彭 麟,張明民,劉文斌,丁建鋒

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第30研究所,四川成都610041)

SCA車(chē)載電臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

彭 麟,張明民,劉文斌,丁建鋒

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第30研究所,四川成都610041)

車(chē)載電臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì),可以采用軟件通信體系架構(gòu),實(shí)現(xiàn)靈活性、可靠性、成本控制的平衡。簡(jiǎn)述了車(chē)載軟件無(wú)線(xiàn)電電臺(tái)系統(tǒng)中的硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu),主要闡述了系統(tǒng)硬件的主要設(shè)計(jì)要求,確定了車(chē)載電臺(tái)系統(tǒng)的控制接口、系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)和電磁兼容性設(shè)計(jì)的主要途徑,分析了車(chē)載多通道電臺(tái)的共址干擾抑制的必要性和實(shí)現(xiàn)技術(shù),并基于高速總線(xiàn)技術(shù)、軟件通信體系架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展對(duì)車(chē)載電臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)探索。最后探討了車(chē)載電臺(tái)未來(lái)主要的幾個(gè)技術(shù)研究方向。

車(chē)載電臺(tái) 軟件無(wú)線(xiàn)電 軟件通信體系結(jié)構(gòu) 車(chē)載功放適配器 共址干擾

0 引 言

為了適應(yīng)車(chē)載信息化對(duì)通信容量、組網(wǎng)能力等的更高需求,現(xiàn)在車(chē)載戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)必須由傳統(tǒng)的模擬話(huà)音電臺(tái)轉(zhuǎn)向基于軟件無(wú)線(xiàn)電軟件通信體系結(jié)構(gòu)(SCA,Software Communication Architecture)平臺(tái)的寬帶電臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“SCA電臺(tái)”)[1]。為了適應(yīng)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(lái)實(shí)現(xiàn)。提高可靠性、縮小體積、減輕重量、降低功率消耗和提高戰(zhàn)場(chǎng)使用環(huán)境的適應(yīng)能力是車(chē)載戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)不斷發(fā)展的方向。為此,基于SCA平臺(tái)技術(shù)來(lái)解決電臺(tái)平臺(tái)化、擴(kuò)展頻段,動(dòng)態(tài)配置波形,可以達(dá)到縮小體積、降低成本、提高可靠性和戰(zhàn)場(chǎng)使用環(huán)境等要求。

美國(guó)國(guó)防部為實(shí)現(xiàn)真正意義上的軟件定義電臺(tái)(SDR,Software Defined Radio),借助JTRS(Joint Tactical Radio System,聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無(wú)線(xiàn)系統(tǒng))項(xiàng)目就提出了軟件無(wú)線(xiàn)電軟件通信體系結(jié)構(gòu)(SCA,Software Communication Architecture)標(biāo)準(zhǔn)。從2001年發(fā)布SCA2.2標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)始,各國(guó)科研單位以極高的熱情投入到SCA電臺(tái)開(kāi)發(fā)中,到如今已經(jīng)發(fā)展超過(guò)10年。以AN/PRC-152、AN/PRC-117等為代表的基于SCA2.2標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)的電臺(tái)也經(jīng)歷了市場(chǎng)與實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn),發(fā)展非常成熟[2]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

SCA電臺(tái)通?？蓪?shí)現(xiàn)寬頻段、多帶寬的功能,頻率范圍一般滿(mǎn)足30～2 000 MHz,甚至寬達(dá)2～2 500 MHz[1,3-5]。車(chē)載電臺(tái)系統(tǒng)一般需要考慮多通道設(shè)計(jì),因此SCA電臺(tái)主機(jī)有兩種設(shè)計(jì)方案,一種方案是直接把低功耗小型化且基于紅黑隔離設(shè)計(jì)的單通道背負(fù)式SCA電臺(tái)[3]進(jìn)行車(chē)載化改裝,通過(guò)安裝多臺(tái)電臺(tái)從而實(shí)現(xiàn)多通道功能;另一種方案是直接使用雙通道背負(fù)式SCA電臺(tái)或模塊化的多通道SCA電臺(tái)[4]作為車(chē)載電臺(tái)主機(jī)。為滿(mǎn)足不同頻段的通信效果,往往需要使用不同頻段的天線(xiàn)。為滿(mǎn)足不斷發(fā)展的技術(shù)要求,首先需要在車(chē)載適配器上實(shí)現(xiàn)根據(jù)不同工作頻段的狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)選取相應(yīng)匹配的接收發(fā)射天線(xiàn)[6]。對(duì)于擴(kuò)展頻段的應(yīng)用,可進(jìn)一步利用擴(kuò)展接口外接獨(dú)立的車(chē)載功率放大器,拓展后期的應(yīng)用。車(chē)載功放適配器(VAA,Vehicular Amplifier Adapter)同時(shí)提供風(fēng)扇供電接口,滿(mǎn)足車(chē)載某些設(shè)備苛刻的散熱應(yīng)用要求。車(chē)載系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 車(chē)載電臺(tái)系統(tǒng)硬件架構(gòu)Fig.1 Hardware framework of the vehicle radio system

