超短波無(wú)線電監(jiān)視接收機(jī)功能可重構(gòu)設(shè)計(jì)

劉旭波，李 迅，趙紅訓(xùn)

(1.中國(guó)人民解放軍91977部隊(duì)，北京 100142； 2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

無(wú)線電監(jiān)視設(shè)備多功能一體化設(shè)計(jì)，可以有效提高設(shè)備的作用能力，降低設(shè)備量和設(shè)備的復(fù)雜程度，提高設(shè)備的可靠性；通過(guò)信號(hào)處理按需實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)重構(gòu)、遷移部署及虛擬化資源管理技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)感知信號(hào)處理系統(tǒng)以任務(wù)驅(qū)動(dòng)的快速功能切換，以應(yīng)對(duì)瞬息萬(wàn)變的電磁環(huán)境，降低系統(tǒng)壽命周期的費(fèi)用。根據(jù)行動(dòng)和任務(wù)需求進(jìn)行系統(tǒng)功能的可重構(gòu)、可定制，動(dòng)態(tài)管理分配軟硬件資源進(jìn)行系統(tǒng)功能的重構(gòu)，進(jìn)而提高設(shè)備資源利用率，實(shí)現(xiàn)資源使用效率最大化，已成為現(xiàn)代裝備發(fā)展的必然趨勢(shì)和主流方向。

1 模型建立

超短波無(wú)線電監(jiān)視接收機(jī)主要用于完成VHF/UHF頻段內(nèi)寬頻段信號(hào)的快速搜索、截獲、分析、識(shí)別、解調(diào)等功能。接收機(jī)采用基模塊化、陣列化、數(shù)字化、可重構(gòu)設(shè)計(jì)思想的VPX總線結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)處理功能的靈活配置[1]。

超短波無(wú)線電監(jiān)視接收機(jī)主要由參考源模塊、模擬信道模塊1-3、本振模塊1-3、PowerPC模塊、數(shù)字處理模塊1-3、通信接口模塊、采樣模塊、時(shí)鐘分路模塊、電源模塊組成。其組成框圖見(jiàn)圖1 所示。

圖1 超短波無(wú)線電監(jiān)視接收機(jī)組成框圖

接收機(jī)控制3路射頻輸入信號(hào)進(jìn)入3個(gè)模擬信道模塊，輸出窄帶和寬帶的中頻信號(hào)。其中：信道模塊完成對(duì)信號(hào)的濾波、放大和變頻，輸出模擬中頻信號(hào)，各本振提供對(duì)應(yīng)信道的本振頻率，參考源模塊為各本振單元提供參考信號(hào)，用于各信道設(shè)置不同的本振頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同頻率信號(hào)的接收。根據(jù)信號(hào)頻率對(duì)信道進(jìn)行控制，多通道采樣模塊分別接收三個(gè)模擬信道輸出的中頻信號(hào)，完成信號(hào)的采樣，通過(guò)底板總線將數(shù)據(jù)先發(fā)送至數(shù)字處理模塊。數(shù)字處理模塊主要完成信號(hào)多路數(shù)字下變頻處理、信號(hào)檢測(cè)、截獲、分析、測(cè)量、樣式識(shí)別、解調(diào)等功能。其中：FPGA完成數(shù)字下變頻、濾波、抽取、FFT，得到信號(hào)的頻率、幅度等信息，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)帶寬全景監(jiān)視功能；DSP完成寬帶信號(hào)采樣數(shù)據(jù)的頻譜顯示、信號(hào)檢測(cè)分析等功能。對(duì)于窄帶通道數(shù)字處理，數(shù)字處理模塊各DSP根據(jù)指令完成信號(hào)分析、音頻解調(diào)、數(shù)字化信道等。

數(shù)字處理模塊的處理結(jié)果通過(guò)SRIO總線輸出給對(duì)插的通信接口板，通過(guò)網(wǎng)口連接到外部網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)傳輸?shù)斤@控終端。

PowerPC模塊上設(shè)計(jì)有高性能CPU芯片，負(fù)責(zé)機(jī)箱內(nèi)部資源的檢測(cè)識(shí)別、管理調(diào)度，并實(shí)現(xiàn)協(xié)議分析功能，同時(shí)負(fù)責(zé)接收和分解席位下發(fā)的指令，根據(jù)當(dāng)前需求為數(shù)字處理模塊加載相應(yīng)軟件，設(shè)置分機(jī)內(nèi)的各硬件模塊的工作參數(shù)。

