超短波无线电监视接收机功能可重构设计

刘旭波，李 迅，赵红训

(1.中国人民解放军91977部队，北京 100142； 2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

无线电监视设备多功能一体化设计，可以有效提高设备的作用能力，降低设备量和设备的复杂程度，提高设备的可靠性；通过信号处理按需实时动态重构、迁移部署及虚拟化资源管理技术，可实现感知信号处理系统以任务驱动的快速功能切换，以应对瞬息万变的电磁环境，降低系统寿命周期的费用。根据行动和任务需求进行系统功能的可重构、可定制，动态管理分配软硬件资源进行系统功能的重构，进而提高设备资源利用率，实现资源使用效率最大化，已成为现代装备发展的必然趋势和主流方向。

1 模型建立

超短波无线电监视接收机主要用于完成VHF/UHF频段内宽频段信号的快速搜索、截获、分析、识别、解调等功能。接收机采用基模块化、阵列化、数字化、可重构设计思想的VPX总线结构形式，实现处理功能的灵活配置[1]。

超短波无线电监视接收机主要由参考源模块、模拟信道模块1-3、本振模块1-3、PowerPC模块、数字处理模块1-3、通信接口模块、采样模块、时钟分路模块、电源模块组成。其组成框图见图1 所示。

图1 超短波无线电监视接收机组成框图

接收机控制3路射频输入信号进入3个模拟信道模块，输出窄带和宽带的中频信号。其中：信道模块完成对信号的滤波、放大和变频，输出模拟中频信号，各本振提供对应信道的本振频率，参考源模块为各本振单元提供参考信号，用于各信道设置不同的本振频率，实现对不同频率信号的接收。根据信号频率对信道进行控制，多通道采样模块分别接收三个模拟信道输出的中频信号，完成信号的采样，通过底板总线将数据先发送至数字处理模块。数字处理模块主要完成信号多路数字下变频处理、信号检测、截获、分析、测量、样式识别、解调等功能。其中：FPGA完成数字下变频、滤波、抽取、FFT，得到信号的频率、幅度等信息，实现瞬时带宽全景监视功能；DSP完成宽带信号采样数据的频谱显示、信号检测分析等功能。对于窄带通道数字处理，数字处理模块各DSP根据指令完成信号分析、音频解调、数字化信道等。

数字处理模块的处理结果通过SRIO总线输出给对插的通信接口板，通过网口连接到外部网络交换机传输到显控终端。

PowerPC模块上设计有高性能CPU芯片，负责机箱内部资源的检测识别、管理调度，并实现协议分析功能，同时负责接收和分解席位下发的指令，根据当前需求为数字处理模块加载相应软件，设置分机内的各硬件模块的工作参数。

2 系统功能重构技术

通用设备资源设计和即插即用式扩展设计为系统功能重构设计提供基础，根据任务或作战需求，对设备资源进行动态重构[2]，确保系统执行多样化任务。

系统功能重构分2个层次：硬件重构和软件重构。通用处理平台的数字处理板、机箱安装结构、部件结构、可选择的系列后插板、模拟单元均相同，底板提供的可选配模拟单元、通用数字处理板的槽位数量不同，满足了系统硬件重构的需求。通过硬件资源重构，实现不同频段常用不同种类分机的功能；根据任务或功能的要求通过快捷的软件重构完成系统功能规划，实现系统功能的改变以满足实际需求。

基于统一的通用设计体系，通过硬件资源的通用化、可扩展性设计，利用多个硬件模块动态插拔组合完成系统硬件重构，随着系统能力需求的变化和技术的进步，可以方便地扩展功能进行系统升级。通过硬件重构各种板卡和模块可以互相备份替换，避免资源浪费，从而让装备的发展演进更加科学、经济和合理。

软件功能重构分为整体重构和部分重构。整体重构即重构整个平台内所有嵌入式软件。整体重构应用于平台功能需要重大改变的情况，如由侦察重构为测向、由单机处理重构为阵列处理等情况。部分重构即对平台内部分板卡或同一块板卡上的部分功能进行重构，其他功能的运行不受影响。部分重构应用于平台功能进行微调或扩展的情况，如测向时增加侦察功能、扩展通道数等情况。

软件重构设计中基于软件模块化组件技术，各功能模块作为一个软件组件，根据任务和作战需求进行软件组件的动态加载，完成相应的系统功能。其中软件类别包含板级PowerPC管理控制软件、信号处理DSP软件以及顶层的显控应用软件。

基于系统功能软件化的思路，在统一的通用设计体系结构下，装备的功能主要由软件来实现，硬件平台主要为软件运行提供基础支撑。通过软件的重构实现装备系统功能的重构，同一套系统能综合处理和应对多种目标体制，并能通过灵活组态，执行多样化任务。

