基于SCA的多頻段電臺設(shè)計

摘? 要：對傳統(tǒng)通信裝備的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，結(jié)合軟件無線電通信架構(gòu)的開放性、通用性和擴(kuò)展性等特點，提出了基于SCA的多頻段電臺設(shè)計方案。對基于SCA架構(gòu)的多頻段電臺的總體方案、硬件架構(gòu)、軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究和分析；詳細(xì)闡述了多頻段電臺的基帶單元設(shè)計、射頻收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計和天線設(shè)計，明確提出了基帶單元、射頻收發(fā)系統(tǒng)和天線的詳細(xì)設(shè)計思路和具體實現(xiàn)方案，可為同類通信產(chǎn)品的設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：多頻段電臺；軟件無線電；硬件架構(gòu)；軟件架構(gòu)；核心框架；基帶單元

中圖分類號：TN924；TP311.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）09-0063-05

Abstract： The current status of traditional communication equipment is analyzed， and a design scheme of multi-band radio station based on SCA is presented， which combines the openness， universality and extensibility of software radio communication architecture. The overall scheme， hardware structure and software structure of multi-band radio stations based on SCA architecture are studied and analyzed. The baseband unit design， radio frequency transceiver system design and antenna design of multi-band radio stations are described in detail. The detailed design ideas and specific implementation schemes of baseband unit， radio frequency transceiver system and antenna are presented， which can provide reference for the design of similar communication products.

Keywords： multi-band radio station; SCA; hardware architecture; software architecture; core framework; baseband unit

0? 引? 言

傳統(tǒng)通信車輛都采用獨立開發(fā)的各類通信裝備并通過通信控制器互聯(lián)設(shè)備“松散”地綜合在整個車載電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)，完成所需的各種功能。一般而言，傳統(tǒng)的通信設(shè)備僅能滿足單模式和窄頻段的通信需求。不同頻段通信系統(tǒng)之間很難實現(xiàn)信息交互，通常只能采用組合式無線電的方式來實現(xiàn)，通過激活硬件的不同狀態(tài)來完成不同系統(tǒng)之間的切換。這種組合無線電的體系結(jié)構(gòu)需要不斷的硬件擴(kuò)展才能支持更多的系統(tǒng)，結(jié)果導(dǎo)致系統(tǒng)尺寸的無限膨脹。隨著技術(shù)的發(fā)展，用戶不得不因為設(shè)備的“落后”而更換通信設(shè)備。

軟件無線電的基本思想就是以一個通用的、標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的硬件平臺為依托，通過軟件編程來實現(xiàn)無線電臺的各種功能，對信息能進(jìn)行有效控制，覆蓋多個頻段，支撐大量波形和應(yīng)用軟件的通信裝備。隨著軟件無線電的概念也越來越被大家理解和應(yīng)用，國內(nèi)SCA電臺近年來有了較大發(fā)展。本文介紹了基于SCA的多頻段電臺設(shè)計方案，講述了基于SCA寬帶多頻段電臺總體方案、硬件架構(gòu)、軟件結(jié)構(gòu)和具體設(shè)計方案。

1? 多頻段電臺總體方案

多頻段電臺軟件無線電體系架構(gòu)如圖1所示，從下自上包括通用硬件平臺、通用軟件平臺、通信波形三個部分。通用硬件平臺基于統(tǒng)一的硬件體系結(jié)構(gòu)，提供無線信號處理能力。電臺含射頻處理部分和FPGA、DSP、GPP組成的綜合處理部分。通用軟件平臺包括操作系統(tǒng)、中間件、硬件抽象層、核心框架，對硬件平臺進(jìn)行統(tǒng)一管理，為波形應(yīng)用提供一致的運(yùn)行環(huán)境支持。通信波形采用組件化方法進(jìn)行設(shè)計，組件接口標(biāo)準(zhǔn)，具有較高的重用性和可移植性。

多頻段電臺軟件無線電體系架構(gòu)主要特點包括以下幾點。

1.1? 開放性

實現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)通信裝備軟件平臺、硬件平臺和波形研制三者分離，可由不同單位獨立研制，不同單位研制的模塊能夠被第三方集成使用。