2 系統(tǒng)功能重構(gòu)技術(shù)

通用設(shè)備資源設(shè)計(jì)和即插即用式擴(kuò)展設(shè)計(jì)為系統(tǒng)功能重構(gòu)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)，根據(jù)任務(wù)或作戰(zhàn)需求，對(duì)設(shè)備資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)重構(gòu)[2]，確保系統(tǒng)執(zhí)行多樣化任務(wù)。

系統(tǒng)功能重構(gòu)分2個(gè)層次：硬件重構(gòu)和軟件重構(gòu)。通用處理平臺(tái)的數(shù)字處理板、機(jī)箱安裝結(jié)構(gòu)、部件結(jié)構(gòu)、可選擇的系列后插板、模擬單元均相同，底板提供的可選配模擬單元、通用數(shù)字處理板的槽位數(shù)量不同，滿足了系統(tǒng)硬件重構(gòu)的需求。通過(guò)硬件資源重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同頻段常用不同種類分機(jī)的功能；根據(jù)任務(wù)或功能的要求通過(guò)快捷的軟件重構(gòu)完成系統(tǒng)功能規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的改變以滿足實(shí)際需求。

基于統(tǒng)一的通用設(shè)計(jì)體系，通過(guò)硬件資源的通用化、可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)，利用多個(gè)硬件模塊動(dòng)態(tài)插拔組合完成系統(tǒng)硬件重構(gòu)，隨著系統(tǒng)能力需求的變化和技術(shù)的進(jìn)步，可以方便地?cái)U(kuò)展功能進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)。通過(guò)硬件重構(gòu)各種板卡和模塊可以互相備份替換，避免資源浪費(fèi)，從而讓裝備的發(fā)展演進(jìn)更加科學(xué)、經(jīng)濟(jì)和合理。

軟件功能重構(gòu)分為整體重構(gòu)和部分重構(gòu)。整體重構(gòu)即重構(gòu)整個(gè)平臺(tái)內(nèi)所有嵌入式軟件。整體重構(gòu)應(yīng)用于平臺(tái)功能需要重大改變的情況，如由偵察重構(gòu)為測(cè)向、由單機(jī)處理重構(gòu)為陣列處理等情況。部分重構(gòu)即對(duì)平臺(tái)內(nèi)部分板卡或同一塊板卡上的部分功能進(jìn)行重構(gòu)，其他功能的運(yùn)行不受影響。部分重構(gòu)應(yīng)用于平臺(tái)功能進(jìn)行微調(diào)或擴(kuò)展的情況，如測(cè)向時(shí)增加偵察功能、擴(kuò)展通道數(shù)等情況。

軟件重構(gòu)設(shè)計(jì)中基于軟件模塊化組件技術(shù)，各功能模塊作為一個(gè)軟件組件，根據(jù)任務(wù)和作戰(zhàn)需求進(jìn)行軟件組件的動(dòng)態(tài)加載，完成相應(yīng)的系統(tǒng)功能。其中軟件類別包含板級(jí)PowerPC管理控制軟件、信號(hào)處理DSP軟件以及頂層的顯控應(yīng)用軟件。

基于系統(tǒng)功能軟件化的思路，在統(tǒng)一的通用設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)下，裝備的功能主要由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，硬件平臺(tái)主要為軟件運(yùn)行提供基礎(chǔ)支撐。通過(guò)軟件的重構(gòu)實(shí)現(xiàn)裝備系統(tǒng)功能的重構(gòu)，同一套系統(tǒng)能綜合處理和應(yīng)對(duì)多種目標(biāo)體制，并能通過(guò)靈活組態(tài)，執(zhí)行多樣化任務(wù)。

3 硬件重構(gòu)設(shè)計(jì)

通用設(shè)備資源設(shè)計(jì)和即插即用式擴(kuò)展設(shè)計(jì)為系統(tǒng)功能硬件重構(gòu)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)，根據(jù)任務(wù)對(duì)設(shè)備資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)重構(gòu)，確保系統(tǒng)能夠執(zhí)行多樣化任務(wù)。

