基于數(shù)字中頻交換的多通道通信終端架構(gòu)設(shè)計(jì)

摘 要： 在機(jī)載通信領(lǐng)域中，滿足多任務(wù)同時(shí)通信通常需要配備多部通信終端，但多部通信終端的配備不僅給飛機(jī)體積、重量和功耗等帶來不小壓力，可靠性也較差。為解決上述矛盾，在充分研究現(xiàn)有通信終端架構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過對通信終端信號處理流程的詳細(xì)分析，提出了一種基于數(shù)字中頻交換的多通道通信終端架構(gòu)設(shè)計(jì)新方法，滿足了多任務(wù)同時(shí)通信且可靠性高的工程需求。

關(guān)鍵詞： 機(jī)載通信； 多任務(wù)； 數(shù)字中頻交換； 多通道通信終端架構(gòu)

中圖分類號： TN914.3?34； V243.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）11?0005?04

Abstract： In airborne communication field， the multiple communication terminals are normally needed to satisfy the multitask simultaneous communication. However， the equipped multiple communication terminals may bring in some problems in the aspects of the airplane′s size， weight and power consumption， and cause poor reliability. To solve the above contradictions， on the basis of the full study of the existing communication terminal architectures， a new design method for the multichannel communication terminal architecture based on digital intermediate frequency （IF） exchange is put forward by a detailed analysis on the processing flow of the communication terminal signal， which can satisfy the engineering demands of multitask simultaneous communication and high reliability.

Keywords： airborne communication； multitask； digital IF exchange； multichannel communication terminal architecture

0 引 言

在某些特定應(yīng)用情況中，常常需要多任務(wù)同時(shí)通信。但現(xiàn)有的通信終端多為單通道設(shè)備[1?6]，只能實(shí)現(xiàn)單任務(wù)的信息傳輸。為實(shí)現(xiàn)同時(shí)多任務(wù)通信有兩種方案：方案一：配備多部通信終端，每個(gè)通信終端完成一個(gè)任務(wù)的通信；方案二：研制多通道通信終端，在一個(gè)通信終端內(nèi)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的同時(shí)通信需求。

上述兩種方案都能實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的同時(shí)傳輸，但方案一不具備經(jīng)濟(jì)性，并且在特定場合尤其在機(jī)載通信中，通信終端的飛機(jī)載體對體積、重量和功耗等要求苛刻，無法提供多部通信終端的配備環(huán)境。

本文針對某飛機(jī)平臺實(shí)際工程需求，對現(xiàn)有通信終端的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了充分研究，在詳細(xì)分析通信終端信號處理流程的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種新型機(jī)載多通道通信終端，該通信終端創(chuàng)新性地引入數(shù)字中頻交換網(wǎng)絡(luò)，滿足了多任務(wù)同時(shí)通信且可靠性高的工程實(shí)際需求。

1 現(xiàn)有通信終端架構(gòu)分析

1.1 單通道通信終端架構(gòu)

現(xiàn)有單通道通信終端基于軟件無線電思想，硬件采用模塊化實(shí)現(xiàn)，在組成上主要包括：電源模塊、功放模塊、信道模塊、信號處理模塊和接口與控制模塊等，各模塊通過背板實(shí)現(xiàn)信號互連。架構(gòu)形態(tài)如圖1所示。

電源模塊主要實(shí)現(xiàn)對外部輸入電源的濾波、整形和變換，為設(shè)備內(nèi)其他各模塊提供工作電源。

功放模塊主要實(shí)現(xiàn)收發(fā)射頻信號開關(guān)切換，射頻發(fā)射信號的功率放大、濾波，射頻接收信號的限幅、濾波和低噪放等處理。

信道模塊主要實(shí)現(xiàn)收發(fā)信號的上下變頻、濾波、放大和變頻信號產(chǎn)生等。

信號處理模塊主要實(shí)現(xiàn)收中頻信號的模/數(shù)變換（Analog?to?Digital Converter，ADC）、數(shù)字變頻、抽取、濾波、同步、解調(diào)和信道解碼等處理，發(fā)基帶信號的信道編碼、調(diào)制、變頻和數(shù)模變換（Digital?to?Analog Converter，DAC）等。

接口與控制模塊主要實(shí)現(xiàn)基帶信號的分組幀、接口變換與系統(tǒng)交互和整機(jī)參數(shù)控制管理等功能。

上述模塊按照一比一配置，實(shí)現(xiàn)一路任務(wù)信號的通信處理。

1.2 多通道通信終端架構(gòu)

單通道通信終端只能滿足單任務(wù)的信息傳輸，當(dāng)需要同時(shí)進(jìn)行多任務(wù)傳輸時(shí)，需要配置多部通信終端才能滿足需要，無法滿足對成本、體積、重量和功耗等要求苛刻的場合。

此時(shí)，有必要配備多通道通信終端以滿足工程需求。但現(xiàn)有的多通道通信終端[7?8]在復(fù)用電源模塊和接口與控制模塊采用信號處理通道的簡單累加，一個(gè)處理通道實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定任務(wù)的處理。架構(gòu)形態(tài)如圖2所示。

