基于VPX架構(gòu)的機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)模塊化集成設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)通用化、系列化、模塊化的需求，本文設(shè)計(jì)了一種基于VPX架構(gòu)的模塊化綜合集成方案，詳細(xì)闡述了機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)中的超短波、短波、無線寬帶、光纖、被復(fù)線等設(shè)備及基礎(chǔ)承載平臺(tái)的集成設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)；LRM；VPX；模塊化；集成

一、引言

機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)是一種針對(duì)特種任務(wù)，在特定的區(qū)域構(gòu)建起來，能夠承載數(shù)據(jù)通信、話音通信和視頻通信等多種通信業(yè)務(wù)的機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)包含了光纖、被復(fù)線、微波、衛(wèi)星、電臺(tái)、寬帶無線通信等各種通信子網(wǎng)絡(luò)的綜合通信系統(tǒng)集合，在實(shí)際鋪設(shè)和使用過程中，機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)具有高度的機(jī)動(dòng)性和靈活性，要求能夠根據(jù)實(shí)際環(huán)境和通信需求進(jìn)行靈活配置、按需擴(kuò)展。

目前，隨著現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展，機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)的需求不斷提高，大量專用與通用的信息系統(tǒng)裝備也隨之應(yīng)運(yùn)而生，各類通信裝備蓬勃發(fā)展，不同形態(tài)和體制的裝備相繼被研制和投入使用，使得當(dāng)前機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展態(tài)勢呈現(xiàn)出“煙囪式”的發(fā)展模式[1]。各種通信裝備在通信系統(tǒng)的綜合集成過程中，開始出現(xiàn)設(shè)備種類繁多、設(shè)備功能重復(fù)堆疊、通信網(wǎng)絡(luò)布線布局復(fù)雜困難、集成系統(tǒng)維護(hù)保障效率低下等一系列的問題。機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)為了保證機(jī)動(dòng)性，其通信手段通常以無線通信為主，有線通信為輔，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，最終構(gòu)成一個(gè)完整的通信網(wǎng)絡(luò)，其中無線通信設(shè)備主要包括超短波、短波及寬帶無線通信設(shè)備，有線通信設(shè)備則以被復(fù)線傳輸設(shè)備及光纖傳輸設(shè)備為主。由于機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)既包括無線通信設(shè)備，又包括有線通信設(shè)備，設(shè)備種類豐富，因此設(shè)備的綜合集成是機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)的重點(diǎn)研究內(nèi)容，涉及各類通信裝備的通用化、系列化和模塊化，使得整個(gè)通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)靈活配置、按需擴(kuò)展。為此，本文從通信裝備通用化、系列化、模塊化設(shè)計(jì)出發(fā)，分析了LRM架構(gòu)的優(yōu)勢，并基于LRM中的VPX架構(gòu)提出了一種機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)綜合集成設(shè)計(jì)方案。

二、實(shí)現(xiàn)思路

機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)的綜合集成，首先要考慮的就是設(shè)備集成的基礎(chǔ)架構(gòu)，目前應(yīng)用較為廣泛的基礎(chǔ)架構(gòu)是LRM（Line Replaceable Module，現(xiàn)場可更換模塊）。LRM的含義非常廣泛，一般包括了安裝結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立、功能互為補(bǔ)充的各種通用功能模塊，LRM架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化程度非常高，可以顯著地縮短裝備研制周期。同時(shí)，將三級(jí)維護(hù)降為二級(jí)，方便維護(hù)，大大提高了維修性，符合機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)通用化、系列化、模塊化的需求。