1.2? 通用性

提供一個統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)行環(huán)境，既滿足本項目軟件平臺和多種波形的技術(shù)要求，同時又具備兼容現(xiàn)役的波形的能力。

1.3? 可擴(kuò)展性

支持符合軟件無線電戰(zhàn)術(shù)通信裝備體系結(jié)構(gòu)的波形的增加和嵌入。

1.4? 波形可移植性

根據(jù)軟件無線電戰(zhàn)術(shù)通信裝備體系結(jié)構(gòu)及相應(yīng)規(guī)范研制的戰(zhàn)術(shù)通信波形可以快速地在本設(shè)備上進(jìn)行移植。

1.5? 健壯性

具備錯誤檢測、異常處理和恢復(fù)功能。

1.6? 互聯(lián)互通能力

通過波形動態(tài)加載，可實現(xiàn)新研軟件無線電樣機(jī)的互聯(lián)互通以及新研軟件無線電樣機(jī)與現(xiàn)役裝備的互聯(lián)互通。

2? 多頻段電臺硬件結(jié)構(gòu)

多頻段電臺的硬件主要由天線、射頻信道、信號處理單元、安全保密單元、數(shù)據(jù)處理單元和基礎(chǔ)資源等構(gòu)成。多頻段電臺的硬件架構(gòu)如圖2所示。

天線系統(tǒng)：天線系統(tǒng)支持30 MHz～2.2 GHz實現(xiàn)空間電磁波輻射和接收，天線一般由天線、天調(diào)/匹配網(wǎng)絡(luò)等組成。

射頻信道：射頻信道主要實現(xiàn)發(fā)射射頻信號的放大和接收信號的處理等功能，位于天線和信號處理單元之間，主要由功率放大器、預(yù)處理（濾波、放大等）、射頻信號的接收和發(fā)射信號變換，主要由變頻、濾波等功能電路組成。

信號處理單元和數(shù)據(jù)處理單元：信號處理單元和數(shù)據(jù)處理單元主要實現(xiàn)數(shù)字、數(shù)據(jù)、信號處理、接口變換等功能。主要由數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換、編解碼、調(diào)制解調(diào)、協(xié)議處理、消息處理和輸入輸出（I/O）等功能部件組成。

安全保密單元：安全保密對數(shù)據(jù)提供加密保護(hù)，具體提供包括但不限于安全認(rèn)證、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密保護(hù)、加密控制功能、波形軟件來源合法性驗證和完整性驗證等。

基礎(chǔ)資源：基礎(chǔ)資源是指硬件平臺實現(xiàn)通信功能所需的基本硬件資源，基礎(chǔ)資源主要由總線、基準(zhǔn)時鐘、電源、存儲等功能模塊組成。

3? 多頻段電臺軟件結(jié)構(gòu)

多頻段電臺軟件主要包括通用軟件平臺、管理控制和應(yīng)用軟件、集成開發(fā)環(huán)境和安全保密軟件等。多頻段電臺軟件架構(gòu)如圖3所示。

3.1? 通用平臺軟件

軟件平臺對硬件平臺進(jìn)行統(tǒng)一管理，為上層波形軟件提供統(tǒng)一的運(yùn)行環(huán)境。軟件平臺包括可信啟動、嵌入式實時操作系統(tǒng)、核心框架、組件間通信機(jī)制（包含通信中間件和硬件抽象層）、設(shè)備與服務(wù)。

嵌入式實時操作系統(tǒng)通常采用嵌入式實時操作系統(tǒng)，主要提供本地系統(tǒng)引導(dǎo)、硬件設(shè)備驅(qū)動、內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、多線程/多任務(wù)實時調(diào)度等功能，為軟件平臺的其他軟件和波形組件提供支持。

核心框架是軟件平臺的核心，為系統(tǒng)提供統(tǒng)一的軟硬件管理、文件系統(tǒng)管理等功能，同時，為波形軟件在可編程器件上的部署、運(yùn)行和配置提供標(biāo)準(zhǔn)的方法和接口。

