综合化通信设备信号流程设计与实现

黄嘉春,曹永刚

(1.中国西南电子技术研究所,成都 610036;2.解放军驻沈阳飞机工业(集团)公司军事代表室,沈阳110034)

传统的航电系统中,通信、导航等功能都是以分离式的单一设备完成其相应的功能,而近几年出现的综合化航电系统是将通信、导航等功能作为整体进行设计,其特点是系统架构开放化,软硬件模块化、通用化,通过采用开放式系统架构和模块化通用设计标准,达到降低研制和生产成本、缩短开发周期、减少现役飞机的维护和保障成本的目的[1]。本文基于综合化航电系统通信设备的硬件框架,提出了综合化通信设备的信号处理流程设计,并给出了其流程的实现,分析了其具有的优点。

1 通用信号处理的硬件框架

综合化航电系统通用信号处理的硬件框架如图1所示。其硬件资源即通用信号处理模块主要包括DSP芯片、FPGA芯片、数据信息和控制信息通信接口、中频接口,以及间接控制射频信道模块的控制信息接口[2]。

图1 通用信号处理模块的硬件框架示意图Fig.1 Hardware framework of universal signal processing

综合化通信设备的信号处理模块主要完成以下功能:

(1)完成通用信号处理模块和系统的控制信息交互,主要包括状态参数、自检状态等信息的交互;

(2)完成通用信号处理模块和系统的数据信息交互,即数据信息的接收和上报;

(3)完成相应工作模式下的信号处理功能,即信源编解码、信号处理调制和解调,以及和射频信道模块交互中频信号;

(4)完成相应工作模式下对射频信道模块的工作参数、收发状态以及频率信息的控制。

综合化通信设备的主要工作就是将传统独立设备中的信号处理功能快速、稳定地移植到综合化设备的通用信号处理模块。

2 综合化通信设备信号流程的设计

纵观综合化通信设备通用信号处理模块需要完成的功能,存在两个信号流程:一个控制信号流程,一个话音和数据信号流程。控制信号流程比较清晰,即接收系统控制信息后,回传系统控制信息;如果需要转发射频信道模块,那么将相应的控制信息转发给射频信道模块;如果通用信号处理模块有及时的控制信息需要上传,直接上传系统。另一个信号流程即话音和数据信号流程,如图2所示。

图2 综合化通信设备话音、数据信息处理流程图Fig.2Flowchart of signal of voice and data in integrated communication equipment

如图2所示,通信设备信号处理发送流程如下所述。通用信号处理模块收到系统下发的信息后,如果是数据信息,进行信源编码(如RS编码/Turbo编码等),如果是话音,不做处理;然后对话音和已编码的数据信息进行调制处理到中频信号;最后发送到射频信道模块,即完成了通用信号处理模块的通信设备信号处理发送功能。

通信设备信号处理接收流程如下所述。通用信号处理模块收到射频信道模块的中频信号后,首先进行解调、同步处理;如果是数据信息,进行信源解码处理,如果是话音,不做处理;然后将恢复的话音和数据信息上报给系统,即完成了通用信号处理模块的通信设备信号处理接收功能。

综合化通信设备要完成上述功能,需要DSP和FPGA协同工作。换言之,其软件开发工作包括两部分:DSP程序和FPGA程序。DSP程序包括以下模块:系统控制信息处理模块、系统话音和数据信息处理模块、DSP和FPGA之间的接口模块(包括信源编码和信源解码)、射频信道模块控制信息处理模块。FPGA程序包括以下模块:FPGA和DSP的接口模块(包括信源编码和信源解码)、信号调制模块、信号解调模块、FPGA和射频信道的中频接口模块。

DSP和FPGA功能模块划分不仅充分体现了两者各自的优点,而且巧妙地回避了两者各自的缺点。DSP的优点在于采用C语言开发,周期短,灵活性高,开发速度快,移植性好,其调试方便是工程应用中最大的亮点,缺点在于不能并行处理信息。FPGA的优点在于速率高、进程并行执行、IP Core资源丰富且使用便捷,缺点在于开发速度相对较慢、难度高、调试不如DSP方便。

3 综合化通信设备信号流程的实现

根据上节综合化通信设备信号流程的设计,首先给出其实现的示意图,如图3所示。RS码特别适合于纠正突发错误,是通信设备中最常使用的信源编码方式[3],因此本文以RS码作为例子描述信号流程。

图3 综合化通信设备信号流程实现示意图Fig.3 Realization of signal flow in integrated communication equipment