由于LRM內(nèi)涵廣泛，因此目前學(xué)術(shù)界和業(yè)界所制定的LRM模塊標(biāo)準(zhǔn)也非常多，較為主流的LRM架構(gòu)模塊包括美國的SEM-E模塊、歐洲的ASAAC模塊以及符合VITA（VME International Trade Association，即VME國際貿(mào)易協(xié)會(huì)）所制定的一系列標(biāo)準(zhǔn)的VPX模塊。在上述LRM架構(gòu)模塊中，VPX模塊的技術(shù)開放程度較高，而技術(shù)難度相對(duì)較低，同時(shí)模塊的兼容性比較好[2]，非常適合應(yīng)用于機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)綜合集成的基礎(chǔ)硬件平臺(tái)。因此本方案基于LRM中的VPX架構(gòu)進(jìn)行機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)。

三、系統(tǒng)組成

本文基于LRM中的VPX架構(gòu)，提出了一種機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)的綜合集成設(shè)計(jì)方案。在該方案中，機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)模塊化集成的典型組成包括基礎(chǔ)承載平臺(tái)、通信網(wǎng)絡(luò)控制、光纖通信、被復(fù)線通信、超短波通信、短波通信及區(qū)域?qū)拵ㄐ诺雀鞣N模塊，如圖1所示。

在圖1中，基礎(chǔ)承載平臺(tái)作為系統(tǒng)集成的硬件基礎(chǔ)，是整個(gè)機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)的核心模塊，包括統(tǒng)一化的機(jī)箱、總線、數(shù)據(jù)交換以及健康管理模塊；通信網(wǎng)絡(luò)控制功能模塊用于完成整個(gè)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的信道接入、路由控制以及網(wǎng)絡(luò)管理；光纖、被復(fù)線通信模塊是典型的有線型通信設(shè)備；超短波、短波及無線寬帶通信模塊則是典型的無線型通信設(shè)備。

上述這些功能模塊共同組成了機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)模塊化集成的典型架構(gòu)，是一個(gè)開放的架構(gòu)，可支持?jǐn)U展以上功能之外的相關(guān)通信設(shè)備的模塊化集成。

四、實(shí)現(xiàn)方案

（一）基礎(chǔ)承載平臺(tái)

基礎(chǔ)承載平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)集成必需硬件模塊的統(tǒng)稱，包括機(jī)箱、背板、控制與管理、以太網(wǎng)交換及電源模塊。其中，機(jī)箱和背板是基于VITA46[3]、VITA48[4]標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，支持通用的VPX模塊化集成，統(tǒng)一總線定義，具備良好的兼容性、開放性和擴(kuò)展性；控制與管理模塊主要完成機(jī)箱內(nèi)部功能模塊運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控與管理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康管理功能；以太網(wǎng)交換模塊主要完成功能模塊間數(shù)據(jù)交互及對(duì)外數(shù)據(jù)交互；電源模塊則能夠保障提供基礎(chǔ)承載平臺(tái)及各功能模塊的工作供電。

在結(jié)構(gòu)上，VPX機(jī)箱的設(shè)計(jì)采用4U高度機(jī)箱、3U標(biāo)準(zhǔn)VPX板卡。結(jié)構(gòu)形式為前后對(duì)插，其中前插板完成核心功能，后插板引出系統(tǒng)的對(duì)外信號(hào)線。安裝方式上，本機(jī)箱采用標(biāo)準(zhǔn)19英寸插箱形式，可通過三節(jié)導(dǎo)軌或L型導(dǎo)軌安裝；熱設(shè)計(jì)采用導(dǎo)冷加風(fēng)冷結(jié)合的散熱方式，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)；支持功耗不低于400W的散熱能力。

在本方案中，VPX機(jī)箱支持16個(gè)槽位，其中交換模塊固定裝配于第7槽位和第8槽位、控制與管理模塊固定裝配于第14槽位、電源模塊固定裝配于第15和16槽位，其余槽位可裝配通用功能模塊。系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)功能模塊通過背板集成總線實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，背板總線包括數(shù)據(jù)總線、擴(kuò)展總線、時(shí)分總線、時(shí)統(tǒng)總線、管理總線及電源。背板總線及模塊槽位如圖2所示。

