李 莉 彭 雋

（武漢船舶通信研究所 武漢 430079)

1 引言

由于體制結(jié)構(gòu)的限制，我三軍裝備了大量不同類型的短波電臺(tái)，而為了克服短波通信容量有限、傳輸穩(wěn)定性差和抗干擾性能差等缺點(diǎn)，又相繼出現(xiàn)了頻率自適應(yīng)、寬帶抗干擾等多種新技術(shù)，每實(shí)現(xiàn)一種新的業(yè)務(wù)功能，都需研制一款新的短波設(shè)備或模塊板卡，不僅給短波通信系統(tǒng)總體的電磁兼容性和可靠性設(shè)計(jì)帶來(lái)了不小的難度，還會(huì)大幅增加系統(tǒng)成本和調(diào)試周期。同時(shí)，也造成了短波電臺(tái)類型眾多且不能互聯(lián)互通的局面，嚴(yán)重制約著三軍的協(xié)同作戰(zhàn)能力。本文將軟件無(wú)線電的思想引入短波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有業(yè)務(wù)波形的模塊化封裝，新波形組件的復(fù)用、重構(gòu)和動(dòng)態(tài)加載，通用硬件模塊的無(wú)縫升級(jí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的平滑升級(jí)，新技術(shù)、新體制波形的低成本注入，以及多通信頻段的業(yè)務(wù)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(xiàn)今以硬件為主導(dǎo)的技術(shù)體制帶來(lái)的功能擴(kuò)展復(fù)雜和難以互連互通的問(wèn)題。

2 基于軟件無(wú)線電的短波通信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

軟件無(wú)線電的核心思想是構(gòu)造一個(gè)具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái)，將各種功能如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、加密模式等用軟件來(lái)完成，通過(guò)加載不同的通信軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的通信模式和功能［1］。軟件通信體系架構(gòu)（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(wú)線電系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［2］，它規(guī)定了通信設(shè)備的軟件體系結(jié)構(gòu)、硬件體系結(jié)構(gòu)和安全體系結(jié)構(gòu)，以及API接口規(guī)范，其目的是實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信設(shè)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(gè)系統(tǒng)的開放型及可擴(kuò)展性，使系統(tǒng)升級(jí)簡(jiǎn)單，減少系統(tǒng)開發(fā)費(fèi)用、縮短開發(fā)時(shí)間［3］。

SCA規(guī)范將是未來(lái)美國(guó)各軍兵種無(wú)線通信系統(tǒng)都將遵循的一體化體系結(jié)構(gòu)。因此，基于軟件無(wú)線電的短波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)也必須遵循SCA的設(shè)計(jì)規(guī)范，它將是一個(gè)以軟件為核心的信號(hào)處理平臺(tái)，由波形開發(fā)和管理環(huán)境、硬件平臺(tái)及軟件平臺(tái)等部分組成。在該系統(tǒng)中要求硬件結(jié)構(gòu)必須通用化、模塊化，即硬件體系結(jié)構(gòu)不能針對(duì)某個(gè)特定的功能設(shè)計(jì)，而是設(shè)計(jì)成可擴(kuò)展、可升級(jí)的通用設(shè)備，這些設(shè)備通過(guò)邏輯軟件包進(jìn)行封裝和描述，并可通過(guò)在軟件平臺(tái)上加載不同的功能軟件模塊實(shí)現(xiàn)特定的波形應(yīng)用［4］。以下將分為硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)架構(gòu)兩部分進(jìn)行設(shè)計(jì)方案描述。

3 硬件平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

模塊化是軟件無(wú)線電系統(tǒng)的一個(gè)重要特征，無(wú)論硬件、軟件都是由多種功能模塊按照一定的體系架構(gòu)組織起來(lái)的。硬件平臺(tái)架構(gòu)的設(shè)計(jì)原則是保證模塊化硬件的可擴(kuò)展性和可升級(jí)性［4］，能夠支持未來(lái)短波通信系統(tǒng)覆蓋更廣的頻率范圍和實(shí)現(xiàn)更大的工作帶寬的潛在需求，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

常見的三種硬件平臺(tái)架構(gòu)包括流水式架構(gòu)、總線式架構(gòu)和交換式架構(gòu)。本文采用標(biāo)準(zhǔn)CPCI總線架構(gòu)，它的功能模塊之間的耦合性比流水式架構(gòu)更低，可擴(kuò)展性更強(qiáng)；具體實(shí)現(xiàn)時(shí)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和難度比交換式架構(gòu)要低。

