基于LRM 模式的高集成綜合通信設(shè)備設(shè)計(jì)研究

黃博聞

（上海瀚訊信息技術(shù)股份有限公司，上海200035）

伴隨著硬件技術(shù)和芯片行業(yè)的發(fā)展以及高速信號(hào)總線的產(chǎn)生，通信設(shè)備的體制和標(biāo)準(zhǔn)不斷完善，設(shè)備朝著標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、小型化演進(jìn)。各種國(guó)際組織不斷完善推出了多種計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，并在通信行業(yè)廣泛使用。對(duì)于特種通信行業(yè)而言，需要應(yīng)對(duì)高濕、鹽霧、越野等特殊環(huán)境的能力。采用全密閉的LRM 模式的機(jī)箱架構(gòu)，在能夠支持便捷地設(shè)備維護(hù)的同時(shí)，也具備良好的環(huán)境適應(yīng)能力。

1 LRM 標(biāo)準(zhǔn)及特點(diǎn)

LRM 模塊是標(biāo)準(zhǔn)化可便捷替換的通用設(shè)計(jì)單元的統(tǒng)稱(chēng)。各類(lèi)LRM 模式通信產(chǎn)品的設(shè)計(jì)均基于某項(xiàng)通信標(biāo)準(zhǔn)，在特種通信行業(yè)還會(huì)根據(jù)需求進(jìn)行融合或定制化提升。

1.1 LRM 標(biāo)準(zhǔn)

1994 年，美國(guó)航空無(wú)線電通信公司（ARINC, Aeronautical Radio Inc）發(fā)布了ARINC650 標(biāo)準(zhǔn)，提出了LRM 模塊的標(biāo)準(zhǔn)和概念，定義了模塊和機(jī)箱的標(biāo)準(zhǔn)[1]。美軍參照ARINC650 標(biāo)準(zhǔn)，改進(jìn)定義了MIL-STD-1389D 標(biāo)準(zhǔn)[2]。

歐洲聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)航電體系委員會(huì)（ASAAC, Allied Standards Avionics Architecture Council） 于2005 年開(kāi)始推行自定義的LRM 模塊標(biāo)準(zhǔn)[3]。

VITA（VMEBUS International Trade Association，VME 貿(mào)易協(xié)會(huì)組織）提出了VITA 系列標(biāo)準(zhǔn)，包括了結(jié)構(gòu)、健康管理、高速總線等，具備完善的整機(jī)規(guī)范細(xì)節(jié)。其中，最廣泛使用的就是VPX 架構(gòu)，在VITA 46 規(guī)范中提出，使用MultiGig RT2 連接器，這是一種基于PCB 板卡的金手指模式連接器，如圖1。VITA 48規(guī)范進(jìn)一步給出了散熱設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。VITA 65 規(guī)范結(jié)合前序標(biāo)準(zhǔn)提出了更完善的OpenVPX 標(biāo)準(zhǔn)，滿(mǎn)足通信行業(yè)對(duì)機(jī)箱通信速率的不斷提升的需求。VPX 規(guī)范規(guī)定了3U 和6U 兩種尺寸標(biāo)準(zhǔn)，以及風(fēng)冷和導(dǎo)冷兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式。

圖1 VPX 連接器

VITA58 標(biāo)準(zhǔn)則規(guī)范了另外一種LRM 模塊，可以配合ARINC 600 和MIL-DTL-83527 連接器，實(shí)現(xiàn)單模塊全密閉設(shè)計(jì)，能夠有效對(duì)抗鹽霧、淋雨環(huán)境，且全密閉方式更利于電磁兼容設(shè)計(jì)。VPX 標(biāo)準(zhǔn)由于連接器是板載壓接連接器，無(wú)法做到單模塊全密閉，三防和電磁兼容的設(shè)計(jì)壓力需要由機(jī)箱分擔(dān)。

1.2 LRM 模式特點(diǎn)

LRM 模式的通信產(chǎn)品遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，通常具備以下特點(diǎn)。

