一種基于VPX架構的高速寬帶通信平臺設計

衛一然 趙國柄 朱鐵林

摘要：介紹了一種基于VPX架構的高速寬帶數據通信平臺，平臺的核心是機載和地面收發信機，收發信機內各功能板卡的主要控制器是FPGA。發射端對信息序列進行打包、信道編碼、交織和調制;接收端對信號進行解調、解交織、解碼、同步等操作。還原后的信息上傳至上位機進行分析。

關鍵詞：VPX架構;FPGA;高速寬帶;通信平臺

0引言

隨著無人機技術和高分載荷等應用技術的發展成熟，海洋、林業、住建、資源、測繪、公安等各行業對高分辨率對地觀測系統表現出了巨大需求，因此，把握當前無人機發展的大好時機，研制新一代的通信平臺勢在必行。

傳統的數據鏈存在著誤碼率高、衰落大、干擾嚴重等問題，即使采用高效的信息壓縮編碼技術仍難以滿足高光譜、激光雷達、合成孔徑雷達等一系列高分載荷數據傳輸的帶寬要求。針對現有技術的不足，本設計中通過引進美軍成熟先進的VPX總線，構建新一代的數據通信平臺，實現由傳統到高速、寬帶、多功能、通用性強的通信平臺的跨越。

1系統組成

該數據平臺的整個系統包括機載數據終端和測控站數據終端，各數據終端由天線、微波前端和收發信機3個部分組成，共同實現數據通信功能，圖1是該系統組成圖。機載終端用于接收、解析地面測控終端上傳的遙控指令或數據，同時向地面測控終端實時回傳遙測信息和任務載荷數據，測控站終端用于接收飛機回傳的遙測信息和任務載荷數據，并輸出至指控系統顯示，同時將指控系統發出的遙控指令上行傳輸至機載端，實現對飛機平臺、任務載荷的實時監控。收發信機對所要收發的信息進行數字信號處理，微波前端實現雙工、功放、低噪放功能，天線實現無線信號的發射與接收。

平臺的高速寬帶設計核心在收發信機內實現，收發信機由VPX總線背板，圖像主控板，基帶板，中射頻板和電源板組成，另外，可以通過插入其他功能擴展板卡實現系統的功能擴展。

2VPX總線背板設計

背板在整個系統平臺占據非常重的作用，它為各個功能板卡的模塊互聯提供基礎。在收發信機設計時，200M bit/s的基帶數據傳輸決定了本設計必須采用VPX串行總線架構代替傳統的并行總線架構，實現高速互聯，如圖2所示。板上每個通道為各功能板卡提供的數據傳輸速率為3.125Gbit/s，拓撲結構為X4全互聯拓撲，使用SRIo協議，板間數據傳輸速率可達10Gbit/s。另外還具有3條低速通道用于低速數據和指令交互。

背板模塊尺寸都嚴格遵守了歐卡系列尺寸標準，通過分布式冗余設計，支持熱插拔，通過擴展接口適配功能兼容不同的外部載荷接口，規范內部軟硬件接口和數據形式，實現了數據鏈的通用化。

3圖像主控設計

圖像接口板是收發信機的控制和圖像處理中心，兼容多種任務載荷輸入輸出（模擬視頻、數字視頻、cameralink、SAR等），實現在機載端對其進行壓縮編碼，壓縮處理延時不大于150ms，壓縮后數據速率為200Mbit/s，使用SRlo協議通過VPX背板送往基帶單元：地面端則對應解壓縮處理。此外收發信機中的接口板還要執行對收發信機的控制工作，即對遙控站控指令、遙測站測信息進行解析處理和上傳至上位機。

4基帶設計

基帶板的核心是FPGA，機載部分的基帶模塊主要對圖像板輸出的遙感數據進行編碼、碼字交織等處理，然后通過VPX總線將處理后的數據傳給中射頻板進行調制。地面設備的基帶負責對中射頻板解調信號進行譯碼、解交織處理，然后通過VPX總線傳給圖像板。數據基帶帶寬可以支持到200MHz。基帶板另外還配有ARM進行協議處理、兩片DSP作為以后的功能擴展。

因為設計需要的存儲資源和邏輯資源比較多，因此本設計選用XILlNX公司的V5系列FPGA分別實現信道編/解碼和交織/解交織。機載端的LDPC編碼采用XILINX公司的lP核，編碼輸出的LDPC碼字傳輸到交織模塊。交織模塊采用分組交織器對碼元重新排序，分組長度為6個LDPC碼字，即對6個LDPC碼字的比特序列進行重新排序，再將該分組傳輸到中射頻板。地面端因與機載端制定了數據傳輸順序的協議，所以可以通過與本地序列做相關找到幀標識，再根據交織圖樣從連續12個信號幀中解交織輸出6個LDPC碼字，同時算出其LLR值。譯碼部分根據LLR值進行LDPC譯碼、去空幀及主控幀同步等。

5中射頻設計

本項目的信號調制和解調設計主要在中射頻板上實現。機載收發信機上中射頻板將背板傳輸進來的信息序列進行調制發射。地面收發信機上中射頻板主要將接收到的中頻信號進行數字解調恢復信息序列。此外，FPGA還要完成對中射頻板上外圍芯片的配置，主要實現對D/A和AD芯片的配置。機載和地面上信號處理的基本流程如圖3調制解調框圖所示：

6測試結果

圖4是使用自收發軟件進行鏈路數據傳輸測試的結果。測試結果表明該通信平臺支持200M bps信息序列的調制發射與正確解調接收。編碼調制后的數據基帶帶寬支持到200MHz，中頻帶寬支持到400MHz。

7結論

文章首先從整個系統介紹了基于VPX架構的高速寬通信平臺：之后描述了收發信機中的各個板卡的功能實現：最后通過測試表明設計的可行性。