按照總線架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、開放性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則［5］，基于軟件無(wú)線電的短波通信系統(tǒng)中的硬件平臺(tái)由射頻接收模塊、射頻發(fā)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(tǒng)硬件的兼容性和可擴(kuò)展性。硬件平臺(tái)的各主要功能模塊與運(yùn)行波形開發(fā)、部署和管理軟件的上位機(jī)模塊通過(guò)網(wǎng)口互聯(lián)。波形處理模塊和RF接收模塊、RF發(fā)射模塊也可根據(jù)需要配置多塊，以構(gòu)成多頻段、多通道分布式的復(fù)雜信號(hào)處理平臺(tái)。

圖1 硬件平臺(tái)組成框圖

主控制模塊采用由MPC8572PowerPC處理器和FPGA組成的硬件結(jié)構(gòu)，PowerPC安裝VxWorks操作系統(tǒng)，其上將加載波形處理模塊、RF接收模塊和RF發(fā)射模塊的程序和驅(qū)動(dòng)，執(zhí)行SCA的核心框架（CF)、設(shè)備管理器（Device Manager)、域管理器（Domain Manager)、應(yīng)用程序工廠（Application Factory)等。主控制模塊可根據(jù)上位機(jī)模塊的命令，完成整個(gè)系統(tǒng)硬件平臺(tái)的配置管理，同時(shí)也可承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議算法的實(shí)現(xiàn)。

波形處理模塊是硬件平臺(tái)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(tǒng)的可編程能力和信號(hào)處理能力，承載多種現(xiàn)有不同帶寬的波形體制并支撐未來(lái)的技術(shù)升級(jí)需求，基帶處理板采用了多片DSP和FPGA組合的架構(gòu)，對(duì)外提供高速數(shù)據(jù)傳輸接口及控制傳輸接口，使用變速率處理技術(shù)對(duì)數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行數(shù)字上下變頻處理，完成適當(dāng)倍數(shù)的插值與抽取、信號(hào)濾波、符號(hào)速率匹配和調(diào)制解調(diào)、擴(kuò)頻解擴(kuò)、信道編譯碼等波形處理功能。

在該硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)方案中，RF接收模塊和RF發(fā)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(hào)與接收信號(hào)的頻率差增大，便于帶通濾波器濾除鏡頻干擾，而且多級(jí)放大也更加穩(wěn)定。分頻段濾波的可以提高接收機(jī)的鏡像抑制度和靈敏度，保證短波通信系統(tǒng)的同址雙工工作能力。由于RF收發(fā)模塊采用了統(tǒng)一中頻設(shè)計(jì)和數(shù)字中頻帶通采樣結(jié)構(gòu)，降低了對(duì)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(tái)中第三方業(yè)務(wù)波形的集成注入和動(dòng)態(tài)加卸載提供了通用化的運(yùn)行平臺(tái)。

4 軟件平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于軟件無(wú)線電的短波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心就是“重配置性”，主要體現(xiàn)在軟件在異構(gòu)平臺(tái)之間的可重用性。SCA規(guī)范將操作系統(tǒng)、中間件等計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)引入軟件無(wú)線電，定義了層次化的軟件體系結(jié)構(gòu)［6］，共分為六層：板級(jí)支持包（總線層)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和接口服務(wù)層、操作系統(tǒng)層、CORBA中間件層、核心框架層和應(yīng)用層。通過(guò)CORBA軟總線屏蔽底層具體的硬件實(shí)現(xiàn)［8］，最上層的應(yīng)用波形組件通過(guò)核心框架提供的標(biāo)準(zhǔn)API互連，實(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算。波形成為無(wú)線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用軟件，波形開發(fā)者像Windows程序員一樣主要關(guān)注組件的劃分和設(shè)計(jì)，不用了解底層數(shù)據(jù)的交互過(guò)程，就可以直接利用現(xiàn)有的組件進(jìn)行波形重構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)代碼的可移植、可復(fù)用和可重構(gòu)。

4.1 總體架構(gòu)

如圖2所示，上位機(jī)模塊Windows操作系統(tǒng)上運(yùn)行開發(fā)用的SCA OE（Operation Environment，操作環(huán)境，集成了核心框架（CF，Core Framework)、CORBA中間件和應(yīng)用接口)和波形集成開發(fā)部署管理軟件（包括波形集成開發(fā)環(huán)境和波形部署管理界面)。主控制模塊上運(yùn)行針對(duì)硬件板卡和操作系統(tǒng)的SCA OE，即針對(duì)確定的PowerPC芯片型號(hào)和VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)的OE，波形集成開發(fā)部署管理軟件提供針對(duì)該OE的編譯連接工具。主控制模塊上運(yùn)行的OE和上位機(jī)模塊上運(yùn)行的OE都是SCA兼容的。上位機(jī)模塊和主控制模塊間通過(guò)CORBA的命名服務(wù)，采用GIOP/IIOP（General Inter－ORB Protocol，GIOP)協(xié)議進(jìn)行CORBA 通信［7］。