3.1 板卡即插即用式擴(kuò)展設(shè)計(jì)

通用數(shù)字處理板卡設(shè)計(jì)具備即插即用能力，可以為上級(jí)控制提供板卡驅(qū)動(dòng)程序。設(shè)備即插即用式擴(kuò)展基于以下技術(shù)：

板卡的自動(dòng)識(shí)別：通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備管理總線(I2C)對(duì)各槽位進(jìn)行掃描，獲取槽位號(hào)、板卡標(biāo)識(shí)、板卡硬件資源等信息，進(jìn)行板卡自識(shí)別。

數(shù)據(jù)傳輸與交換：在板卡自動(dòng)識(shí)別的基礎(chǔ)上，分機(jī)控制對(duì)各節(jié)點(diǎn)路由進(jìn)行配置，搭建平臺(tái)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸與交換網(wǎng)絡(luò)。配置過(guò)程分為2步：一是上電后對(duì)整機(jī)內(nèi)部的SRIO網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行掃描，尋址SRIO網(wǎng)絡(luò)中所有的交換器和節(jié)點(diǎn)，并修改它們的ID為唯一標(biāo)識(shí)；二是配置交換器，為節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換搭建路由。具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中上電后SRIO主控設(shè)備(主控板的DSP)通過(guò)Maintence包對(duì)SRIO網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行掃描，得到整個(gè)SRIO網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)數(shù)量，以及各節(jié)點(diǎn)連接的交換器的端口號(hào)。然后再利用Data包修改各SRIO節(jié)點(diǎn)的ID，最后根據(jù)最新動(dòng)態(tài)分配的節(jié)點(diǎn)ID和網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)搭建節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚伞?/p>

設(shè)備即插即用式擴(kuò)展設(shè)計(jì)流程示意如圖2所示。

圖2 設(shè)備即插即用式擴(kuò)展流程示意圖

3.2 硬件平臺(tái)通用化設(shè)計(jì)

通用硬件平臺(tái)是可重構(gòu)系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)，通用硬件平臺(tái)是可重構(gòu)功能軟件的物理部署位置和實(shí)現(xiàn)依托。動(dòng)態(tài)資源管理調(diào)度依托硬件平臺(tái)的通用化設(shè)計(jì)，其中硬件平臺(tái)的通用化設(shè)計(jì)需在總線形式、電氣、接口、結(jié)構(gòu)、電源設(shè)計(jì)等方面遵循標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。在嵌入式設(shè)備領(lǐng)域，VPX總線更加適用于高速數(shù)據(jù)傳輸[3]，且有著更強(qiáng)的加固性能和環(huán)境適應(yīng)能力，其應(yīng)用更加廣泛。根據(jù)不同總線標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢(shì)，通用處理平臺(tái)采用VPX總線架構(gòu)，VPX規(guī)范規(guī)定采用MultiGig RT2連接器作為板卡和底板連接器。VPX總線支持多種高性能串行協(xié)議，其中最常用的有三個(gè)：Gigabit Ethernet (GbE)、Serial RapidIO (SRIO)和PCI Express (PCIe)。根據(jù)不同串行協(xié)議應(yīng)用場(chǎng)景通用處理平臺(tái)選擇1-GbE(千兆以太網(wǎng))作為處理平臺(tái)和席位計(jì)算機(jī)或服務(wù)器之間的控制和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議；并且選擇SRIO[4]作為處理平臺(tái)內(nèi)部和平臺(tái)機(jī)箱間的高速數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中信號(hào)處理機(jī)箱采用統(tǒng)一的通用信號(hào)處理平臺(tái)。平臺(tái)采用VPX標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)平面采用SRIO 2.0總線，控制平面采用千兆以太網(wǎng)，管理平面采用I2C總線，擴(kuò)展平面擴(kuò)展了光纖通信接口、模擬控制總線(自定義MLVDS電平)。其中數(shù)據(jù)平面采用4×SRIO全互連(Full Mesh)設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)單向設(shè)計(jì)傳輸帶寬5Gbps×4=20Gbps，工程實(shí)際成熟應(yīng)用傳輸帶寬3.125Gbps×4=12.5Gbps。Full Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成的分布式全交換網(wǎng)絡(luò)便于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分布式并行運(yùn)算；平臺(tái)可配置多路光纖實(shí)現(xiàn)對(duì)外高速數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)處理平臺(tái)的級(jí)聯(lián)。數(shù)據(jù)平臺(tái)SRIO互聯(lián)關(guān)系如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)平面SRIO互聯(lián)關(guān)系