組件間通信機(jī)制分為傳輸機(jī)制和硬件抽象層，為運(yùn)行在相同或不同的可編程器件上的軟件組件間互操作提供標(biāo)準(zhǔn)的通信方法和接口。

平臺設(shè)備與服務(wù)，為軟件平臺和波形提供訪問平臺軟硬件資源的標(biāo)準(zhǔn)接口。紅邊軟件平臺需提供波形可信安裝服務(wù)。

3.2? 控制、管理和應(yīng)用軟件

實現(xiàn)多頻段電臺健康管理、顯示控制、參數(shù)加注、波形管理、頻譜感知及安全保密接口等功能；完成對外接口的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)外部數(shù)據(jù)、控制信息交互；完成設(shè)備自檢與狀態(tài)上報（包括開機(jī)各模塊及和關(guān)鍵電路的自檢、自動故障診斷與報警、故障輸出）等功能。應(yīng)用軟件主要為滿足用戶需求的各種通用波形軟件。

3.3? 集成開發(fā)環(huán)境

高效集成開發(fā)環(huán)境是軟件無線電波形軟件和平臺軟件開發(fā)的集成環(huán)境，它集成了波形開發(fā)過程中所需要的一系列工具套件，以方便快捷的方式提供給波形應(yīng)用開發(fā)者和平臺軟件開發(fā)者使用。

3.4? 安全保密軟軟件

安全保密主要實現(xiàn)平臺紅邊與黑邊之間用戶數(shù)據(jù)加解密。

4? 多頻段電臺設(shè)計

4.1? 基帶單元設(shè)計

基帶單元包含數(shù)據(jù)處理單元和信號處理單元兩部分?；鶐卧哂懈呒尚裕瑪?shù)據(jù)處理單元和信號處理單元之間滿足紅黑邊隔離要求。其原理框圖如圖4所示。

數(shù)據(jù)處理單元主要完成整機(jī)的顯示控制、語音處理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實現(xiàn)，通過安全保密處理單元的加解密完成平臺系統(tǒng)的控制、參數(shù)配置及波形加載，并提供平臺對外接口，同時支持bootloader的可信引導(dǎo)功能。

信號處理單元主要實現(xiàn)基帶信號的捕獲同步、調(diào)制解調(diào)及編譯碼等功能，同時完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的處理、接口協(xié)議解析等功能，并根據(jù)波形需要完成對射頻信道模塊、前端設(shè)備等其他模塊的控制，支持bootloader的可信引導(dǎo)功能。同時還對中頻的輸入信號進(jìn)行處理。

4.1.1? 數(shù)據(jù)處理單元設(shè)計

數(shù)據(jù)處理單元選用Xilinx公司ZYNQ系列ZynQ7010作為紅邊核心處理器，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理、語音的聲碼話處理、應(yīng)用數(shù)據(jù)處理等。ZynQ7010內(nèi)含4個ARM Cotex-A7MPCore內(nèi)核和一個基于低成本、低功耗優(yōu)化的A7系列的FPGA資源。其第一個ARM核主要用于軟無核心架構(gòu)，第二個ARM核主要用于音頻編解碼處理，F(xiàn)PGA邏輯資源主要用于接口電路適配。其外圍電路包括一片低功耗2 GB容量的LPDDR2芯片，一片用于程序和數(shù)據(jù)存儲的QSPI接口2GB NAND FLASH。數(shù)據(jù)處理單元主要性能指標(biāo)如表1所示。

4.1.2? 信號處理單元設(shè)計

信號處理單元選用Xilinx公司生產(chǎn)的Ultrascale+RFsoc系列XCZU21DR作為主處理器，該芯片是穩(wěn)定可靠的ARM級處理系統(tǒng)，該芯片具有豐富的FPGA和DSP資源，包含8個SD-FEC的硬核譯碼器，支持Polar碼、LDPC及Turbo硬核譯碼。XCZU21DR芯片在PS側(cè)具有四個ARM Cortex-A53 MPCore應(yīng)用處理內(nèi)核和2個ARM Cortex-R5 MPCore實時處理內(nèi)核，930K的系統(tǒng)邏輯單元和4 272個DSP Slice。

