基于数字中频交换的多通道通信终端架构设计

王战江

（中国电子科技集团公司 第十研究所，四川 成都　610036）

基于数字中频交换的多通道通信终端架构设计

王战江

（中国电子科技集团公司 第十研究所，四川 成都610036）

在机载通信领域中，满足多任务同时通信通常需要配备多部通信终端，但多部通信终端的配备不仅给飞机体积、重量和功耗等带来不小压力，可靠性也较差。为解决上述矛盾，在充分研究现有通信终端架构的基础上，通过对通信终端信号处理流程的详细分析，提出了一种基于数字中频交换的多通道通信终端架构设计新方法，满足了多任务同时通信且可靠性高的工程需求。

机载通信；多任务；数字中频交换；多通道通信终端架构

0　引　言

在某些特定应用情况中，常常需要多任务同时通信。但现有的通信终端多为单通道设备［1-6］，只能实现单任务的信息传输。为实现同时多任务通信有两种方案：方案一：配备多部通信终端，每个通信终端完成一个任务的通信；方案二：研制多通道通信终端，在一个通信终端内实现多任务的同时通信需求。

上述两种方案都能实现多任务的同时传输，但方案一不具备经济性，并且在特定场合尤其在机载通信中，通信终端的飞机载体对体积、重量和功耗等要求苛刻，无法提供多部通信终端的配备环境。

本文针对某飞机平台实际工程需求，对现有通信终端的体系结构进行了充分研究，在详细分析通信终端信号处理流程的基础上，设计实现了一种新型机载多通道通信终端，该通信终端创新性地引入数字中频交换网络，满足了多任务同时通信且可靠性高的工程实际需求。

1　现有通信终端架构分析

1.1单通道通信终端架构

现有单通道通信终端基于软件无线电思想，硬件采用模块化实现，在组成上主要包括：电源模块、功放模块、信道模块、信号处理模块和接口与控制模块等，各模块通过背板实现信号互连。架构形态如图1所示。

图1　单通道通信终端组成

电源模块主要实现对外部输入电源的滤波、整形和变换，为设备内其他各模块提供工作电源。

功放模块主要实现收发射频信号开关切换，射频发射信号的功率放大、滤波，射频接收信号的限幅、滤波和低噪放等处理。

信道模块主要实现收发信号的上下变频、滤波、放大和变频信号产生等。

信号处理模块主要实现收中频信号的模/数变换（Analog-to-Digital Converter，ADC）、数字变频、抽取、滤波、同步、解调和信道解码等处理，发基带信号的信道编码、调制、变频和数模变换（Digital-to-Analog Converter，DAC）等。

接口与控制模块主要实现基带信号的分组帧、接口变换与系统交互和整机参数控制管理等功能。

上述模块按照一比一配置，实现一路任务信号的通信处理。

1.2多通道通信终端架构

单通道通信终端只能满足单任务的信息传输，当需要同时进行多任务传输时，需要配置多部通信终端才能满足需要，无法满足对成本、体积、重量和功耗等要求苛刻的场合。

此时，有必要配备多通道通信终端以满足工程需求。但现有的多通道通信终端［7-8］在复用电源模块和接口与控制模块采用信号处理通道的简单累加，一个处理通道实现一个特定任务的处理。架构形态如图2所示。

图2　多通道通信终端组成

1.3缺点

上述两种现有终端架构都存在不足之处。单通道通信终端不能较好的满足多任务传输需求。多通道通信终端采用处理通路的简单累加，通过复用接口与控制模块和电源模块，可以实现多任务的同时传输，但这种架构缺乏灵活性，可靠性也较差。假如一个通道的信道模块和另一个通道的信号处理模块故障，则两个通道都将丧失功能，不能充分利用这两个通道上剩余的好的信道模块和信号处理模块。

如果能够在多通道处理终端的功放模块、信道模块和信号处理模块之间引入交换网络，当不同的处理通道出现非同类型模块故障时，可以通过交换网络进行设备架构的重配置，利用故障通道上好的剩余模块重新构建一条完整的处理通道，则将大大提高设备的灵活性和可靠性。