3 硬件重构设计

通用设备资源设计和即插即用式扩展设计为系统功能硬件重构设计提供基础，根据任务对设备资源进行动态重构，确保系统能够执行多样化任务。

3.1 板卡即插即用式扩展设计

通用数字处理板卡设计具备即插即用能力，可以为上级控制提供板卡驱动程序。设备即插即用式扩展基于以下技术：

板卡的自动识别：通过标准设备管理总线(I2C)对各槽位进行扫描，获取槽位号、板卡标识、板卡硬件资源等信息，进行板卡自识别。

数据传输与交换：在板卡自动识别的基础上，分机控制对各节点路由进行配置，搭建平台内数据传输与交换网络。配置过程分为2步：一是上电后对整机内部的SRIO网络进行扫描，寻址SRIO网络中所有的交换器和节点，并修改它们的ID为唯一标识；二是配置交换器，为节点之间的数据交换搭建路由。具体设计实现中上电后SRIO主控设备(主控板的DSP)通过Maintence包对SRIO网络进行扫描，得到整个SRIO网络的拓扑结构和节点数量，以及各节点连接的交换器的端口号。然后再利用Data包修改各SRIO节点的ID，最后根据最新动态分配的节点ID和网络的拓扑结构搭建节点间数据传输的路由。

设备即插即用式扩展设计流程示意如图2所示。

图2 设备即插即用式扩展流程示意图

3.2 硬件平台通用化设计

通用硬件平台是可重构系统的核心基础，通用硬件平台是可重构功能软件的物理部署位置和实现依托。动态资源管理调度依托硬件平台的通用化设计，其中硬件平台的通用化设计需在总线形式、电气、接口、结构、电源设计等方面遵循标准规范。在嵌入式设备领域，VPX总线更加适用于高速数据传输[3]，且有着更强的加固性能和环境适应能力，其应用更加广泛。根据不同总线标准的发展趋势，通用处理平台采用VPX总线架构，VPX规范规定采用MultiGig RT2连接器作为板卡和底板连接器。VPX总线支持多种高性能串行协议，其中最常用的有三个：Gigabit Ethernet (GbE)、Serial RapidIO (SRIO)和PCI Express (PCIe)。根据不同串行协议应用场景通用处理平台选择1-GbE(千兆以太网)作为处理平台和席位计算机或服务器之间的控制和数据传输协议；并且选择SRIO[4]作为处理平台内部和平台机箱间的高速数据传输协议。

系统设计中信号处理机箱采用统一的通用信号处理平台。平台采用VPX标准，数据平面采用SRIO 2.0总线，控制平面采用千兆以太网，管理平面采用I2C总线，扩展平面扩展了光纤通信接口、模拟控制总线(自定义MLVDS电平)。其中数据平面采用4×SRIO全互连(Full Mesh)设计。数据单向设计传输带宽5Gbps×4=20Gbps，工程实际成熟应用传输带宽3.125Gbps×4=12.5Gbps。Full Mesh拓扑结构构成的分布式全交换网络便于系统实现分布式并行运算；平台可配置多路光纤实现对外高速数据传输，从而实现处理平台的级联。数据平台SRIO互联关系如图3所示。

图3 数据平面SRIO互联关系

通用信号处理平台采用单一种类通用数字处理板卡和系列化后插板扩展或组合功能，实现信号处理平台模块化和通用化。

通用信号处理平台可在处理平台内部内新增硬件板卡实现整机能力扩展，也可以新增处理平台级联实现系统能力扩展。

通用信号处理平台通过插装不同数量的通用数字处理板卡或不同种类数量的扩展后插卡，并通过快捷的软件重构，实现分机功能的改变。平台软件重构流程如图4所示。

图4 平台软件重构流程示意图

通用信号处理平台通过插装不同数量的通用数字处理板卡或不同种类数量的扩展后插卡，并加载不同的软件模块实现侦察、控守等不同的功能重构。

3.3 接口标准统一化设计

信号处理软件架构共涉及到四类接口标准，分别是可编程硬件资源之间的专用总线接口，控制类服务层与虚拟化硬件资源层之间的控制总线接口，资源层与服务层、服务层与应用层之间数据传输接口，服务层与应用层、服务与服务之间的服务接口。

4 软件重构

功能软件化是实现系统功能重构的途径。通过软件的重构实现装备系统功能的重构，同一套系统能综合处理和应对多种目标体制，并能通过灵活组态，执行多样化任务。在相同的处理平台上通过加载不同的功能软件，既可以完成测向功能，也可以完成搜索截获功能，或者完成信号参数分析测量或识别解调功能等。

软件重构设计中基于软件模块化组件技术，各功能模块作为一个软件组件，根据任务和作战需求进行软件组件的动态加载，完成相应的系统功能。其中软件类别包含板级PowerPC管理控制软件、信号处理DSP/FPGA软件以及顶层的显控应用软件。软件模块组件化框架如图5所示。

图5 软件模块组件化框架

5 结束语

本文通过对硬件和固件的组织管理，构建出各种不同的截获处理通道，实现特定的功能。动态资源管理调度技术通过不同IPC资源的管理调度，根据应用任务的需求，动态组织分配所需资源构造系统能力，实现装备功能的多功能一体化。根据任务需求进行系统功能的可重构、可定制，动态管理分配软硬件资源进行系统功能的重构，提高设备资源利用率，实现资源使用效率最大化，已成为现代无线电监视设备发展的必然趋势和主流方向。