處理器外圍電路包括4片2 GB容量的DDR3芯片，一片用于程序啟動的QSPI接口的1 GB NOR FLASH，一片用于程序及數(shù)據(jù)存儲的32 GB容量的EMMC存儲芯片。同時最小系統(tǒng)還包括外部時鐘、電壓管理芯片和調(diào)試接口等。信號處理單元主要性能指標(biāo)如表2所示。

4.1.3? 中頻處理單元設(shè)計

中頻處理單元主要功能是實現(xiàn)對信道收發(fā)的中頻信號進(jìn)行寬、窄頻帶的自適應(yīng)濾波、放大和高速AD/DA轉(zhuǎn)換。中頻處理單元選用的ADI公司的AD9364。該器件是一款面高性能、高集成度的射頻捷變收發(fā)器，內(nèi)部集成了12位DAC和ADC；工作頻率范圍為70 MHz至6 GHz，支持的通道帶寬范圍為200 kHz以下至56 MHz。具有良好的噪聲系數(shù)和線性度。AD9364還擁有靈活的手動增益模式，支持外部控制。

4.2? 射頻收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計

真正的軟件無線電的概念是將信號數(shù)字化處理盡量接近天線，這種理想軟件無線電代表具有最大靈活性。就目前的器件水平來看，低頻段、窄帶寬電臺（短波段）已經(jīng)實現(xiàn)。由于 ADC、DAC等器件的限制，寬頻段的電臺目前還滿足不了這些頻段對處理速度的要求，難以實現(xiàn)的完全數(shù)字化。射頻收發(fā)系統(tǒng)選用具有高選擇性的二次變頻超外差架構(gòu)，如圖5所示。

進(jìn)行超外差架構(gòu)的設(shè)計，首先進(jìn)行頻率規(guī)劃，即對寬帶前端的頻率變換方式做總體設(shè)計。在本方案中，采用分段變頻的方式實現(xiàn)，30～512 MHz作為一段變換頻率組，512～2 200 MHz作為一段變換頻率組，一中頻選擇1 220 MHz和434 MHz。

二次混頻為單點混頻，二中頻選擇根據(jù)帶寬和濾波器特性進(jìn)行選型，根據(jù)目前濾波器技術(shù)，窄帶選擇21.4 MHz，寬帶選擇140 MHz作為二中頻頻率。多頻段電臺頻率規(guī)劃表如表3所示。

收發(fā)電路提供射頻通道，實現(xiàn)信號的放大、濾波、變頻的功能；頻率合成電路為信道提供混頻本振，實現(xiàn)頻率變換功能；中頻濾波器實現(xiàn)高選擇性要求，保證通道內(nèi)信號頻譜純度；數(shù)字控制電路解析信號處理協(xié)議，控制整個收發(fā)信道的工作狀態(tài)；電源電路為射頻信道單元供電和電源管理。

射頻信道單元接收采用兩次混頻的超外差方案，第一中頻為高中頻，像頻干擾遠(yuǎn)離有用信號，可提高接收機(jī)抑制像頻干擾的能力；第二中頻為低中頻，方便選用高Q值窄帶的中頻濾波器，提高接收機(jī)抑制鄰道干擾的能力，提高選擇性。同樣的，發(fā)射信道采用超外差方案，有利于合理分配各級增益，容易實現(xiàn)級間匹配，能夠充分發(fā)揮中頻濾波器的窄帶濾波特性；同時，配合精確的發(fā)射功率ALC控制，最大限度地優(yōu)化增益、互調(diào)、雜散和寬帶噪聲等指標(biāo)。