2　基于交换的多通道通信终端架构设计

2.1通信终端的信号流程分析

通信终端接收时，天线接收空间传播的射频信号送给功放模块，通过收发开关切换送入接收处理通道，滤波后经过低噪放放大处理送给信道模块，在信道模块内实现射频信号的下变频处理，通过中频放大和滤波后在信号处理模块实现中频ADC采样，采样后的数字中频在数字域进行下变频、抽取和解调。通信终端发射时，处理过程为接收过程的逆过程。接收信号处理流程如图3所示。

图3　接收信号处理流程

2.2交换点的选取

由图3的信号处理流程可知，功放模块、信道模块和信号处理模块之间的信息交互形态是射频和中频信号。如果在射频信号处进行交换，由于不同的处理通道射频频率可能存在较大的差异，信道模块针对不同的处理通道也会选用不同的滤波器，交换后的射频信号将出现与滤波器不匹配从而无法实现正常收发。因此，考虑在中频信号处进行交换。但基于图3中模拟中频信号交换需要引入模拟交换开关，信道模块和信号处理模块之间用射频电缆进行互连，存在以下缺点：

（1）模拟交换开关、功分器等引起信号信噪比恶化；

（2）模拟中频信号采用专用射频电缆而非背板互连，增加设备复杂度；

（3）多通道需要多根射频电缆互连，增加设备重量；

（4）多根射频电缆互连，降低设备可靠性。

进一步对信号流程进行分析可知，中频信号在信号处理模块内进行中频ADC采样，采样后即为数字中频信号。如果能基于数字中频信号进行交换，则可避免上述基于模拟信号交换的诸多缺点。因此，将中频ADC/ DAC采样电路前移至信道模块，信道模块和信号处理模块间的信号交互由模拟中频信号变换为数字中频信号，改变后的架构既克服了上述基于模拟信号交换的缺点，又可避免原信号处理模块中数模混合设计可能对模拟信号引起的干扰，提高了系统的信噪比。此时，接收信号处理流程和发射信号处理流程如图4所示。

2.3数字中频交换网络设计

由于目前的中频ADC/DAC数字接口多为并行接口，如果直接对并行数据接口进行交换，则模块间的互联信号线太多，并且考虑到中频信号的采样率通常为几十兆样本每秒（Million Samples Per Second，MSPS）量级，因此，对并行数据进行串化处理，模块间的数字中频交换基于串化后的串行数据实现。

图4　改进的信号处理流程

对并行数据进行串化处理有两种实现方案。

方案一：基于专用串化解串芯片实现

基于专用串化解串芯片的技术方案相对更加成熟，以美国国半公司的DS92LV16串化解串器为例。DS92LV16串化解串器可以实现16 b并行数据的串化和一路串行总线型低压差动信号（Bus Low Voltage Differential Signal，BLVDS）解串为16 b并行数据的双工处理，并行端口数据速率支持25～80 MHz频率范围，满足使用要求。由于串化器串行数据输出内嵌了2 b时钟信息位，因此串化后的串行线速率是18倍的并行数据率。串化解串器接口较简单，发送端主要相关的信号有16 b并行数据口和时钟口，可以与中频ADC输出直接互联。串化后的串行BLVDS信号通过低压差动信号（Low Voltage Differential Signal，LVDS）交换矩阵实现交换，本方案选用的是4×4交换矩阵芯片SN65LVDT125A，可以实现4路输入和4路输出的任意交换。接收端只需要给解串器提供发送端并行数据率相同的参考频率时钟，解串器即可通过LOCK信号指示是否锁定，并将恢复串行数据内嵌的并行数据和时钟信号输出。

基于串化解串芯片实现的中频交换网络如图5所示。

图5　基于串化解串芯片的中频交换示意图

方案二：基于现场可编程逻辑门阵列（FPGA）内嵌的ROCKET IO硬核实现

目前主流的FPGA内部都集成了或多或少的ROCKET IO高速接口，ROCKET IO内部集成串化解串功能，采用8B/10B编码实现直流平衡，通过预加重/去加重和均衡等技术，能支持线速率高达10 Gbaud量级，因此，可以提供更高的中频ADC/DAC采样率。

但该方案需要基于流传输的Aurora协议支撑，技术难度相对较高，并且ROCKET IO对时钟和电源要求很高，需要配置专门的时钟网络和电源处理电路，增加电路的复杂性，也降低了可靠性。

