SCA車載電臺系統設計*

彭 麟,張明民,劉文斌,丁建鋒

(中國電子科技集團公司第30研究所,四川成都610041)

SCA車載電臺系統設計*

彭 麟,張明民,劉文斌,丁建鋒

(中國電子科技集團公司第30研究所,四川成都610041)

車載電臺系統設計,可以采用軟件通信體系架構,實現靈活性、可靠性、成本控制的平衡。簡述了車載軟件無線電電臺系統中的硬件架構和軟件架構,主要闡述了系統硬件的主要設計要求,確定了車載電臺系統的控制接口、系統的熱設計和電磁兼容性設計的主要途徑,分析了車載多通道電臺的共址干擾抑制的必要性和實現技術,并基于高速總線技術、軟件通信體系架構標準發展對車載電臺系統進行了優化設計探索。最后探討了車載電臺未來主要的幾個技術研究方向。

車載電臺 軟件無線電 軟件通信體系結構 車載功放適配器 共址干擾

0 引 言

為了適應車載信息化對通信容量、組網能力等的更高需求,現在車載戰術電臺必須由傳統的模擬話音電臺轉向基于軟件無線電軟件通信體系結構(SCA,Software Communication Architecture)平臺的寬帶電臺(以下簡稱“SCA電臺”)[1]。為了適應這些要求,通常情況下,意味著需要更大的體積、重量和功耗來實現。提高可靠性、縮小體積、減輕重量、降低功率消耗和提高戰場使用環境的適應能力是車載戰術電臺不斷發展的方向。為此,基于SCA平臺技術來解決電臺平臺化、擴展頻段,動態配置波形,可以達到縮小體積、降低成本、提高可靠性和戰場使用環境等要求。

美國國防部為實現真正意義上的軟件定義電臺(SDR,Software Defined Radio),借助JTRS(Joint Tactical Radio System,聯合戰術無線系統)項目就提出了軟件無線電軟件通信體系結構(SCA,Software Communication Architecture)標準。從2001年發布SCA2.2標準開始,各國科研單位以極高的熱情投入到SCA電臺開發中,到如今已經發展超過10年。以AN/PRC-152、AN/PRC-117等為代表的基于SCA2.2標準架構的電臺也經歷了市場與實戰檢驗,發展非常成熟[2]。

1 系統架構

1.1 系統硬件架構

SCA電臺通?？蓪崿F寬頻段、多帶寬的功能,頻率范圍一般滿足30～2 000 MHz,甚至寬達2～2 500 MHz[1,3-5]。車載電臺系統一般需要考慮多通道設計,因此SCA電臺主機有兩種設計方案,一種方案是直接把低功耗小型化且基于紅黑隔離設計的單通道背負式SCA電臺[3]進行車載化改裝,通過安裝多臺電臺從而實現多通道功能;另一種方案是直接使用雙通道背負式SCA電臺或模塊化的多通道SCA電臺[4]作為車載電臺主機。為滿足不同頻段的通信效果,往往需要使用不同頻段的天線。為滿足不斷發展的技術要求,首先需要在車載適配器上實現根據不同工作頻段的狀態進行自動選取相應匹配的接收發射天線[6]。對于擴展頻段的應用,可進一步利用擴展接口外接獨立的車載功率放大器,拓展后期的應用。車載功放適配器(VAA,Vehicular Amplifier Adapter)同時提供風扇供電接口,滿足車載某些設備苛刻的散熱應用要求。車載系統硬件架構如圖1所示。

圖1 車載電臺系統硬件架構Fig.1 Hardware framework of the vehicle radio system

1.2 系統軟件架構

車載系統軟件架構平臺組成如圖2所示。軟件平臺分為紅邊、黑邊兩個平臺,均部署在通用處理器(GPP,General Purpose Processor)上。

SCA電臺軟件平臺實現的組件主要包括框架控制組件,以及SCA設備和服務組件?？蚣芸刂平M件包含域管理器、設備管理器等組件,可以直接實例化相應核心框架接口類實現,需要為其設計XML配置文件。SCA車載電臺系統軟件平臺架構按照SCA2. 2完整的核心框架,實現了框架的接口類、以及這些類的分類、繼承關系、需單獨實現的接口函數[4]。

圖2 系統軟件架構Fig.2 Software framework of the vehicle radio system

SCA平臺與波形相獨立,波形一般根據OSI或TCP/IP分層模型對波形進行組件分層和連接,分為CORBA組件和非CORBA組件。波形支持動態部署,采用協議棧分層設計,網絡層部署在GPP上、數據鏈路層部署在GPP或者DSP上,物理層部署在DSP上[5]。

對于車載功放的控制接口可通過電臺主機黑邊在功放設備組件上實現,功放設備通過調用該接口,將功放模塊異常和故障信息報告給功放設備組件和人機插件。功放設備組件特性根據功放需要實現的功能以及API接口定義,在該組件中具體需要實現數據傳輸模塊、控制模塊和狀態上報模塊[3]。

