SCA车载电台系统设计*

2014-02-10张明民刘文斌丁建锋

通信技术 2014年8期

关键词：电台频段车载

彭麟,张明民,刘文斌,丁建锋

(中国电子科技集团公司第30研究所,四川成都610041)

SCA车载电台系统设计*

彭麟,张明民,刘文斌,丁建锋

(中国电子科技集团公司第30研究所,四川成都610041)

车载电台系统设计,可以采用软件通信体系架构,实现灵活性、可靠性、成本控制的平衡。简述了车载软件无线电电台系统中的硬件架构和软件架构,主要阐述了系统硬件的主要设计要求,确定了车载电台系统的控制接口、系统的热设计和电磁兼容性设计的主要途径,分析了车载多通道电台的共址干扰抑制的必要性和实现技术,并基于高速总线技术、软件通信体系架构标准发展对车载电台系统进行了优化设计探索。最后探讨了车载电台未来主要的几个技术研究方向。

车载电台软件无线电软件通信体系结构车载功放适配器共址干扰

0 引言

为了适应车载信息化对通信容量、组网能力等的更高需求,现在车载战术电台必须由传统的模拟话音电台转向基于软件无线电软件通信体系结构(SCA,Software Communication Architecture)平台的宽带电台(以下简称“SCA电台”)[1]。为了适应这些要求,通常情况下,意味着需要更大的体积、重量和功耗来实现。提高可靠性、缩小体积、减轻重量、降低功率消耗和提高战场使用环境的适应能力是车载战术电台不断发展的方向。为此,基于SCA平台技术来解决电台平台化、扩展频段,动态配置波形,可以达到缩小体积、降低成本、提高可靠性和战场使用环境等要求。

美国国防部为实现真正意义上的软件定义电台(SDR,Software Defined Radio),借助JTRS(Joint Tactical Radio System,联合战术无线系统)项目就提出了软件无线电软件通信体系结构(SCA,Software Communication Architecture)标准。从2001年发布SCA2.2标准开始,各国科研单位以极高的热情投入到SCA电台开发中,到如今已经发展超过10年。以AN/PRC-152、AN/PRC-117等为代表的基于SCA2.2标准架构的电台也经历了市场与实战检验,发展非常成熟[2]。

1 系统架构

1.1 系统硬件架构

SCA电台通常可实现宽频段、多带宽的功能,频率范围一般满足30～2 000 MHz,甚至宽达2～2 500 MHz[1,3-5]。车载电台系统一般需要考虑多通道设计,因此SCA电台主机有两种设计方案,一种方案是直接把低功耗小型化且基于红黑隔离设计的单通道背负式SCA电台[3]进行车载化改装,通过安装多台电台从而实现多通道功能;另一种方案是直接使用双通道背负式SCA电台或模块化的多通道SCA电台[4]作为车载电台主机。为满足不同频段的通信效果,往往需要使用不同频段的天线。为满足不断发展的技术要求,首先需要在车载适配器上实现根据不同工作频段的状态进行自动选取相应匹配的接收发射天线[6]。对于扩展频段的应用,可进一步利用扩展接口外接独立的车载功率放大器,拓展后期的应用。车载功放适配器(VAA,Vehicular Amplifier Adapter)同时提供风扇供电接口,满足车载某些设备苛刻的散热应用要求。车载系统硬件架构如图1所示。

图1 车载电台系统硬件架构Fig.1 Hardware framework of the vehicle radio system

1.2 系统软件架构

车载系统软件架构平台组成如图2所示。软件平台分为红边、黑边两个平台,均部署在通用处理器(GPP,General Purpose Processor)上。

SCA电台软件平台实现的组件主要包括框架控制组件,以及SCA设备和服务组件。框架控制组件包含域管理器、设备管理器等组件,可以直接实例化相应核心框架接口类实现,需要为其设计XML配置文件。SCA车载电台系统软件平台架构按照SCA2. 2完整的核心框架,实现了框架的接口类、以及这些类的分类、继承关系、需单独实现的接口函数[4]。

图2 系统软件架构Fig.2 Software framework of the vehicle radio system

SCA平台与波形相独立,波形一般根据OSI或TCP/IP分层模型对波形进行组件分层和连接,分为CORBA组件和非CORBA组件。波形支持动态部署,采用协议栈分层设计,网络层部署在GPP上、数据链路层部署在GPP或者DSP上,物理层部署在DSP上[5]。

对于车载功放的控制接口可通过电台主机黑边在功放设备组件上实现,功放设备通过调用该接口,将功放模块异常和故障信息报告给功放设备组件和人机插件。功放设备组件特性根据功放需要实现的功能以及API接口定义,在该组件中具体需要实现数据传输模块、控制模块和状态上报模块[3]。

2 系统硬件基本设计要求

为满足功放高效应用,还必须对电源进行全新设计,它为功放提供一个可变的漏极控制电压,同时根据电源消耗情况、过热保护监测、天线驻波比监测、工作模式状态、波形特点等进行动态配置调整[3]。

在SCA车载电台系统中,电台主机需要识别应用要求并将发射功率自动控制降低为小功率,如1W。车载功放最终可输出50 W的功率,同时内部需要设计一个自环的发射机增益控制(TGC,Transmitting Gain Control),独立于电台主机。当电压驻波比(VSWR,Voltage Standing Wave Ratio)很大时,功放将通过控制增益的改变进行功率回退以防止功放永久性损坏。功放将对VSWR、过温、功放偏置电压等异常情况通过SCA电台主机上报给系统用户。SCA电台主机通过DSP平台控制,并传送给黑边的GPP,并通过红黑隔离通道提供红边进行控制显示。

