超短波無線電監視接收機功能可重構設計

劉旭波，李 迅，趙紅訓

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

0 引言

無線電監視設備多功能一體化設計，可以有效提高設備的作用能力，降低設備量和設備的復雜程度，提高設備的可靠性；通過信號處理按需實時動態重構、遷移部署及虛擬化資源管理技術，可實現感知信號處理系統以任務驅動的快速功能切換，以應對瞬息萬變的電磁環境，降低系統壽命周期的費用。根據行動和任務需求進行系統功能的可重構、可定制，動態管理分配軟硬件資源進行系統功能的重構，進而提高設備資源利用率，實現資源使用效率最大化，已成為現代裝備發展的必然趨勢和主流方向。

1 模型建立

超短波無線電監視接收機主要用于完成VHF/UHF頻段內寬頻段信號的快速搜索、截獲、分析、識別、解調等功能。接收機采用基模塊化、陣列化、數字化、可重構設計思想的VPX總線結構形式，實現處理功能的靈活配置[1]。

超短波無線電監視接收機主要由參考源模塊、模擬信道模塊1-3、本振模塊1-3、PowerPC模塊、數字處理模塊1-3、通信接口模塊、采樣模塊、時鐘分路模塊、電源模塊組成。其組成框圖見圖1 所示。

圖1 超短波無線電監視接收機組成框圖

接收機控制3路射頻輸入信號進入3個模擬信道模塊，輸出窄帶和寬帶的中頻信號。其中：信道模塊完成對信號的濾波、放大和變頻，輸出模擬中頻信號，各本振提供對應信道的本振頻率，參考源模塊為各本振單元提供參考信號，用于各信道設置不同的本振頻率，實現對不同頻率信號的接收。根據信號頻率對信道進行控制，多通道采樣模塊分別接收三個模擬信道輸出的中頻信號，完成信號的采樣，通過底板總線將數據先發送至數字處理模塊。數字處理模塊主要完成信號多路數字下變頻處理、信號檢測、截獲、分析、測量、樣式識別、解調等功能。其中：FPGA完成數字下變頻、濾波、抽取、FFT，得到信號的頻率、幅度等信息，實現瞬時帶寬全景監視功能；DSP完成寬帶信號采樣數據的頻譜顯示、信號檢測分析等功能。對于窄帶通道數字處理，數字處理模塊各DSP根據指令完成信號分析、音頻解調、數字化信道等。

數字處理模塊的處理結果通過SRIO總線輸出給對插的通信接口板，通過網口連接到外部網絡交換機傳輸到顯控終端。

PowerPC模塊上設計有高性能CPU芯片，負責機箱內部資源的檢測識別、管理調度，并實現協議分析功能，同時負責接收和分解席位下發的指令，根據當前需求為數字處理模塊加載相應軟件，設置分機內的各硬件模塊的工作參數。

2 系統功能重構技術

通用設備資源設計和即插即用式擴展設計為系統功能重構設計提供基礎，根據任務或作戰需求，對設備資源進行動態重構[2]，確保系統執行多樣化任務。

系統功能重構分2個層次：硬件重構和軟件重構。通用處理平臺的數字處理板、機箱安裝結構、部件結構、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、通用數字處理板的槽位數量不同，滿足了系統硬件重構的需求。通過硬件資源重構，實現不同頻段常用不同種類分機的功能；根據任務或功能的要求通過快捷的軟件重構完成系統功能規劃，實現系統功能的改變以滿足實際需求。

基于統一的通用設計體系，通過硬件資源的通用化、可擴展性設計，利用多個硬件模塊動態插拔組合完成系統硬件重構，隨著系統能力需求的變化和技術的進步，可以方便地擴展功能進行系統升級。通過硬件重構各種板卡和模塊可以互相備份替換，避免資源浪費，從而讓裝備的發展演進更加科學、經濟和合理。

軟件功能重構分為整體重構和部分重構。整體重構即重構整個平臺內所有嵌入式軟件。整體重構應用于平臺功能需要重大改變的情況，如由偵察重構為測向、由單機處理重構為陣列處理等情況。部分重構即對平臺內部分板卡或同一塊板卡上的部分功能進行重構，其他功能的運行不受影響。部分重構應用于平臺功能進行微調或擴展的情況，如測向時增加偵察功能、擴展通道數等情況。

軟件重構設計中基于軟件模塊化組件技術，各功能模塊作為一個軟件組件，根據任務和作戰需求進行軟件組件的動態加載，完成相應的系統功能。其中軟件類別包含板級PowerPC管理控制軟件、信號處理DSP軟件以及頂層的顯控應用軟件。

基于系統功能軟件化的思路，在統一的通用設計體系結構下，裝備的功能主要由軟件來實現，硬件平臺主要為軟件運行提供基礎支撐。通過軟件的重構實現裝備系統功能的重構，同一套系統能綜合處理和應對多種目標體制，并能通過靈活組態，執行多樣化任務。