通用信號(hào)處理平臺(tái)采用單一種類通用數(shù)字處理板卡和系列化后插板擴(kuò)展或組合功能，實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理平臺(tái)模塊化和通用化。

通用信號(hào)處理平臺(tái)可在處理平臺(tái)內(nèi)部?jī)?nèi)新增硬件板卡實(shí)現(xiàn)整機(jī)能力擴(kuò)展，也可以新增處理平臺(tái)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能力擴(kuò)展。

通用信號(hào)處理平臺(tái)通過(guò)插裝不同數(shù)量的通用數(shù)字處理板卡或不同種類數(shù)量的擴(kuò)展后插卡，并通過(guò)快捷的軟件重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)分機(jī)功能的改變。平臺(tái)軟件重構(gòu)流程如圖4所示。

圖4 平臺(tái)軟件重構(gòu)流程示意圖

通用信號(hào)處理平臺(tái)通過(guò)插裝不同數(shù)量的通用數(shù)字處理板卡或不同種類數(shù)量的擴(kuò)展后插卡，并加載不同的軟件模塊實(shí)現(xiàn)偵察、控守等不同的功能重構(gòu)。

3.3 接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化設(shè)計(jì)

信號(hào)處理軟件架構(gòu)共涉及到四類接口標(biāo)準(zhǔn)，分別是可編程硬件資源之間的專用總線接口，控制類服務(wù)層與虛擬化硬件資源層之間的控制總線接口，資源層與服務(wù)層、服務(wù)層與應(yīng)用層之間數(shù)據(jù)傳輸接口，服務(wù)層與應(yīng)用層、服務(wù)與服務(wù)之間的服務(wù)接口。

4 軟件重構(gòu)

功能軟件化是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能重構(gòu)的途徑。通過(guò)軟件的重構(gòu)實(shí)現(xiàn)裝備系統(tǒng)功能的重構(gòu)，同一套系統(tǒng)能綜合處理和應(yīng)對(duì)多種目標(biāo)體制，并能通過(guò)靈活組態(tài)，執(zhí)行多樣化任務(wù)。在相同的處理平臺(tái)上通過(guò)加載不同的功能軟件，既可以完成測(cè)向功能，也可以完成搜索截獲功能，或者完成信號(hào)參數(shù)分析測(cè)量或識(shí)別解調(diào)功能等。

軟件重構(gòu)設(shè)計(jì)中基于軟件模塊化組件技術(shù)，各功能模塊作為一個(gè)軟件組件，根據(jù)任務(wù)和作戰(zhàn)需求進(jìn)行軟件組件的動(dòng)態(tài)加載，完成相應(yīng)的系統(tǒng)功能。其中軟件類別包含板級(jí)PowerPC管理控制軟件、信號(hào)處理DSP/FPGA軟件以及頂層的顯控應(yīng)用軟件。軟件模塊組件化框架如圖5所示。

圖5 軟件模塊組件化框架

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)硬件和固件的組織管理，構(gòu)建出各種不同的截獲處理通道，實(shí)現(xiàn)特定的功能。動(dòng)態(tài)資源管理調(diào)度技術(shù)通過(guò)不同IPC資源的管理調(diào)度，根據(jù)應(yīng)用任務(wù)的需求，動(dòng)態(tài)組織分配所需資源構(gòu)造系統(tǒng)能力，實(shí)現(xiàn)裝備功能的多功能一體化。根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行系統(tǒng)功能的可重構(gòu)、可定制，動(dòng)態(tài)管理分配軟硬件資源進(jìn)行系統(tǒng)功能的重構(gòu)，提高設(shè)備資源利用率，實(shí)現(xiàn)資源使用效率最大化，已成為現(xiàn)代無(wú)線電監(jiān)視設(shè)備發(fā)展的必然趨勢(shì)和主流方向。