1.3 缺點(diǎn)

上述兩種現(xiàn)有終端架構(gòu)都存在不足之處。單通道通信終端不能較好的滿足多任務(wù)傳輸需求。多通道通信終端采用處理通路的簡單累加，通過復(fù)用接口與控制模塊和電源模塊，可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的同時(shí)傳輸，但這種架構(gòu)缺乏靈活性，可靠性也較差。假如一個(gè)通道的信道模塊和另一個(gè)通道的信號處理模塊故障，則兩個(gè)通道都將喪失功能，不能充分利用這兩個(gè)通道上剩余的好的信道模塊和信號處理模塊。

如果能夠在多通道處理終端的功放模塊、信道模塊和信號處理模塊之間引入交換網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)不同的處理通道出現(xiàn)非同類型模塊故障時(shí)，可以通過交換網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)備架構(gòu)的重配置，利用故障通道上好的剩余模塊重新構(gòu)建一條完整的處理通道，則將大大提高設(shè)備的靈活性和可靠性。

2 基于交換的多通道通信終端架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 通信終端的信號流程分析

通信終端接收時(shí)，天線接收空間傳播的射頻信號送給功放模塊，通過收發(fā)開關(guān)切換送入接收處理通道，濾波后經(jīng)過低噪放放大處理送給信道模塊，在信道模塊內(nèi)實(shí)現(xiàn)射頻信號的下變頻處理，通過中頻放大和濾波后在信號處理模塊實(shí)現(xiàn)中頻ADC采樣，采樣后的數(shù)字中頻在數(shù)字域進(jìn)行下變頻、抽取和解調(diào)。通信終端發(fā)射時(shí)，處理過程為接收過程的逆過程。接收信號處理流程如圖3所示。

2.2 交換點(diǎn)的選取

由圖3的信號處理流程可知，功放模塊、信道模塊和信號處理模塊之間的信息交互形態(tài)是射頻和中頻信號。如果在射頻信號處進(jìn)行交換，由于不同的處理通道射頻頻率可能存在較大的差異，信道模塊針對不同的處理通道也會選用不同的濾波器，交換后的射頻信號將出現(xiàn)與濾波器不匹配從而無法實(shí)現(xiàn)正常收發(fā)。因此，考慮在中頻信號處進(jìn)行交換。但基于圖3中模擬中頻信號交換需要引入模擬交換開關(guān)，信道模塊和信號處理模塊之間用射頻電纜進(jìn)行互連，存在以下缺點(diǎn)：

（1） 模擬交換開關(guān)、功分器等引起信號信噪比惡化；

（2） 模擬中頻信號采用專用射頻電纜而非背板互連，增加設(shè)備復(fù)雜度；

（3） 多通道需要多根射頻電纜互連，增加設(shè)備重量；

（4） 多根射頻電纜互連，降低設(shè)備可靠性。

進(jìn)一步對信號流程進(jìn)行分析可知，中頻信號在信號處理模塊內(nèi)進(jìn)行中頻ADC采樣，采樣后即為數(shù)字中頻信號。如果能基于數(shù)字中頻信號進(jìn)行交換，則可避免上述基于模擬信號交換的諸多缺點(diǎn)。因此，將中頻ADC/DAC采樣電路前移至信道模塊，信道模塊和信號處理模塊間的信號交互由模擬中頻信號變換為數(shù)字中頻信號，改變后的架構(gòu)既克服了上述基于模擬信號交換的缺點(diǎn)，又可避免原信號處理模塊中數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)可能對模擬信號引起的干擾，提高了系統(tǒng)的信噪比。此時(shí)，接收信號處理流程和發(fā)射信號處理流程如圖4所示。

2.3 數(shù)字中頻交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

由于目前的中頻ADC/DAC數(shù)字接口多為并行接口，如果直接對并行數(shù)據(jù)接口進(jìn)行交換，則模塊間的互聯(lián)信號線太多，并且考慮到中頻信號的采樣率通常為幾十兆樣本每秒（Million Samples Per Second，MSPS）量級，因此，對并行數(shù)據(jù)進(jìn)行串化處理，模塊間的數(shù)字中頻交換基于串化后的串行數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)。

對并行數(shù)據(jù)進(jìn)行串化處理有兩種實(shí)現(xiàn)方案。

方案一：基于專用串化解串芯片實(shí)現(xiàn)