3 硬件重構設計

通用設備資源設計和即插即用式擴展設計為系統功能硬件重構設計提供基礎，根據任務對設備資源進行動態重構，確保系統能夠執行多樣化任務。

3.1 板卡即插即用式擴展設計

通用數字處理板卡設計具備即插即用能力，可以為上級控制提供板卡驅動程序。設備即插即用式擴展基于以下技術：

板卡的自動識別：通過標準設備管理總線(I2C)對各槽位進行掃描，獲取槽位號、板卡標識、板卡硬件資源等信息，進行板卡自識別。

數據傳輸與交換：在板卡自動識別的基礎上，分機控制對各節點路由進行配置，搭建平臺內數據傳輸與交換網絡。配置過程分為2步：一是上電后對整機內部的SRIO網絡進行掃描，尋址SRIO網絡中所有的交換器和節點，并修改它們的ID為唯一標識；二是配置交換器，為節點之間的數據交換搭建路由。具體設計實現中上電后SRIO主控設備(主控板的DSP)通過Maintence包對SRIO網絡進行掃描，得到整個SRIO網絡的拓撲結構和節點數量，以及各節點連接的交換器的端口號。然后再利用Data包修改各SRIO節點的ID，最后根據最新動態分配的節點ID和網絡的拓撲結構搭建節點間數據傳輸的路由。

設備即插即用式擴展設計流程示意如圖2所示。

圖2 設備即插即用式擴展流程示意圖

3.2 硬件平臺通用化設計

通用硬件平臺是可重構系統的核心基礎，通用硬件平臺是可重構功能軟件的物理部署位置和實現依托。動態資源管理調度依托硬件平臺的通用化設計，其中硬件平臺的通用化設計需在總線形式、電氣、接口、結構、電源設計等方面遵循標準規范。在嵌入式設備領域，VPX總線更加適用于高速數據傳輸[3]，且有著更強的加固性能和環境適應能力，其應用更加廣泛。根據不同總線標準的發展趨勢，通用處理平臺采用VPX總線架構，VPX規范規定采用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議，其中最常用的有三個：Gigabit Ethernet (GbE)、Serial RapidIO (SRIO)和PCI Express (PCIe)。根據不同串行協議應用場景通用處理平臺選擇1-GbE(千兆以太網)作為處理平臺和席位計算機或服務器之間的控制和數據傳輸協議；并且選擇SRIO[4]作為處理平臺內部和平臺機箱間的高速數據傳輸協議。

系統設計中信號處理機箱采用統一的通用信號處理平臺。平臺采用VPX標準，數據平面采用SRIO 2.0總線，控制平面采用千兆以太網，管理平面采用I2C總線，擴展平面擴展了光纖通信接口、模擬控制總線(自定義MLVDS電平)。其中數據平面采用4×SRIO全互連(Full Mesh)設計。數據單向設計傳輸帶寬5Gbps×4=20Gbps，工程實際成熟應用傳輸帶寬3.125Gbps×4=12.5Gbps。Full Mesh拓撲結構構成的分布式全交換網絡便于系統實現分布式并行運算；平臺可配置多路光纖實現對外高速數據傳輸，從而實現處理平臺的級聯。數據平臺SRIO互聯關系如圖3所示。

圖3 數據平面SRIO互聯關系

通用信號處理平臺采用單一種類通用數字處理板卡和系列化后插板擴展或組合功能，實現信號處理平臺模塊化和通用化。

通用信號處理平臺可在處理平臺內部內新增硬件板卡實現整機能力擴展，也可以新增處理平臺級聯實現系統能力擴展。

通用信號處理平臺通過插裝不同數量的通用數字處理板卡或不同種類數量的擴展后插卡，并通過快捷的軟件重構，實現分機功能的改變。平臺軟件重構流程如圖4所示。

圖4 平臺軟件重構流程示意圖

通用信號處理平臺通過插裝不同數量的通用數字處理板卡或不同種類數量的擴展后插卡，并加載不同的軟件模塊實現偵察、控守等不同的功能重構。

3.3 接口標準統一化設計

信號處理軟件架構共涉及到四類接口標準，分別是可編程硬件資源之間的專用總線接口，控制類服務層與虛擬化硬件資源層之間的控制總線接口，資源層與服務層、服務層與應用層之間數據傳輸接口，服務層與應用層、服務與服務之間的服務接口。

4 軟件重構

功能軟件化是實現系統功能重構的途徑。通過軟件的重構實現裝備系統功能的重構，同一套系統能綜合處理和應對多種目標體制，并能通過靈活組態，執行多樣化任務。在相同的處理平臺上通過加載不同的功能軟件，既可以完成測向功能，也可以完成搜索截獲功能，或者完成信號參數分析測量或識別解調功能等。

軟件重構設計中基于軟件模塊化組件技術，各功能模塊作為一個軟件組件，根據任務和作戰需求進行軟件組件的動態加載，完成相應的系統功能。其中軟件類別包含板級PowerPC管理控制軟件、信號處理DSP/FPGA軟件以及頂層的顯控應用軟件。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 結束語

本文通過對硬件和固件的組織管理，構建出各種不同的截獲處理通道，實現特定的功能。動態資源管理調度技術通過不同IPC資源的管理調度，根據應用任務的需求，動態組織分配所需資源構造系統能力，實現裝備功能的多功能一體化。根據任務需求進行系統功能的可重構、可定制，動態管理分配軟硬件資源進行系統功能的重構，提高設備資源利用率，實現資源使用效率最大化，已成為現代無線電監視設備發展的必然趨勢和主流方向。