下面對(duì)背板集成總線的各個(gè)部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹：

①數(shù)據(jù)總線。數(shù)據(jù)總線的設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3z中規(guī)定的1000 BASE-X標(biāo)準(zhǔn)接口，數(shù)據(jù)連接方式采用以槽位7、槽位8為數(shù)據(jù)中心的雙星形式，每個(gè)通用槽位與2個(gè)交換槽位分別提供2路以太網(wǎng)信號(hào)連接。

②擴(kuò)展總線。擴(kuò)展總線的設(shè)計(jì)主要是為各相鄰模塊之間提供一個(gè)交互數(shù)據(jù)的通道。本方案中，擴(kuò)展總線能夠支持4對(duì)差分信號(hào)，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到1.25Gbps（Giga Bits Per Second， 千兆比特每秒），特征阻抗為100速，槽位6和槽位9跨過交換槽位7和交換槽位8連接，槽位7和槽位8單獨(dú)連接。

③時(shí)分總線。時(shí)分總線符合STBUS總線標(biāo)準(zhǔn)，包含幀同步、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)輸入信號(hào)。幀同步、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸出信號(hào)符合EIA-899 M-LVDS標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳輸速率大小可以達(dá)到250Mbps，特征阻抗大小為100Ω，數(shù)據(jù)輸入采用單端信號(hào)，電平標(biāo)準(zhǔn)為3.3V_LVTTL，特征阻抗大小設(shè)計(jì)為65Ω，時(shí)分總線復(fù)分接電路部署于控制與管理模塊。

④時(shí)統(tǒng)總線。在本方案中，時(shí)統(tǒng)總線按照EIA-899 M-LVDS的標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)，含1PPS、TOD及10Mbps這三種時(shí)鐘信號(hào)，數(shù)據(jù)傳輸速率大小能夠達(dá)到250Mbps，特征阻抗大小設(shè)計(jì)為100Ω。

⑤管理總線。管理總線要求雙總線IPMB-A、IPMB-B冗余設(shè)計(jì)，熱備份，采用I2C總線標(biāo)準(zhǔn)，速率400kbps，要求功能模塊內(nèi)通過I2C總線緩沖芯片隔離，功能模塊內(nèi)信號(hào)應(yīng)上拉至輔助電源，上拉阻值4.7kΩ。

⑥電源設(shè)計(jì)。電源的主要功能是提供整機(jī)（含基礎(chǔ)承載平臺(tái)和各個(gè)功能模塊）工作的主電源及輔助電源連接，其中，主電源布線能承載42A以上電流，而輔助電源布線能承載8A以上電流。

在本方案中，由于總線的設(shè)計(jì)滿足各個(gè)通用功能槽位的信號(hào)定義一致，通用功能模塊與其所插入的槽位無關(guān)，因此基礎(chǔ)承載平臺(tái)具有良好的可擴(kuò)展性，并且可以靈活配置。

（二）無線傳輸集成設(shè)計(jì)

機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)主要傳輸手段是無線傳輸設(shè)備，主要包含超短波、短波及無線寬帶等電臺(tái)。無線傳輸設(shè)備通常包含基帶模塊、射頻功放以及天線等部分，在傳統(tǒng)電臺(tái)中，這些部分通常是一體化設(shè)計(jì)，組成獨(dú)立的設(shè)備，一般來說，為了盡可能地提高無線傳輸?shù)木嚯x和范圍，傳統(tǒng)電臺(tái)的射頻功放部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸往往都比較大，難以小型化，因此極大地限制了無線傳輸設(shè)備的模塊化設(shè)計(jì)。為了解決無線傳輸模塊化的集成需求，本系統(tǒng)中提出一種無線傳輸集成方案，其具體的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

如圖3所示，本方案將無線基帶處理模塊和射頻功放拆開進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)，兩者之間通過高速傳輸?shù)墓饫w連接，使得電臺(tái)的模塊化設(shè)計(jì)成為可能，特別是在系統(tǒng)中存在多個(gè)無線通道的情況下，可以將基帶部分設(shè)計(jì)為通用的功能模塊插入VPX基礎(chǔ)承載平臺(tái)中，其中具體的設(shè)計(jì)思路如下：

