基于可重构技术的无线通信侦察系统研究*

高 峰，谢瑞云，王 巍

0 引言

随着军事技术的发展，各国之间的军事对抗转向了以军事电子技术和信息技术为基础的信息领域的对抗。近年来，各国的军用无线通信技术发展突飞猛进，军用无线通信装备的发展趋向于在通用平台上集成多种通信模式［1］、支持多种用途并具备灵活的网络配置、先进的抗干扰和通信保密能力。如何在未来战场上密集、复杂、瞬息万变的无线通信环境中实时感知战场态势，及时截获、分析、识别、解析出敌方的无线通信信号和战场情报，成为信息对抗取胜的关键。

传统的无线通信侦察系统有以下特点:侦察能力局限于通信信号频谱、调制体制、信号来源方位的侦察［2］，缺少多层次的侦察能力;系统软硬件平台与系统针对的侦察目标通信体制是紧耦合的关系，不能实现侦察功能的灵活配置，可移植性差。综上所述，传统的无线通信侦察系统难以适应未来战场对无线通信系统多种通信体制、多层次侦察的要求。基于上述原因，战场无线通信侦察系统需要基于可重构思想设计并采用开放式通用架构，利用不同侦察处理模块的灵活配置、动态重组，实现多种通信体制、多层次侦察功能的自适应、可重构，以满足未来战场无线通信侦察的需要。

1 可重构技术概述

可重构技术是指在软件的控制下，利用可重用资源，重构或重组成另一个功能系统，以适应不同的应用需求［3］。可重构技术分为硬件可重构技术和软件可重构技术。

(1)硬件可重构技术:按照硬件层次的不同，可分为门级可重构、部件级可重构、指令级可重构及芯片级可重构［4］。以FPGA芯片为例，可以分为静态重构和动态重构两类。前者是指在系统空闲期间进行在线编程，即断开先前的电路功能后重新下载存储器中不同的目标数据来改变目标系统逻辑功能;后者是指在系统实时运行中对FPGA芯片进行动态配置，改变电路功能同时仍能保证电路的动态接续［5］。

(2)软件可重构技术:要求软件各个组件之间具有最小的耦合，以改善软件的结构，提高软件的可扩展性和可重用性［6］。目前软件可重构的主要方法为模块化方法，并通常采用软件中间件架构。

可重构技术已在军事通信领域进行了较为系统的研究。如美军联合战术无线电系统(JTRS)计划中提出的软件通信体系结构(SCA)［7］，以可重构的思想定义了无线电系统的硬件架构、软件架构，目的是保证软硬件的可移植性和可配置性。近些年来可重构技术在军事通信领域的应用成果也不断涌现:2008年11月，Spectrum信号处理公司宣布该公司的flexComm SDR－4000软件可重构收发信机上实现了(JTRS)电子战士兵无线电波形(SRW)物理层;美国NAVSYS公司利用GPS SDR开发思想设计一个小型化的SDR结构，通过利用FPGA动态部分重新配置功能，接收器通道加载外部存储器配置主机，以获取和跟踪特定卫星信号。上述均为国外军事通信领域可重构技术的研究及应用情况，而在无线通信侦察领域，由于目标的非合作性和电磁环境复杂性增加了可重构技术研究及应用的难度，相关的研究和应用成果鲜有报道。

2 系统可重构架构平台

2． 1 可重构架构平台构建思路

无线通信侦察系统可重构架构平台的构建原则是“平台通用化、软件模块化、开放式总线架构”。构建内容包括:可重构硬件平台、可重构软件平台。对于系统硬件平台，可重构部分通过可重构器件构建实现;对于系统软件平台，可重构部分通过软件模块化设计、软件中间件构建实现。