2 系統硬件基本設計要求

為滿足功放高效應用,還必須對電源進行全新設計,它為功放提供一個可變的漏極控制電壓,同時根據電源消耗情況、過熱保護監測、天線駐波比監測、工作模式狀態、波形特點等進行動態配置調整[3]。

在SCA車載電臺系統中,電臺主機需要識別應用要求并將發射功率自動控制降低為小功率,如1W。車載功放最終可輸出50 W的功率,同時內部需要設計一個自環的發射機增益控制(TGC,Transmitting Gain Control),獨立于電臺主機。當電壓駐波比(VSWR,Voltage Standing Wave Ratio)很大時,功放將通過控制增益的改變進行功率回退以防止功放永久性損壞。功放將對VSWR、過溫、功放偏置電壓等異常情況通過SCA電臺主機上報給系統用戶。SCA電臺主機通過DSP平臺控制,并傳送給黑邊的GPP,并通過紅黑隔離通道提供紅邊進行控制顯示。

2.1 控制接口設計

車載功放控制接口框圖如圖3所示。

圖3 車載功放控制接口框Fig.3 Control interface of the vehicle PA

所有的收發配置參數,保護功率大小、頻率、低噪放大器(LNA,Low-noise Amplifier)配置、濾波器等,主機采用快速配置命令通過LVDS接口進行控制。功率大小提供大功率、中功率、低功率、用戶自定義等4種選項進行靈活配置,用戶自定義可按照1 dB的步徑進行控制。

無論是寬帶視頻還是窄帶話音應用,收發控制信號KEYLINE和相關的跳頻同步信號仍然需要由主機提供協調工作。

2.2 系統熱設計

電臺主機、功放均采用自然冷卻的散熱方式。熱設計重點放在加大功放的散熱面積,提高功放管與機座的接觸傳導,在熱源主體接觸部位,采用厚實的鋁基材為條狀向縱深方向進行熱傳導,不是熱源主體接觸部位則采用較薄的壁厚。殼體外表面的橫向與豎向則采用多條條狀筋條實現體散熱與空氣對流散熱。既避免了盲目使用厚壁,實現減重的作用;又增大了體表面,達到了散熱好的效果。

2.3 電磁兼容性設計

車載功率放大器在發射過程中,需要對發射的信號進行分段濾波處理,防止發射信號攜帶的過大的雜波或者雜散信號對車上其他電磁設備正常工作造成影響。同時共同對發射進行正向功率和反向功率檢測,確保功放正常工作,如圖4所示。

圖4 車載發射信號濾波處理框Fig.4 Signal filter of the transmitter

3 硬件及軟件平臺優化設計

3.1 共址干擾抑制

電磁兼容對于通信設備而言是一個始終必須重視的問題。通常的共址干擾主要考慮單通道多個設備間的干擾,利用車際間干擾模型或者耦合干擾裕度模型等進行分析干擾存在與否,或者通過建立收發信機模型設置安全帶寬來進行共址干擾措施的實施[7]。而對于日益增加的多通道多信道的車載通信系統需求而言,電磁環境尤為惡劣,必須考慮系統多個設備同時工作可能造成的影響,也就是說功率放大器必須具備共址工作處理能力,將共址問題的處理放在系統前端,而不是僅僅對工作應用的最大化限制。共址濾波處理框圖設想如圖5所示,對于VHF、UHF頻段可以進行分段多段進行抑制,個別頻段根據工作頻段特點結合高通濾波處理,并增加LNA進行接收信號增益補償,拓展SCA車載多通道電臺的適應性。

圖5 車載發射信號共址處理框Fig.5 Co-site solution of the transmitter

3.2 高速總線

RapidIO高速串行總線是一種高性能、低引腳數、基于數據包交換的一種開放式互聯體系結構。RapidIO技術主要作為高速嵌入式處理的前端總線開發的專用接口,被定義為嵌入式系統芯片到芯片、板到板、機架到機架的高性能互連技術。RapidIO總線具備高速率、高可靠性、低延時的特性,適合于一體化車載指揮通信單元的運用。

車載電臺也將在基帶控制、射頻功放控制中均采用RapidIO高速串行總線實現信道單元、功放模塊之間AD/DA的高速數據和實時控制命令傳輸,射頻功放控制信息也將采用統一的射頻控制RapidIO API實現,可大大降低功放模塊與SCA電臺網絡波形的耦合程度。在車載平臺上,射頻功放控制API的封裝和解析代碼可以分別部署在SCA主機的信號處理模塊和功放模塊的FPGA中。

3.2 SCA平臺升級

JTRS于2012推出了SCA規范最新版本SCA4.0。SCA4.0是為了應對無線通信設備實際發展需要而推出的一個改進的SCA架構。其主要改進,一是靈活的架構,二是便于新技術的可插入,其實現是可行的。在實際的SCA電臺應用中,符合性檢測的復雜性、軟件架構升級的成本等問題依然會成為SCA4.0規模使用的阻礙。不可否認的是,靈活的、包容的、但又不弱化可移植性的開放軟件架構是未來軟件無線電發展的趨勢[8]。

4 結 語

本文分別從系統硬件架構和系統軟件架構對SCA車載電臺系統組成進行分析,對系統設計需要注意的控制接口要求、熱設計、大信號發射的電磁兼容設計等主要技術問題進行剖析,并提出了相應的解決途徑。隨著用戶的需求不斷提高,新技術的不斷發展,針對未來的變革,SCA車載電臺系統將在采用了共址抑制、高速數據總線、SCA4.0平臺升級等一系列優化設計的技術方向實現突破,促進軟件無線電應用的深入發展[9]。

[1] 彭麟,蘇旸,袁鳳國.寬帶高速電臺發射機系統的保護設計應用[J].通信技術,2013,46(05):16-18.