1.2.1 模塊標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，機(jī)箱功能可定制：各個(gè)功能模塊采用統(tǒng)一設(shè)計(jì)規(guī)范，均可以插入通用的機(jī)箱槽位?？梢愿鶕?jù)機(jī)箱的功能需求，靈活地配置不同的模塊，快速形成新的功能組合樣式。

1.2.2 維修便捷：功能模塊以插卡的方式與機(jī)箱結(jié)合，無(wú)需線纜連接，對(duì)于功能異常的模塊可以快速插拔更換。

1.2.3 快速的故障定位：具備標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)箱管理模塊，能夠通過(guò)機(jī)箱管理總線和協(xié)議，檢測(cè)板卡的健康狀態(tài)，及時(shí)捕獲和定位故障到單個(gè)LRM 模塊。

2 LRM 綜合通信設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

特種通信行業(yè)通常需要為客戶(hù)提供多種通信手段和數(shù)據(jù)服務(wù)，如多媒體集群、LTE、WIFI 等。無(wú)線傳輸設(shè)備搭載平臺(tái)呈現(xiàn)了通信手段的多樣性、生產(chǎn)廠家的多樣性、信道數(shù)量多樣性等特點(diǎn)。因此，需要在現(xiàn)有的多種技術(shù)體制以及搭載平臺(tái)等方面進(jìn)行充分考慮的基礎(chǔ)上，打破原有不同類(lèi)型的無(wú)線設(shè)備在設(shè)備形態(tài)、甚至硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)思想，將設(shè)備形態(tài)和軟硬件平臺(tái)規(guī)范到統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，提高設(shè)備的通用性、現(xiàn)場(chǎng)可更換性和可維護(hù)性，降低特種通信產(chǎn)品定制化設(shè)計(jì)的難度，實(shí)現(xiàn)組合式快速設(shè)計(jì)。LRM 綜合通信設(shè)備，由機(jī)箱、LRM 信道模塊、LRM 交換控制模塊構(gòu)成。如圖2 所示，給出了整機(jī)架構(gòu)示意，對(duì)外功能接口均在設(shè)備后部背板區(qū)域。模塊由前向后插入，便于拆裝更換。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 尺寸規(guī)范

機(jī)箱結(jié)構(gòu)采用VITA 58 技術(shù)規(guī)范要求[4]，LRM 模塊和機(jī)箱之間的連接器采用ARINC 600 SIZE 2/3 射頻數(shù)字混合連接器，如圖3 所示。LRM 模塊尺寸有1H12 到8H22 共16 種，這里選擇的尺寸為1H2 和2H2，如表1 所示。

圖4 是以LRM 信道模塊為例的尺寸示意圖，圖5 為L(zhǎng)RM模塊與機(jī)箱的安裝結(jié)構(gòu)示意。

圖2 整機(jī)架構(gòu)

圖3 ARINC600 連接器

表1 LRM 模塊尺寸

圖4 LRM 信道模塊尺寸示意

為了提升抗?jié)駸?、鹽霧和電磁兼容能力，設(shè)計(jì)時(shí)在結(jié)構(gòu)結(jié)合面需要使用屏蔽導(dǎo)電膠條。這里選用復(fù)合雙峰導(dǎo)電橡膠條，將導(dǎo)電橡膠與普通高抗撕硅橡膠復(fù)合在一起，形成外側(cè)為普通硅橡膠，內(nèi)側(cè)為導(dǎo)電橡膠的復(fù)合雙峰設(shè)計(jì)，兼具耐鹽霧腐蝕和電磁屏蔽的功能（圖6）。

圖5 LRM 模塊與機(jī)箱的安裝結(jié)構(gòu)

圖6 雙峰導(dǎo)電膠條

2.2.2 設(shè)計(jì)效果圖

LRM 信道模塊如圖7 所示，包括數(shù)字基帶處理和射頻單元，采用1H2 尺寸。后端為背板連接器，前面板包括指示燈、射頻BNC 接頭、調(diào)試接頭等。