1.2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

車(chē)載系統(tǒng)軟件架構(gòu)平臺(tái)組成如圖2所示。軟件平臺(tái)分為紅邊、黑邊兩個(gè)平臺(tái),均部署在通用處理器(GPP,General Purpose Processor)上。

SCA電臺(tái)軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的組件主要包括框架控制組件,以及SCA設(shè)備和服務(wù)組件。框架控制組件包含域管理器、設(shè)備管理器等組件,可以直接實(shí)例化相應(yīng)核心框架接口類(lèi)實(shí)現(xiàn),需要為其設(shè)計(jì)XML配置文件。SCA車(chē)載電臺(tái)系統(tǒng)軟件平臺(tái)架構(gòu)按照SCA2. 2完整的核心框架,實(shí)現(xiàn)了框架的接口類(lèi)、以及這些類(lèi)的分類(lèi)、繼承關(guān)系、需單獨(dú)實(shí)現(xiàn)的接口函數(shù)[4]。

圖2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig.2 Software framework of the vehicle radio system

SCA平臺(tái)與波形相獨(dú)立,波形一般根據(jù)OSI或TCP/IP分層模型對(duì)波形進(jìn)行組件分層和連接,分為CORBA組件和非CORBA組件。波形支持動(dòng)態(tài)部署,采用協(xié)議棧分層設(shè)計(jì),網(wǎng)絡(luò)層部署在GPP上、數(shù)據(jù)鏈路層部署在GPP或者DSP上,物理層部署在DSP上[5]。

對(duì)于車(chē)載功放的控制接口可通過(guò)電臺(tái)主機(jī)黑邊在功放設(shè)備組件上實(shí)現(xiàn),功放設(shè)備通過(guò)調(diào)用該接口,將功放模塊異常和故障信息報(bào)告給功放設(shè)備組件和人機(jī)插件。功放設(shè)備組件特性根據(jù)功放需要實(shí)現(xiàn)的功能以及API接口定義,在該組件中具體需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊、控制模塊和狀態(tài)上報(bào)模塊[3]。

2 系統(tǒng)硬件基本設(shè)計(jì)要求

為滿(mǎn)足功放高效應(yīng)用,還必須對(duì)電源進(jìn)行全新設(shè)計(jì),它為功放提供一個(gè)可變的漏極控制電壓,同時(shí)根據(jù)電源消耗情況、過(guò)熱保護(hù)監(jiān)測(cè)、天線(xiàn)駐波比監(jiān)測(cè)、工作模式狀態(tài)、波形特點(diǎn)等進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置調(diào)整[3]。

在SCA車(chē)載電臺(tái)系統(tǒng)中,電臺(tái)主機(jī)需要識(shí)別應(yīng)用要求并將發(fā)射功率自動(dòng)控制降低為小功率,如1W。車(chē)載功放最終可輸出50 W的功率,同時(shí)內(nèi)部需要設(shè)計(jì)一個(gè)自環(huán)的發(fā)射機(jī)增益控制(TGC,Transmitting Gain Control),獨(dú)立于電臺(tái)主機(jī)。當(dāng)電壓駐波比(VSWR,Voltage Standing Wave Ratio)很大時(shí),功放將通過(guò)控制增益的改變進(jìn)行功率回退以防止功放永久性損壞。功放將對(duì)VSWR、過(guò)溫、功放偏置電壓等異常情況通過(guò)SCA電臺(tái)主機(jī)上報(bào)給系統(tǒng)用戶(hù)。SCA電臺(tái)主機(jī)通過(guò)DSP平臺(tái)控制,并傳送給黑邊的GPP,并通過(guò)紅黑隔離通道提供紅邊進(jìn)行控制顯示。

2.1 控制接口設(shè)計(jì)

車(chē)載功放控制接口框圖如圖3所示。

圖3 車(chē)載功放控制接口框Fig.3 Control interface of the vehicle PA

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

無(wú)論是寬帶視頻還是窄帶話(huà)音應(yīng)用,收發(fā)控制信號(hào)KEYLINE和相關(guān)的跳頻同步信號(hào)仍然需要由主機(jī)提供協(xié)調(diào)工作。

2.2 系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)

電臺(tái)主機(jī)、功放均采用自然冷卻的散熱方式。熱設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在加大功放的散熱面積,提高功放管與機(jī)座的接觸傳導(dǎo),在熱源主體接觸部位,采用厚實(shí)的鋁基材為條狀向縱深方向進(jìn)行熱傳導(dǎo),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(shí)現(xiàn)體散熱與空氣對(duì)流散熱。既避免了盲目使用厚壁,實(shí)現(xiàn)減重的作用;又增大了體表面,達(dá)到了散熱好的效果。

2.3 電磁兼容性設(shè)計(jì)

車(chē)載功率放大器在發(fā)射過(guò)程中,需要對(duì)發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行分段濾波處理,防止發(fā)射信號(hào)攜帶的過(guò)大的雜波或者雜散信號(hào)對(duì)車(chē)上其他電磁設(shè)備正常工作造成影響。同時(shí)共同對(duì)發(fā)射進(jìn)行正向功率和反向功率檢測(cè),確保功放正常工作,如圖4所示。