最终，选取方案一作为设备最后实现的方案，方案一技术成熟，风险小且可控。

2.4基于数字中频交换网络的多通道处理终端架构实现

实际工程需要实现4收4发的多任务同时半双工通信，每个通道的信道模块选用一片收发全双工串化解串芯片，实现一路收发的串化解串处理。信道模块与信号处理模块之间选用两片4×4交换矩阵芯片，其中一片用于信号交换，一片作为备份以提高设备可靠性。每个信号处理模块选用一片收发全双工串化解串芯片，处理与信道模块相对应的串化解串处理。

信道模块和信号处理模块之间的串行数字中频速率相对较高，设计实现时必须注意高速信号的完整性，按照高速信号的布线规则进行布线。基于数字中频交换网络的多通道处理终端架构如图6所示。

图6　基于数字中频交换的多通道处理终端架构

3　结果及验证

硬件调试完毕后，与信道模块一起在整机背板对数字中频交换架构进行验证。

3.1信号接收验证

信道输入中频测试单载波，ADC采样后的并行数据串化后经过数字中频交换网络送给信号处理模块，信号处理模块进行解串处理，将恢复出的ADC并行数据通过WaveVision软件绘图，结果如图7所示。

由图7可知，ADC采样波形平滑无掉点错点，表明基于数字中频交换的信号接收通路传输稳定可靠。

图7　ADC数据波形

3.2信号发射验证

信号处理模块产生单载波I和Q并行数据，经串化处理，通过数字中频交换网络送给信道模块，信道模块解串后将I和Q并行数据送给DAC器件进行DAC，变换出的单载波波形如图8所示。

图8　DAC发射单载波

由图8可知，输出单载波波形频率准确，基于数字中频交换的信号发射通路传输稳定可靠。

4　结　语

基于工程需要，本文设计了一种新型的基于数字中频交换的多通道通信终端架构，并对最后的实现结果进行了验证。通过验证表明，基于数字中频交换的多通道通信终端架构方案可行，当两个处理通道的信道模块和信号处理模块故障时，通过配置交换网络重构一条完整的处理通道即可正常通信。克服了目前通信终端的架构弊端，提高了设备的灵活性，满足了工程多任务同时传输和高可靠性要求。

该新型架构对其他类似的多通道信息处理设备同样具有很好的借鉴意义。

［1］陈健，阔永红，李建东，等.一种短波软件无线电台的实现［J］.电讯技术，2003（3）：35-38.

［2］邱永红，刘衫坚，计淑浪.软件无线电通信系统模块化体系结构的研究［J］.计算机工程与应用，2004（15）：171-174.

［3］闫复利.全双工无线数传电台［J］.兵工自动化，2009，28（12）：29-31.

［4］王烁，周家喜，王庆华.SCA架构软件无线电台设计与实现［J］.通信技术，2011（6）：40-42.

［5］汤军，赵菲.美军JTRS对海军通信装备发展的启示［J］.舰船电子工程，2011（6）：24-28.

［6］何春虎，郭强，孟宓.基于认知无线电的军用抗干扰电台的设计［J］.科技视界，2013（20）：13-14.

［7］张剑锋.基于认知无线电的电台架构研究［J］.软件，2011（5）：56-58.

［8］丛键，苏旸，张海燕.一种新型战术电台的关键技术分析与设计［J］.通信技术，2012（9）：36-38.

Design ofm u ltichannel comm unication term inal architecture based on digital interm ediate frequency exchange

WANG Zhanjiang
（No.10 Research Institute，China Electronics Technology Group Corporation，Chengdu 610036，China）

In airborne communication field，the multiple communication term inals are normally needed to satisfy the multitask simultaneous communication.However，the equipped multiple communication terminalsmay bring in some problems in the aspects of the airplane′s size，weight and power consumption，and cause poor reliability.To solve the above contradictions，on the basis of the full study of the existing communication terminal architectures，a new design method for the multichannel communication terminal architecture based on digital intermediate frequency（IF）exchange is put forward by a detailed analysis on the processing flow of the communication terminal signal，which can satisfy the engineering demands of multitask simultaneous communication and high reliability.

airborne communication；multitask；digital IF exchange；multichannel communication terminal architecture

TN914.3-34；V243.1

A

1004-373X（2016）11-0005-04

10.16652/j.issn.1004-373x.2016.11.002

2015-10-11

王战江（1979—），男，河南滑县人，硕士，工程师。主要从事航空通信设备的设计研发工作。