圖7 LRM 信道模塊示意

LRM 交換控制模塊如圖8 所示，采用2H2 尺寸。

圖8 LRM 交換控制模塊示意

機(jī)箱如圖9 所示，主要由結(jié)構(gòu)件、背板、電源等構(gòu)成?？梢耘浜蠝p震架安裝，提升抗震和越野性能。

圖9 機(jī)箱示意

2.3 硬件設(shè)計(jì)

機(jī)箱背板總線借鑒OpenVPX 標(biāo)準(zhǔn)[5]，如圖10 所示，采用配置（Control Plane）、業(yè)務(wù)（Data Plane）、機(jī)箱管理（Management Plane）三總線架構(gòu)，Expansion Plane 為可選的擴(kuò)展總線，實(shí)現(xiàn)相鄰模塊之間的自定義通信，通常由4 對(duì)高速差分對(duì)構(gòu)成。配置和業(yè)務(wù)總線采用1000base-X，機(jī)箱管理總線為I2C 硬件總線配合“Intelligent Platform Management Interface，IPMI”2.0 協(xié)議。基于總線交互式的結(jié)構(gòu)可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議將各功能單元連接起來(lái)，系統(tǒng)整體上模塊化程度高，具有良好的開(kāi)放性、擴(kuò)展性和通用性。由于一般芯片都具有常用標(biāo)準(zhǔn)總線接口，也有利于芯片的選擇。

圖10 OpenVPX 背板總線

交換控制模塊由通用處理器“General Processing Unit，GPU”、多口交換芯片和單片機(jī)等構(gòu)成，兩個(gè)交換芯片分別實(shí)現(xiàn)配置和業(yè)務(wù)總線。圖11 給出了各個(gè)核心模塊的數(shù)據(jù)總線關(guān)系。

圖11 交換控制模塊數(shù)據(jù)關(guān)系

信道模塊采用經(jīng)典的CPU+FPGA 軟件無(wú)線電架夠，核心處理器選擇xilinx 公司的FPGA Soc 芯片。ADDA 模塊可以選用高集成寬帶RFADC，單片實(shí)現(xiàn)ADDA 所有功能，例如ADI 公司的AD9361?？梢酝ㄟ^(guò)加載不同的通信軟件實(shí)現(xiàn)3G、4G、集群等不同通信體制。圖12 給出了各個(gè)核心模塊與數(shù)據(jù)總線之間的關(guān)系情況。

圖12 通用信道模塊數(shù)據(jù)關(guān)系

2.4 健康管理

參考VITA46.11 標(biāo)準(zhǔn)[6]。交換控制模塊的單片機(jī)作為機(jī)箱管理控制器通過(guò)I2C 總線與各通用LRM 模塊的單片機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)機(jī)箱管理，構(gòu)成智能平臺(tái)管理總線（IPMB）。全系統(tǒng)運(yùn)行IPMI2.0協(xié)議[7]，能夠監(jiān)控配置各模塊電壓、電流、溫度、網(wǎng)口狀態(tài)、告警等信息，實(shí)現(xiàn)通用化的模塊管理。從而，不同功能的模塊只要符合協(xié)議要求就可以納入統(tǒng)一管理。

3 結(jié)論

本文針對(duì)特種通信行業(yè)通信手段多樣化并存，使用環(huán)境要求高的需求，提出了一種LRM 模式的綜合通信設(shè)備的設(shè)計(jì)框架，采用了標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化的思想，能夠靈活搭配設(shè)備的通信以及數(shù)據(jù)處理功能。整體設(shè)計(jì)參考VITA 58 機(jī)箱標(biāo)準(zhǔn)和OpenVPX 硬件總線標(biāo)準(zhǔn)，建議采用經(jīng)典的軟件無(wú)線電架構(gòu)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)LRM 模塊整體的通用化。后續(xù)將結(jié)合實(shí)物樣機(jī)的研制，進(jìn)一步細(xì)化完善設(shè)計(jì)框架規(guī)范，形成符合特種通信行業(yè)需求的通信產(chǎn)品規(guī)范。