如图3所示,综合化通信设备信号流程包括两个信号流程,一个是控制信息流程,该信号流程虽然看似简单明了,但在实际工程应用中,因为综合化系统协议不统一,因此该部分是需要随着系统更改并联试的。另外一个流程即话音、数据信息处理流程。该流程实际体现的就是通信设备的信号处理流程。该流程看似复杂,但因为属于底层物理通信,因此只要功能和性能稳定可靠,程序不需要随着系统而更改。下面将着重描述话音、数据信息处理流程的实现。

3.1 综合化通信设备信号处理发送流程的实现

综合化通信设备中,DSP收到系统的话音信息,直接将话音信息通过DSP和FPGA之间的接口发送到FPGA的调制FIFO中。收到系统的数据信息,DSP则发送到FPGA的RS编码FIFO(a)中,FPGA调用内部的IP core完成RS编码处理后,再返回到RS编码的FIFO(b)中;DSP从FIFO(b)中读取RS编码结果并发送到FPGA的调制FIFO(c)中。FPGA从调制FIFO(c)中读取数据,进行并串转换后,在调制模块中进行调制处理,并通过射频信道的接口模块将中频信号发送给射频模块。以上处理即完成了综合化通信设备的信号处理发送流程。

3.2 综合化通信设备信号处理接收流程的实现

FPGA首先通过射频信道的接口模块接收中频信号,进行解调和同步处理,再进行串并转换,将解调接收的数据发到解调FIFO(d)中。DSP从解调FIFO(d)中读取数据,并区分是否需要作RS解码处理。如果是话音数据,直接上报系统;如果是数据信息,将数据发送至 RS解码FIFO(e)中,FPGA从FIFO(e)读取数据,调用内部的IP core完成RS解码处理后,再返回到RS解码的FIFO(f)中。DSP从 RS解码FIFO(f)中读取数据信息,上报给系统。以上处理即完成了综合化通信设备的信号处理接收流程。

4 信号流程的总结与分析

本文基于综合化通信设备通用信号处理模块给出的通信设备信号流程的设计,已应用于多个综合化通信设备的工程。实际应用结果表明,该信号流程设计科学,实现容易,工程实现时便于问题定位,并且移植方便。

(1)信号流程清晰,易于实现

综合化通信设备信号流程主要有两个流程,即控制信息流程、话音和数据信息流程。控制信息流程按照系统要求处理即可。话音和数据信息流程清晰明了,DSP和FPGA实现容易。软件开发初期,首先定义DSP和FPGA之间的接口,然后DSP和FPGA各自将程序编写并调试。在系统联试前,DSP和FPGA在通用信号处理板上,模拟完成话音和数据信息的中频联试。系统联试时,主要完成控制和数据信息交互的联试,以及话音和数据信息的射频联试。

(2)工程调试和联试定位问题快速、准确

综合化通信设备信号流程设计和实现,无论在通用信号处理板上调试中频还是在系统中联试,很大的优点体现在问题定位快速、准确。DSP在调试过程中,随时可监测流程中间的数据是否正确,如FPGA的RS编解码模块功能是否正确、DSP接收或上报系统的话音或数据信息是否正确等。

(3)程序移植方便,通用性强

该流程还有一个优点就是程序移植方便、通用性强。在流程中,即使不同的通信设备模式,DSP程序只需针对该模式进行局部改动(例如帧数据结构的改动等)。FPGA程序的编解码模块、FIFO模块,以及串并转换模块都是可以通用的。如果只是系统平台不同,即从系统A移植到系统B时,DSP只需要更改跟系统的控制和数据信息交互处理,以及和FPGA之间的接口地址,FPGA只需要更改与DSP之间的接口地址,以及和射频信道之间的接口。

[1]张建军.轻型射频传感器系统高度综合化设计[J].电讯技术,2010,50(12):1-3.ZHANG Jian-jun.High Integration Design of Light RF Sensor System[J].Telecommunication Engineering,2010,50(12):1-3.(in Chinese)

[2]杨小牛,楼才义,徐建良.软件无线电原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2001.YANG Xiao-niu,LOU Cai-yi,XU Jian-liang.The Principles and Applications of Soft Defined Radio[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2001.(in Chinese)

[3]曹志刚,钱亚生.现代通信原理[M].北京:清华大学出版社,1992:364-365.CAO Zhi-gang.Modern Communication Theory[M].Beijing:Tsinghua University Press,1992.(in Chinese)