①無線基帶處理模塊。前插板通過CPU、FPGA及總線接口電路完成核心處理，后插板通過光模塊將基帶信號(hào)傳送給與其相連接的射頻功放。

②射頻功放部分。射頻功放部分可以按照機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)的特點(diǎn)和實(shí)際的通信應(yīng)用需求，進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)和布置，既可以單路設(shè)計(jì)，也可以雙路設(shè)計(jì)，也可以帶合路器設(shè)計(jì)，甚至可以通過光纖延伸到數(shù)十公里之外。

綜上所述，在本方案中，無線傳輸集成設(shè)計(jì)使得無線傳輸模塊可以按通信系統(tǒng)的具體需求進(jìn)行靈活配置，能夠滿足機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)的通用化、系列化和模塊化要求。

（三）有線傳輸集成設(shè)計(jì)

有線傳輸?shù)哪K化集成設(shè)計(jì)相對(duì)于無線傳輸來說更簡單，其原理就是將傳統(tǒng)的有線傳輸設(shè)備（如SDH光端機(jī)、SHDSL被復(fù)線傳輸設(shè)備等）按照本文VPX基礎(chǔ)集成平臺(tái)功能模塊的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性改造，主要涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也就是將通信設(shè)備板卡化，設(shè)計(jì)為符合VITA46和VITA48標(biāo)準(zhǔn)的VXP板卡。

有線傳輸集成設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)方案如圖4所示。其中，有線傳輸模塊的前插板通過CPU、FPGA、SDH/SHDSL及接口電路完成信道傳輸?shù)闹饕δ埽蟛灏鍎t通過光模塊或者變壓器來完成光纖或被復(fù)線傳輸線路的物理信號(hào)適配。

（四）通信系統(tǒng)健康管理

本方案中，控制與管理模塊固定裝配于第14槽位，用于完成VITA46.11[5]標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的健康管理功能，其具體的工作內(nèi)容主要包括：①通過管理總線實(shí)時(shí)采集并上報(bào)功能模塊的工作電壓、電流和溫度；②接收管理指令并控制功能模塊的通斷電狀態(tài)；③實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)箱風(fēng)扇的工作狀態(tài)，根據(jù)機(jī)箱內(nèi)各個(gè)模塊的工作溫度實(shí)時(shí)地、自動(dòng)調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；④顯示各個(gè)功能模塊的基本信息，含模塊軟件版本、模塊生產(chǎn)廠商及生產(chǎn)日期、累計(jì)加電時(shí)間等；⑤提供可視化配置管理接口；⑥支持WEB和SNMP協(xié)議。

五、結(jié)束語

本文按照通用化、系列化、模塊化的設(shè)計(jì)思路，提出了一種基于VPX總線架構(gòu)的機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)的模塊化集成設(shè)計(jì)的方案。同時(shí)詳細(xì)描述了集成基礎(chǔ)平臺(tái)的系統(tǒng)組成實(shí)現(xiàn)，并在此基礎(chǔ)上提出了系統(tǒng)總線、無線傳輸設(shè)備、有線傳輸設(shè)備以及健康管理等各個(gè)模塊的集成設(shè)計(jì)方案。本文所提出的方案是一個(gè)通用化架構(gòu)，開放性高，同時(shí)還具備較強(qiáng)的兼容性及互操作性，因此能夠滿足不同通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，不僅能夠應(yīng)用于機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)靈活配置、按需擴(kuò)展等要求較高的機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)，同時(shí)還可以應(yīng)用于固定站通信系統(tǒng)。

作者單位：張?jiān)朴?雷鵬 周朋 中國電子科技集團(tuán)公司第七研究所

參" 考" 文" 獻(xiàn)

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