2． 2 可重构硬件体系架构

无线通信侦察系统硬件平台采用以下通用体系架构:显控模块、嵌入式主控模块、信号处理模块、开放式高速总线、通用射频及天线模块，如图1所示。

图1 可重构硬件体系架构

(1)显控模块

显控模块作为人机交互界面，采用千兆以太网与嵌入式主控模块连接，实现通信侦察显示、动态重构人工控制以及可重构软件功能模块编译生成等功能。

(2)嵌入式主控模块

嵌入式主控模块采用嵌入式控制芯片(如PowerPC)作为无线通信侦察数据融合和动态重构控制的核心器件，可用于对各信号处理模块分析后的数据进行融合处理，通过模式识别、比对分析生成目标对象的侦察信息。作为通信侦察运行控制中心，可根据侦察反馈将存储的通信侦察各功能组件动态加载至对应的信号处理模块。以实现侦察任务的动态调整。

(3)信号处理模块

信号处理模块采用多通道宽带接收体制，采用了多通道中频并行采样和FPGA加DSP的架构处理，可以实现多目标同时分析、实时通信侦察的功能［8］。其中，选用FPGA这类可重构器件作为无线通信侦察分析的核心器件，作为无线通信侦察各功能组件(如信号侦察、网络分析、信息解析等)动态加载的承载体。

(4)开放式高速总线

系统对总线有以下要求:开放式、标准化、高速数据传输。目前主流标准总线有VME系列和PCI系列两大类，其最新一代的标准总线分别为VPX和CPCI Express。基于PCI系列的系统一般针对电信、工业控制等领域［9］，CPCI Express标准的最新版本交换性能与VPX相差悬殊，是一个过渡性版本，而VPX是目前更为先进的总线形式。VPX支持标准的高速串行交换架构(Rapid IO/PCI－E/1GbE/10GbE)，具有可面向高性能计算、可扩展带宽、传输速率高［10］等特点，适应系统对总线开放式、标准化及高速数据传输的要求。因此，硬件平台可采用VPX高速串行接口模块，模块间的相互通信采用高速串行总线传输方式。

2． 3 可重构软件体系架构

软件平台以软件中间件构建为基础，构建了软件可重构架构软件配置和管理平台，利用模块化的侦察数据库以动态构建侦察软件模块，达到侦察模式快速切换的目的。软件平台由人机交互软件、主控软件、软件中间件、功能组件模块组成，如图2所示。

图2 可重构软件体系架构

(1)人机交互软件

人机交互软件具有用户接口、网络通信、软件加载控制等功能。

(2)主控软件

主控软件具有数据融合、软件配置、接口管理等功能，可以实现人机交互软件对硬件资源访问及软件模块调配，实现数据融合处理并通过软件中间件实现应用软件模块的管理和调用。

(3)软件中间件

FPGA等专用处理器的软件中间件借鉴SCA针对专用处理器组件的可移植补充建议(SHP)——CP289规范构建。CP289规范中提出了OCP协议来实现FPGA处理器组件的接口技术。

OCP协议是以FPGA内核为中心的总线独立、可配置和高度可扩展的接口通信协议。该协议具有以下特点:具有点对点的同步接口，简化了核的实现、综合和时序分析;不依赖系统环境，只要符合OCP协议就不需要重新设计;将数据周期和地址周期分开，可实现总线命令的流水线操作。基于OCP协议的以上特点，以CP289规范构建的软件中间件可使通信侦察处理功能组件实现模块化设计和即插即用，最终实现软件任务自动组合、动态部署的功能。

(4)功能组件模块

功能组件模块包括无线通信侦察所需的任务功能软件、辅助功能软件等。其中任务功能软件包括信号识别模块、链路网络分析模块、信号解调模块、信号解码模块、信息解析模块。辅助功能软件包括:接口通信模块、配置管理模块等。各功能组件模块以功能函数的形式通过主控软件调用。

3 系统可重构的关键技术

3． 1 可重构硬件平台核心构建技术

以PowerPC、FPGA、DSP芯片为核心构建了无线通信侦察系统可重构硬件平台核心。主要实现方式如下:

(1)嵌入式主控模块电路

主控芯片采用高速PowerPC处理器，可以为系统运行控制、数据融合及动态加载控制提供高速低时延的处理。存储部分采用M．2固态盘，通过拓展可以达到1TB以上的存储容量，为可重构功能组件模块提供足够的存储空间。PowerPC与固态盘采用PCIE总线连接，可以达到2．5Gbps的访问速度，满足系统对软件动态加载实时性的要求。