PENG Lin,SU Yang,YUAN Feng-guo.Transmitting System Protection Design of Wideband High Speed Receiver Radio [J].Communication Technology.2013,46(5):16-18.

[2] 徐惕.美空軍裝備AN/PRC-148 JTRS增強型MBITR電臺[J].通信導航與指揮自動化,2008(02):76-80.

XU Ti.USA Air Force Equipped AN/PRC-148 JTRS-enhanced MBITR Radios[J].Communication Navigation and Command Automation.2008(2):76-80.

[3] 彭麟,宋滔.寬帶高速電臺的低功耗小型化設計與研究[J].通信技術,2013,46(09):23-25.

PENG Lin,SONG Tao.Miniaturization Design and Research of Wideband High Speed Receiver Radio[J]. Communication Technology.2013,46(9):23-25.

[4] 張海燕,叢鍵.一種新型SCA電臺的分析與設計[J].通信技術,2012,45(09):21-24,28.

ZHANG Hai-yan,CONG Jian.Analysis and Design of A Novel SCA Tactical Radio[J].Communication Technology.2012,45(9):21-24,28.

[5] HASAN M S.Designing the Joint Tactical Radio System (JTRS)Handheld,Manpack,and Small Form Fit (HMS)Radios For Interoperable Networking and Waveform Applications[C].USA:IEEE,2007:1-6.

[6] 吳榮遠,曾百華.一種新型VHF/UHF雙頻車載全向天線[J].中國電子科學研究院學報,2011,8(04):419-423.

WU Rong-yuan,ZEN Bai-hua.A New Dual-Band Broadband Omni-directional VHF/UHF Vehicular Antenna[J].Journal of CAEIT,2011,8(4):419-423

[7] 崔佩璋,趙波,胡國慶,等.車載跳頻電臺共址干擾研究及其應用[J].計算機測量與控制,2013,21(06): 1655-1658.

CUI Pei-zhang,ZHAO Bo,HU Guo-qing,et al.Research and Application on Cosite Interference of Vehicular Frequency-Hopping Radio[J].Computer Measurement &Control,2013,21(06):1655-1658.

[8] 范建華,王曉波,李云洲.基于軟件通信體系結構的軟件定義無線電系統[J].清華大學學報:自然科學版,2011,51(08):1031-1037.

FAN Jian-hua,WANG Xiao-bo,LI Yun-zhou.SDR System based on the Software Communication Architecture [J].Tsinghua University(Sci&Tech),2011,51(08): 1031-1037.

[9] Joint Program Executive Office(JPEO)Joint Tactical Radio System(JTRS).Software Communication Architecture Specification Version 4.0[S].[s.l.]:JTRS Standards, 2012:39,59-70.

PENG Lin(1972-),male,M.Sci.,senior engineer,majoring in the design of wireless communication system and radio.

張明民(1983—),男,碩士,工程師,主要研究方向為無線通信系統;

ZHANG Ming-min(1983-),male,M.Sci.,engineer,majoring in wireless communication system.

劉文斌(1983—),男,碩士,工程師,主要研究方向為軟件無線電;

LIU Wen-bin(1983-),male,M.Sci.,engineer,mainly working at software defined radio.

丁建鋒(1977—),男,學士,高級工程師,主要研究方向為無線通信系統。

DING Jian-feng(1977-),male,B.Sci.,senior engineer, mainly working at wireless communication system.

Design on SCA-based Vehicular Radio System

PENG Lin,ZHANG Ming-min,LIU Wen-bin,DING Jian-feng
(No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

The use of standard software communication architecture(SCA)can satisfy the balance of flexible performance,reliability,and cost for design of vehicular radio system.This article simply introduces the hardware framework and software framework of the SCA-based vehicle radio system.It mainly discusses control interface of the vehicle PA,heat dissipation of the system and design of the electromagnetic compatibility.The article analyses the co-site interference problem of vehicular radio and proposes suggestions for improvement.It expects that the rapid bus technology,the development of standard SCA technology,etc.could promote the optimization of the vehicular radio system.Finally,the article discusses some primary research directions of the vehicular radio.

vehicular radio;SDR;SCA;VAA;co-site interference

TN924;TP311.52

A

1002-0802(2014)08-0959-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.08.024

彭 麟(1972—),男,碩士,高級工程師,主要研究方向為無線通信系統設計和電臺設計;

2014-05-19;

2014-06-19 Received date：2010-05-19;Revised date：2014-06-19