收發(fā)前端的射頻濾波器采用中心頻率可重構(gòu)的電調(diào)諧濾波器，可濾除帶外干擾和鏡像頻率，減少發(fā)射雜散和寬帶發(fā)射噪聲。該濾波器采用基于變?nèi)荻O管的并聯(lián)諧振電感耦合結(jié)構(gòu)，具備調(diào)諧范圍寬、體積小、功耗低、調(diào)諧速度快等特點。數(shù)字控制電路通過設(shè)置濾波器諧振回路中變?nèi)荻O管的反偏電壓，調(diào)整濾波器中心頻率。

第一中頻濾波器由于工作頻率較高，適合選用聲表面波濾波器。第二中頻濾波器工作頻率低，可選用聲表面波濾波器和晶體濾波器。為同時滿足不同波形的信號帶寬要求和信道選擇性要求，中頻濾波器選用可切換數(shù)種帶寬的中頻濾波器組件。該濾波器組件由數(shù)個不同帶寬的中頻濾波器和一對射頻開關(guān)組成。數(shù)字控制電路輸出射頻開關(guān)的控制信號，選擇不同帶寬的濾波器接入收發(fā)電路。

4.3? 天線設(shè)計

在通過射頻收發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行無線通信的過程中，天線是實現(xiàn)無線信號傳輸?shù)年P(guān)鍵部件。因此，天線也是該系統(tǒng)中不可或缺的一個重要組成部分。在該系統(tǒng)的具體應(yīng)用中，天線的主要功能是對電磁波進(jìn)行轉(zhuǎn)化與傳輸。由此可見，天線在該系統(tǒng)中主要被用作對電磁波進(jìn)行轉(zhuǎn)化與傳輸?shù)脑O(shè)備。因此在實際的射頻收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計過程中，設(shè)計者一定要充分注重天線的合理設(shè)計。

多波段電臺頻段較寬，覆蓋30～2 200 MHz。綜合考慮天線的便攜性和性能，天線采用分段實現(xiàn)，即分為30～512 MHz和512～2 200 MHz兩段進(jìn)行設(shè)計。

30～512 MHz寬帶背負(fù)天線采用鋼卷尺鞭狀形式，便于彎折，特殊的鋼卷尺結(jié)構(gòu)設(shè)計可滿足15 000次90°彎折，使用時天線長度為1.5 m，收納時可折成三節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速展開和收納，便于攜行。同時在底部連接有鵝頸裝置，便于調(diào)整天線角度，可實現(xiàn)不同姿態(tài)下的全向通信。采用低損耗寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了整個帶寬的阻抗匹配。相比同類產(chǎn)品，天線輻射效率高，重量輕，使用、攜行方便，適用于背負(fù)終端。30～512 MHz寬帶背負(fù)天線技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

225～2 200 MHz寬帶背負(fù)天線采用偶極天線形式，相比傳統(tǒng)的單極天線形式，天線適用性更強(qiáng)，不受安裝環(huán)境影響，同時輻射效率更高，方向圖更加對稱。在底部連接有不銹鋼鵝頸裝置，便于調(diào)整天線角度，可實現(xiàn)不同姿態(tài)下的全向通信，同時該部件作為輻射體的一部分，減少了天線尺寸。采用低損耗寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了整個帶寬的阻抗匹配。相比同類產(chǎn)品，天線輻射效率高，適用性強(qiáng)，適用于背負(fù)終端。512～2 200 MHz寬帶背負(fù)天線指標(biāo)如表5所示。

5? 結(jié)? 論

基于SCA的寬帶電臺具有開放性、通用性和可擴(kuò)展性，相較傳統(tǒng)的數(shù)字無線電有著不可比擬的優(yōu)勢，越來越廣泛的被工程所采用，本文詳細(xì)介紹了基于SCA的多波段電臺的設(shè)計方案，根據(jù)該方案已經(jīng)實現(xiàn)了樣機(jī)研制，實現(xiàn)效果良好，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠。本方案對于同類通信產(chǎn)品的設(shè)計具有很好的借鑒意義。

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作者簡介：牛紹伍（1977—），男，漢族，安徽宿州人，高級工程師，本科，研究方向：無線通信系統(tǒng)。