圖2 軟件平臺(tái)組成

SCA波形集成開發(fā)環(huán)境采用基于模型的應(yīng)用波形設(shè)計(jì)流程，以提升波形的可移植性和可重用性。支持針對(duì)不同SCA OE的自動(dòng)代碼生成功能，模型自動(dòng)代碼生成將產(chǎn)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(cè)試與平常的開發(fā)調(diào)試方式相同，通過(guò)將DSP和FPGA編譯好的.out與.bin文件與框架容器代碼進(jìn)行集成，生成符合SCA規(guī)范的波形。這里需要說(shuō)明的是，SCA并不是一種波形規(guī)范，而是一個(gè)基于CORBA、XML DTD（Extensible Markup Language，可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言，Document Type Definition，文檔類型定義)和POSIX（Portable Operation System Interface，可移植操作系統(tǒng)接口)技術(shù)來(lái)進(jìn)行軟件無(wú)線電管理和應(yīng)用部署的框架。

4.2 波形組件化開發(fā)

在SCA波形集成開發(fā)環(huán)境中主控制模塊作為主節(jié)點(diǎn)，運(yùn)行VxWorks操作系統(tǒng)，并在操作系統(tǒng)上加載SCA操作環(huán)境（SCA OE，主要包括 Domain Manager、Device Manager、日志服務(wù))。在主控模塊 MPC8572節(jié)點(diǎn)PPC8572Node上運(yùn)行域管理器domain Manager和設(shè)備管理器Device Manager，一套平臺(tái)上只能運(yùn)行一個(gè)域管理器。節(jié)點(diǎn)上包含了由Device Manager組件控制著的一系列設(shè)備，包括CORBA設(shè)備MPc8572、RF Device設(shè)備、RF Switch設(shè)備的軟件視圖，而可執(zhí)行設(shè)備DSP和可加載設(shè)備FPGA這類非CORBA設(shè)備則統(tǒng)一虛擬為MHAL Device［8］。主控制模塊上的波形組件可以通過(guò)調(diào)用MHAL提供的通信代理服務(wù)與波形處理模塊上FPGA、DSP運(yùn)行的波形組件進(jìn)行互通。

波形通過(guò)組件化方式進(jìn)行開發(fā)，以QPSK波形為例，按功能可簡(jiǎn)單劃分為編碼Coder和解碼Decoder兩個(gè)組件。Coder和Decoder組件可通過(guò)設(shè)置依賴屬性PropertyRef，如 MIPS（Million Instructions Per Second，每秒百萬(wàn)條指令)、Throughput（吞吐量)等指標(biāo)，選擇待部署運(yùn)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(shè)備代理，與MPC8572進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。裝配控制器屬于核心框架管理類組件，每個(gè)SCA波形都需要有一個(gè)裝配控制器（Assembly Controller)來(lái)對(duì)波形的各個(gè)組件進(jìn)行控制［9］。

4.3 動(dòng)態(tài)加載流程

主控制模塊上電后啟動(dòng)OE環(huán)境中的域管理器和設(shè)備管理器，并創(chuàng)建命名服務(wù)和文件系統(tǒng)。用戶通過(guò)上位機(jī)模塊上的波形部署管理界面向硬件平臺(tái)上的域管理器請(qǐng)求波形部署，域管理器根據(jù)請(qǐng)求讀取文件系統(tǒng)中相關(guān)的波形XML文件，將波形組件分別部署到硬件平臺(tái)的GPP和FPGA、DSP計(jì)算節(jié)點(diǎn)上，并連接組件，組件間通過(guò)CORBA接口和MHAL代理進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行在FPGA上的波形組件與CPU波形組件之間的CORBA通信［10］。應(yīng)用配置成功后，會(huì)在域管理器中進(jìn)行注冊(cè)，波形開始運(yùn)行。使用波形部署管理軟件時(shí)，上位機(jī)模塊還作為通信系統(tǒng)的信源和信宿，進(jìn)行輸入輸出數(shù)據(jù)/控制流的管理。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種可實(shí)現(xiàn)的基于軟件無(wú)線電的短波通信系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)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(dòng)態(tài)加載，并支持窄、寬帶業(yè)務(wù)波形的可移植性、可配置性。該設(shè)計(jì)方案與傳統(tǒng)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(jí)等優(yōu)勢(shì)?；谲浖o(wú)線電的短波通信系統(tǒng)是滿足未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)通信要求、打贏信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的重要技術(shù)保障，代表了戰(zhàn)術(shù)通信裝備的重要發(fā)展方向，對(duì)推動(dòng)我國(guó)軍用軟件無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用具有一定的意義。

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