2.1 控制接口设计

车载功放控制接口框图如图3所示。

图3 车载功放控制接口框Fig.3 Control interface of the vehicle PA

所有的收发配置参数,保护功率大小、频率、低噪放大器(LNA,Low-noise Amplifier)配置、滤波器等,主机采用快速配置命令通过LVDS接口进行控制。功率大小提供大功率、中功率、低功率、用户自定义等4种选项进行灵活配置,用户自定义可按照1 dB的步径进行控制。

无论是宽带视频还是窄带话音应用,收发控制信号KEYLINE和相关的跳频同步信号仍然需要由主机提供协调工作。

2.2 系统热设计

电台主机、功放均采用自然冷却的散热方式。热设计重点放在加大功放的散热面积,提高功放管与机座的接触传导,在热源主体接触部位,采用厚实的铝基材为条状向纵深方向进行热传导,不是热源主体接触部位则采用较薄的壁厚。壳体外表面的横向与竖向则采用多条条状筋条实现体散热与空气对流散热。既避免了盲目使用厚壁,实现减重的作用;又增大了体表面,达到了散热好的效果。

2.3 电磁兼容性设计

车载功率放大器在发射过程中,需要对发射的信号进行分段滤波处理,防止发射信号携带的过大的杂波或者杂散信号对车上其他电磁设备正常工作造成影响。同时共同对发射进行正向功率和反向功率检测,确保功放正常工作,如图4所示。

图4 车载发射信号滤波处理框Fig.4 Signal filter of the transmitter

3 硬件及软件平台优化设计

3.1 共址干扰抑制

电磁兼容对于通信设备而言是一个始终必须重视的问题。通常的共址干扰主要考虑单通道多个设备间的干扰,利用车际间干扰模型或者耦合干扰裕度模型等进行分析干扰存在与否,或者通过建立收发信机模型设置安全带宽来进行共址干扰措施的实施[7]。而对于日益增加的多通道多信道的车载通信系统需求而言,电磁环境尤为恶劣,必须考虑系统多个设备同时工作可能造成的影响,也就是说功率放大器必须具备共址工作处理能力,将共址问题的处理放在系统前端,而不是仅仅对工作应用的最大化限制。共址滤波处理框图设想如图5所示,对于VHF、UHF频段可以进行分段多段进行抑制,个别频段根据工作频段特点结合高通滤波处理,并增加LNA进行接收信号增益补偿,拓展SCA车载多通道电台的适应性。

图5 车载发射信号共址处理框Fig.5 Co-site solution of the transmitter

3.2 高速总线

RapidIO高速串行总线是一种高性能、低引脚数、基于数据包交换的一种开放式互联体系结构。RapidIO技术主要作为高速嵌入式处理的前端总线开发的专用接口,被定义为嵌入式系统芯片到芯片、板到板、机架到机架的高性能互连技术。RapidIO总线具备高速率、高可靠性、低延时的特性,适合于一体化车载指挥通信单元的运用。

车载电台也将在基带控制、射频功放控制中均采用RapidIO高速串行总线实现信道单元、功放模块之间AD/DA的高速数据和实时控制命令传输,射频功放控制信息也将采用统一的射频控制RapidIO API实现,可大大降低功放模块与SCA电台网络波形的耦合程度。在车载平台上,射频功放控制API的封装和解析代码可以分别部署在SCA主机的信号处理模块和功放模块的FPGA中。

3.2 SCA平台升级

JTRS于2012推出了SCA规范最新版本SCA4.0。SCA4.0是为了应对无线通信设备实际发展需要而推出的一个改进的SCA架构。其主要改进,一是灵活的架构,二是便于新技术的可插入,其实现是可行的。在实际的SCA电台应用中,符合性检测的复杂性、软件架构升级的成本等问题依然会成为SCA4.0规模使用的阻碍。不可否认的是,灵活的、包容的、但又不弱化可移植性的开放软件架构是未来软件无线电发展的趋势[8]。

4 结语

本文分别从系统硬件架构和系统软件架构对SCA车载电台系统组成进行分析,对系统设计需要注意的控制接口要求、热设计、大信号发射的电磁兼容设计等主要技术问题进行剖析,并提出了相应的解决途径。随着用户的需求不断提高,新技术的不断发展,针对未来的变革,SCA车载电台系统将在采用了共址抑制、高速数据总线、SCA4.0平台升级等一系列优化设计的技术方向实现突破,促进软件无线电应用的深入发展[9]。

[1] 彭麟,苏旸,袁凤国.宽带高速电台发射机系统的保护设计应用[J].通信技术,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.美空军装备AN/PRC-148 JTRS增强型MBITR电台[J].通信导航与指挥自动化,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.宽带高速电台的低功耗小型化设计与研究[J].通信技术,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] 张海燕,丛键.一种新型SCA电台的分析与设计[J].通信技术,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] 吴荣远,曾百华.一种新型VHF/UHF双频车载全向天线[J].中国电子科学研究院学报,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,赵波,胡国庆,等.车载跳频电台共址干扰研究及其应用[J].计算机测量与控制,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] 范建华,王晓波,李云洲.基于软件通信体系结构的软件定义无线电系统[J].清华大学学报:自然科学版,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.

张明民(1983—),男,硕士,工程师,主要研究方向为无线通信系统;

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

刘文斌(1983—),男,硕士,工程师,主要研究方向为软件无线电;

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

丁建锋(1977—),男,学士,高级工程师,主要研究方向为无线通信系统。

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

1002-0802(2014)08-0959-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.08.024