圖4 車(chē)載發(fā)射信號(hào)濾波處理框Fig.4 Signal filter of the transmitter

3 硬件及軟件平臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 共址干擾抑制

電磁兼容對(duì)于通信設(shè)備而言是一個(gè)始終必須重視的問(wèn)題。通常的共址干擾主要考慮單通道多個(gè)設(shè)備間的干擾,利用車(chē)際間干擾模型或者耦合干擾裕度模型等進(jìn)行分析干擾存在與否,或者通過(guò)建立收發(fā)信機(jī)模型設(shè)置安全帶寬來(lái)進(jìn)行共址干擾措施的實(shí)施[7]。而對(duì)于日益增加的多通道多信道的車(chē)載通信系統(tǒng)需求而言,電磁環(huán)境尤為惡劣,必須考慮系統(tǒng)多個(gè)設(shè)備同時(shí)工作可能造成的影響,也就是說(shuō)功率放大器必須具備共址工作處理能力,將共址問(wèn)題的處理放在系統(tǒng)前端,而不是僅僅對(duì)工作應(yīng)用的最大化限制。共址濾波處理框圖設(shè)想如圖5所示,對(duì)于VHF、UHF頻段可以進(jìn)行分段多段進(jìn)行抑制,個(gè)別頻段根據(jù)工作頻段特點(diǎn)結(jié)合高通濾波處理,并增加LNA進(jìn)行接收信號(hào)增益補(bǔ)償,拓展SCA車(chē)載多通道電臺(tái)的適應(yīng)性。

圖5 車(chē)載發(fā)射信號(hào)共址處理框Fig.5 Co-site solution of the transmitter

3.2 高速總線(xiàn)

RapidIO高速串行總線(xiàn)是一種高性能、低引腳數(shù)、基于數(shù)據(jù)包交換的一種開(kāi)放式互聯(lián)體系結(jié)構(gòu)。RapidIO技術(shù)主要作為高速嵌入式處理的前端總線(xiàn)開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用接口,被定義為嵌入式系統(tǒng)芯片到芯片、板到板、機(jī)架到機(jī)架的高性能互連技術(shù)。RapidIO總線(xiàn)具備高速率、高可靠性、低延時(shí)的特性,適合于一體化車(chē)載指揮通信單元的運(yùn)用。

車(chē)載電臺(tái)也將在基帶控制、射頻功放控制中均采用RapidIO高速串行總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)信道單元、功放模塊之間AD/DA的高速數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)控制命令傳輸,射頻功放控制信息也將采用統(tǒng)一的射頻控制RapidIO API實(shí)現(xiàn),可大大降低功放模塊與SCA電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)波形的耦合程度。在車(chē)載平臺(tái)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(jī)的信號(hào)處理模塊和功放模塊的FPGA中。

3.2 SCA平臺(tái)升級(jí)

JTRS于2012推出了SCA規(guī)范最新版本SCA4.0。SCA4.0是為了應(yīng)對(duì)無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備實(shí)際發(fā)展需要而推出的一個(gè)改進(jìn)的SCA架構(gòu)。其主要改進(jìn),一是靈活的架構(gòu),二是便于新技術(shù)的可插入,其實(shí)現(xiàn)是可行的。在實(shí)際的SCA電臺(tái)應(yīng)用中,符合性檢測(cè)的復(fù)雜性、軟件架構(gòu)升級(jí)的成本等問(wèn)題依然會(huì)成為SCA4.0規(guī)模使用的阻礙。不可否認(rèn)的是,靈活的、包容的、但又不弱化可移植性的開(kāi)放軟件架構(gòu)是未來(lái)軟件無(wú)線(xiàn)電發(fā)展的趨勢(shì)[8]。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文分別從系統(tǒng)硬件架構(gòu)和系統(tǒng)軟件架構(gòu)對(duì)SCA車(chē)載電臺(tái)系統(tǒng)組成進(jìn)行分析,對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要注意的控制接口要求、熱設(shè)計(jì)、大信號(hào)發(fā)射的電磁兼容設(shè)計(jì)等主要技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行剖析,并提出了相應(yīng)的解決途徑。隨著用戶(hù)的需求不斷提高,新技術(shù)的不斷發(fā)展,針對(duì)未來(lái)的變革,SCA車(chē)載電臺(tái)系統(tǒng)將在采用了共址抑制、高速數(shù)據(jù)總線(xiàn)、SCA4.0平臺(tái)升級(jí)等一系列優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)方向?qū)崿F(xiàn)突破,促進(jìn)軟件無(wú)線(xiàn)電應(yīng)用的深入發(fā)展[9]。

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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?yàn)闊o(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng);

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?yàn)檐浖o(wú)線(xiàn)電;

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

丁建鋒(1977—),男,學(xué)士,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)闊o(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)。

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(jí)工程師,主要研究方向?yàn)闊o(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電臺(tái)設(shè)計(jì);

2014-05-19;

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