(2)信号处理模块电路

信号处理模块的核心器件采用FPGA、DSP芯片。其中FPGA分为主处理芯片(FPGAmaster)、辅助处理芯片(FPGAslave)两类。FPGAmaster作为动态加载的承载体，可支持动态重构;FPGAslave作为FPGAmaster动态加载的控制芯片。DSP芯片提供本板数据融合处理功能。

(3)数据传输总线

主控芯片PowerPC与处理芯片FPGA采用VPX总线Serial RapidIO高速串行通信方式，在嵌入式主控模块中采用交换芯片实现主控模块与多个处理模块间的高速数据交互。总线传输速率可以达到3．125Gbps，可以满足系统对侦察数据交互及软件动态加载的高速数据传输的要求。

图3 可重构硬件平台核心

3． 2 可重构软件功能组件生成技术

图4 为无线通信侦察功能组件模块的组成。其中，频率识别、信号样式识别等信号识别功能模块具有通用性，可划分为静态组件。而链路网络分析、信号解调、信号解码等功能模块对于不同的侦察目标有所差别，故将其划分为动态组件，作为可重构功能组件。

图4 软件功能组件

无线通信侦察系统的可重构功能组件采用VHDL、Verilog语言实现，可按照CP289规范的OCP协议进行封装。每一个功能应用由功能组件和域描述文件组成，域描述文件提供组件之间的属性信息、连接访问信息及操作信息等。OCP接口通过解析软件功能描述文件(SCD)和接口定义获得。接口定义保存在接口仓库(IR)中，每个接口又由端口组成，通过SCD功能组件的端口列表定义。

通过分析OCP接口配置文件，并根据OCP协议的语言独立性，可以翻译实现系统功能组件使用的VHDL语言。VHDL语言对应的符合OCP接口协议的功能组件包括以下部分:空结构体(architecture)，实体(entity)、VHDL语言包。将特定功能代码移入空结构体中即得到组件完整的VHDL代码，最终生成功能组件。

3． 3 软件功能组件动态加载技术

可重构软件功能组件的动态加载流程如图5所示。首先，嵌入式主控模块PowerPC调用固态盘的可重构功能组件(bit文件);随后，PowerPC通过Serial RapidIO传输方式将功能组件发送至FPGAslave;最后，FPGAslave对目标FPGA(FPGAmaster)采用Slave Select MAP加载模式，将该bit文件通过Select MAP通道写入目标FPGAmaster中完成加载。

图5 软件功能组件动态加载流程

在FPGA加载的具体实施方面采用部分动态可重构方式。将侦察软件划分为三个模块化软件组件，并进行规范化封装。利用PlanAhead软件生成三个bit文件，在FPGAmaster内部划分出三个逻辑区域A、B、C(如图6所示)。其中，A、B作为动态重构区域，C作为静态区域，分别对应三个软件组件。通过在线加载通道，首先将静态区域对应的bit文件下载到C区域，然后下载动态组件到A、B区域。在系统运行过程中，根据需要，可实时在线对区域A、B的功能模块进行重构，而不影响系统的正常运行。

图6 FPGA动态重构实现示例

对基于OCP协议生成的某目标信号解调功能、链路分析功能组件进行动态可重构测试。通过试验，可重构时间(含功能组件调用、传输、加载时间)约为5 s，可以实现无线通信侦察系统功能的快速重构。

4 结语

基于可重构技术构建了无线通信侦察系统，该系统具有可重配置、开放式等特性。本文构建了无线通信侦察系统可重构硬件体系架构，并提出了基于CP289规范软件中间件的可重构软件体系架构。对无线通信侦察系统可重构的关键技术:可重构硬件平台核心构建技术，可重构软件功能组件生成技术及软件功能组件动态加载技术的实现方式进行了较深入研究。研究表明无线通信侦察系统的可重构技术是可行的。

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