，以及不同通信波形的加載運行。

圖2是多體制軟件無線電通信平臺硬件架構(gòu)，主要由多頻段信道模塊、信號處理模塊、控制管理模塊、業(yè)務(wù)接口模塊，以及電源、時頻源、存儲、健康管理系統(tǒng)和紅黑隔離的數(shù)字交換網(wǎng)絡(luò)組成，并支持符合統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)的其他擴展模塊插入。信道方向以射頻拉遠(yuǎn)/交換矩陣方式與多天線和射頻前端連接，管理業(yè)務(wù)方向通過管理業(yè)務(wù)接口接入平臺系統(tǒng)。

2.3平臺軟件體系結(jié)構(gòu)

平臺軟件體系遵循SCA架構(gòu)規(guī)范，結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括硬件抽象層、操作環(huán)境層、核心框架層和應(yīng)用組件層。

硬件抽象層提供相關(guān)硬件模塊底層驅(qū)動和基于中間件的邏輯設(shè)備接口軟件[7]。其中基于中間件的邏輯設(shè)備接口可以實現(xiàn)系統(tǒng)對硬件的控制、管理與配置。

操作環(huán)境層包括實時操作系統(tǒng)和中間件，實時操作系統(tǒng)為整個軟件體系架構(gòu)提供必要的底層服務(wù)和多線程處理能力的支持。中間件是邏輯軟總線，為處于不同層次的不同軟件模塊提供標(biāo)準(zhǔn)化的接口服務(wù)，實現(xiàn)不同軟件模塊在系統(tǒng)中的即插即用。

核心框架層主要實現(xiàn)符合SCA架構(gòu)的核心框架服務(wù)（如核心框架域管理、核心框架控制接口等），并對相關(guān)核心框架服務(wù)進行封裝，提高核心框架在不同操作系統(tǒng)上的移植性。

應(yīng)用組件模塊實現(xiàn)軟件無線電系統(tǒng)的各項具體功能和波形，由波形設(shè)計人員開發(fā)，需要嚴(yán)格遵循SCA架構(gòu)所定義的各種服務(wù)接口。

在該軟件體系架構(gòu)的支撐下，平臺系統(tǒng)可有效屏蔽不同硬件模塊的差異，為系統(tǒng)軟件提供標(biāo)準(zhǔn)的硬件操作接口，實現(xiàn)平臺系統(tǒng)功能的軟件化[8]。

2.4健康管理系統(tǒng)設(shè)計

健康管理系統(tǒng)對平臺內(nèi)各硬件模塊及應(yīng)用的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，如圖4所示。軟件無線電通信平臺所有功能模塊的硬件資源狀態(tài)數(shù)據(jù)采集采用集中式設(shè)計，由駐留在模塊上的健康信息采集模塊采集，通過專用的1：1備份I2C平臺管理總線上報到控制管理中的健康信息處理模塊。其中，健康信息采集模塊采用獨立供電，并保持與模塊主功能電路相對獨立，平臺正常工作時，在模式不發(fā)生變化的情況下，能夠脫離健康管理系統(tǒng)正常運行。

健康管理系統(tǒng)提供上電自檢、周期自檢和維護自檢3種自檢方式及故障診斷、故障告警、故障資源隔離等功能項。健康管理系統(tǒng)提供對外管理接口，上層管理軟件可通過該接口獲取硬件資源的實時健康狀態(tài)數(shù)據(jù)。

3驗證與分析

3.1測試環(huán)境

為了驗證本文設(shè)計的軟件無線電通信平臺數(shù)據(jù)通路及波形控制等基本功能，立足于實驗室現(xiàn)有的軟硬件條件，搭建了圖5所示的測試驗證平臺。

測試環(huán)境主要由1塊業(yè)務(wù)接口板、1塊交換板、2塊信號處理板、1塊信道模塊，以及背板與測試PC機組成。業(yè)務(wù)接口板主要實現(xiàn)信息處理與協(xié)議轉(zhuǎn)換；交換板卡實現(xiàn)各功能板卡間的SRIO業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸及以太網(wǎng)控制數(shù)據(jù)傳輸；信號處理板卡實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)與編解碼；信道模塊實現(xiàn)模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換、變頻鏈及中頻收發(fā)功能。

3.2數(shù)據(jù)通路測試

通過圖6所示的數(shù)據(jù)處理流程，由測試PC發(fā)送UDP測試數(shù)據(jù)包，經(jīng)業(yè)務(wù)板卡協(xié)議轉(zhuǎn)換，信號處理板卡調(diào)制及編碼，信道板卡數(shù)模轉(zhuǎn)換后，在信道板卡進行中頻自環(huán)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換、解調(diào)等處理后，送測試PC進行誤碼統(tǒng)計。該測試場景覆蓋了平臺內(nèi)主要板卡的交換和處理資源，可較全面地驗證平臺內(nèi)數(shù)據(jù)通路。測試時長30 min內(nèi)，PC機統(tǒng)計無誤碼、無丟包。

3.3波形控制測試

上位機PC網(wǎng)口通過以太網(wǎng)交換機連接板卡上的計算資源，利用SCA框架進行基本參數(shù)的配置和功能的執(zhí)行。包含波形參數(shù)配置、FPGA波形組件的加載和卸載，以及CPU組件的啟動、停止和參數(shù)配置等功能。

通過信號處理板卡組件進行波形控制的功能測試，以主動控制或信號板卡故障注入的形式，測試信號處理模塊1的功能組件是否可正常遷移至信號處理模塊2的計算資源上，業(yè)務(wù)重新建鏈，從而驗證波形組件啟動、停止、加載及卸載等控制功能。測試結(jié)果如表1所示。