基于專用串化解串芯片的技術(shù)方案相對更加成熟，以美國國半公司的DS92LV16串化解串器為例。DS92LV16串化解串器可以實(shí)現(xiàn)16 b并行數(shù)據(jù)的串化和一路串行總線型低壓差動信號（Bus Low Voltage Differential Signal，BLVDS）解串為16 b并行數(shù)據(jù)的雙工處理，并行端口數(shù)據(jù)速率支持25～80 MHz頻率范圍，滿足使用要求。由于串化器串行數(shù)據(jù)輸出內(nèi)嵌了2 b時(shí)鐘信息位，因此串化后的串行線速率是18倍的并行數(shù)據(jù)率。串化解串器接口較簡單，發(fā)送端主要相關(guān)的信號有16 b并行數(shù)據(jù)口和時(shí)鐘口，可以與中頻ADC輸出直接互聯(lián)。串化后的串行BLVDS信號通過低壓差動信號（Low Voltage Differential Signal，LVDS）交換矩陣實(shí)現(xiàn)交換，本方案選用的是4×4交換矩陣芯片SN65LVDT125A，可以實(shí)現(xiàn)4路輸入和4路輸出的任意交換。接收端只需要給解串器提供發(fā)送端并行數(shù)據(jù)率相同的參考頻率時(shí)鐘，解串器即可通過LOCK信號指示是否鎖定，并將恢復(fù)串行數(shù)據(jù)內(nèi)嵌的并行數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號輸出。

基于串化解串芯片實(shí)現(xiàn)的中頻交換網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。

方案二：基于現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）內(nèi)嵌的ROCKET IO硬核實(shí)現(xiàn)

目前主流的FPGA內(nèi)部都集成了或多或少的ROCKET IO高速接口，ROCKET IO內(nèi)部集成串化解串功能，采用8B/10B編碼實(shí)現(xiàn)直流平衡，通過預(yù)加重/去加重和均衡等技術(shù)，能支持線速率高達(dá)10 Gbaud量級，因此，可以提供更高的中頻ADC/DAC采樣率。

但該方案需要基于流傳輸?shù)腁urora協(xié)議支撐，技術(shù)難度相對較高，并且ROCKET IO對時(shí)鐘和電源要求很高，需要配置專門的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)和電源處理電路，增加電路的復(fù)雜性，也降低了可靠性。

最終，選取方案一作為設(shè)備最后實(shí)現(xiàn)的方案，方案一技術(shù)成熟，風(fēng)險(xiǎn)小且可控。

2.4 基于數(shù)字中頻交換網(wǎng)絡(luò)的多通道處理終端架構(gòu)實(shí)現(xiàn)

實(shí)際工程需要實(shí)現(xiàn)4收4發(fā)的多任務(wù)同時(shí)半雙工通信，每個(gè)通道的信道模塊選用一片收發(fā)全雙工串化解串芯片，實(shí)現(xiàn)一路收發(fā)的串化解串處理。信道模塊與信號處理模塊之間選用兩片4×4交換矩陣芯片，其中一片用于信號交換，一片作為備份以提高設(shè)備可靠性。每個(gè)信號處理模塊選用一片收發(fā)全雙工串化解串芯片，處理與信道模塊相對應(yīng)的串化解串處理。

信道模塊和信號處理模塊之間的串行數(shù)字中頻速率相對較高，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)必須注意高速信號的完整性，按照高速信號的布線規(guī)則進(jìn)行布線?；跀?shù)字中頻交換網(wǎng)絡(luò)的多通道處理終端架構(gòu)如圖6所示。

3 結(jié)果及驗(yàn)證

硬件調(diào)試完畢后，與信道模塊一起在整機(jī)背板對數(shù)字中頻交換架構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 信號接收驗(yàn)證

信道輸入中頻測試單載波，ADC采樣后的并行數(shù)據(jù)串化后經(jīng)過數(shù)字中頻交換網(wǎng)絡(luò)送給信號處理模塊，信號處理模塊進(jìn)行解串處理，將恢復(fù)出的ADC并行數(shù)據(jù)通過WaveVision軟件繪圖，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，ADC采樣波形平滑無掉點(diǎn)錯(cuò)點(diǎn)，表明基于數(shù)字中頻交換的信號接收通路傳輸穩(wěn)定可靠。

3.2 信號發(fā)射驗(yàn)證

信號處理模塊產(chǎn)生單載波I和Q并行數(shù)據(jù)，經(jīng)串化處理，通過數(shù)字中頻交換網(wǎng)絡(luò)送給信道模塊，信道模塊解串后將I和Q并行數(shù)據(jù)送給DAC器件進(jìn)行DAC，變換出的單載波波形如圖8所示。

由圖8可知，輸出單載波波形頻率準(zhǔn)確，基于數(shù)字中頻交換的信號發(fā)射通路傳輸穩(wěn)定可靠。

4 結(jié) 語

基于工程需要，本文設(shè)計(jì)了一種新型的基于數(shù)字中頻交換的多通道通信終端架構(gòu)，并對最后的實(shí)現(xiàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。通過驗(yàn)證表明，基于數(shù)字中頻交換的多通道通信終端架構(gòu)方案可行，當(dāng)兩個(gè)處理通道的信道模塊和信號處理模塊故障時(shí)，通過配置交換網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)一條完整的處理通道即可正常通信?？朔四壳巴ㄐ沤K端的架構(gòu)弊端，提高了設(shè)備的靈活性，滿足了工程多任務(wù)同時(shí)傳輸和高可靠性要求。

該新型架構(gòu)對其他類似的多通道信息處理設(shè)備同樣具有很好的借鑒意義。

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