一种基于CPCI-E总线的频谱监测设备设计与实现

岳新宇

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



一种基于CPCI-E总线的频谱监测设备设计与实现

岳新宇

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

摘要：针对传统的频谱监测设备存在功能单一、通用性差、设备量大和集成度低等缺点，提出了一种新的基于CPCI-E总线的频谱监测测向设备设计方法。该方法基于标准化和模块化的设计思路，采用了CPCI-E总线技术，既提升了设备数据吞吐能力和信号处理性能，又提升了设备功能重构和模块互换能力。新设备不仅具有瞬时监测频段宽、测向精度高和自动化程度高等特点，且能够满足于多信号、多模式和多体制的频谱监测测向需求。

关键词：频谱监测测向设备；CPCI-E总线；模块化；标准化

0引言

在电磁频谱管理领域中，传统的监测设备或系统存在功能单一、设备不标准、通用性差、可维护性差、设备量大和集成度低等缺点，通常只适用于常规通信信号的监测和侦察，而对跳频信号、扩频信号和雷达信号的监测和测向通常需要不同的专用设备[1-7]。因此，开发一种模块可互换、硬件可重组、软件可重构、规模可扩展和任务可并发处理的新一代频谱监测测向设备，已然成为电磁频谱管理领域关键技术发展的迫切要求。

针对此需求，提出了一种基于CPCI-E总线的新型频谱监测测向设备方法。该方法遵循硬件通用化、功能可重构与集成化的设计思想，可快速组装、构建成适合不同应用场景的频谱监测测向设备；运用了硬件多通道和软件多线程的方法，增强了新设备对跳频、扩频和突发等多体制信号的监测能力和多任务并行处理能力；并通过应用软件模块和硬件模块的可扩展性和动态配置，使设备具有良好的扩展和升级能力，能够更好地适应现代和未来复杂电磁环境下频谱监测测向设备的更高需求。

1新型频谱监测测向设备的总体设计思想

基于CPCI-E总线的模块化监测测向设备针对需求进行了优化设计，采用了模块化和开放式可扩展的标准化体系架构，实现了电磁频谱监测测向设备的模块可互换、硬件可重组、软件可重构和规模可扩展。该设备基于开放式架构，采用了CPCI-E标准总线[8]，实现了数据的高速传输，提升了系统扩展能力，通过软件升级和硬件更新来提升设备的性能；软件与硬件耦合弱，系统结构层次清楚，提升了模块互换能力。

该设计的总体理念具体表现在以下几个方面：

① 母板采用标准PCI-Express总线，可提升各模板件的数据吞吐能力，可以很好地解决I/O大数据下读写的瓶颈问题[9]；

② 基于软件无线电的设计思想，主控模板的CPU采用Intel I7处理器，信号处理模块采用双DSP+ FPGA的处理架构，可提升数据实时处理、并发处理和多任务处理的能力；

③ 射频接收模块采用了低噪声、大动态、宽带射频前端技术和高速大动态采样技术，能够在100 kHz～40 GHz范围内对电磁频谱环境进行实时监测和大动态范围内的信号接收或处理，对待监测的信号进行快速和高效地测量分析，并使得该监测设备能更好地适应跳频、扩频、猝发、雷达和测控等特殊类型信号的监测和测向；

④ 方案中设备机箱供电采用交流220 V供电，交流供电适应环境范围广。交流电经电源模块变换输出3路+12 V(数字、模拟、风扇各使用1路)、2路+5 V(数字、模拟各使用1路)共5路直流电源输出，足以满足多种模块的用电要求。

2硬件平台结构的标准化和通用化设计

基于CPCI-E总线的模块化监测测向设备平台采用标准设备机箱+各种功能模块的架构，在设备机箱内插装不同的硬件模块，并可装载不同的如应用软件模块、DSP软件模块和FPGA软件模块[10]等各类的标准模块，以满足不同的功能需求。

本设计方案中采用了标准化和通用统一结构设计，标准设备机箱设计为通用统一的5U拼接屏蔽机箱，具有良好的电磁屏蔽性能和抗冲击振动性能，能满足固定、车载、机载设备对电磁兼容性和冲击和振动等环境适应性的要求。5U机箱中可最多插装17个6U 4HP模块，最大利用机箱空间。机箱可插装1个主控处理模块、1个交换模块和15个外设模块。在机箱内部结构设计时，对机箱散热进行了热仿真设计和优化风道设计，并充分利用内部结构件进行传导散热，使机箱可满足450 W散热需求；任务功能接口接插件安装于机箱的后面板，而调试及测试接口设计在机箱的前面板，便于设备的调试或测试，其结构设计示意图如图1所示。

基于CPCI-E总线的模块化监测测向设备的功能模块分为主控模块、外设模块、交换模块和BITE控制模块等4大类。主控模块和交换模块总线接口及接插件选型符合“Compact-PCI Express PCIMG EXP.0 R1.0 Specification”规范(以下简称规范一)。外设模块分为数模混合模块和数字处理模块两类，均采用了统一的盲插屏蔽结构设计，简化母板及机箱结构设计，可提升设备的维修性、保障性及电磁兼容性。

图1　标准设备机箱结构图

外设模块的对外接口连接设计为电源供电区、高速数据连接区和射频连接区等3类。电源供电区、高速数据连接区的总线接口及接插件选型符合规范一，射频连接区的射频连接器选用SBMA连接器，射频信号通过盒体后面板上的SBMA插头输入/输出，模块间的射频信号均通过母板上的SMA/SBMA-KFK连接器完成连接，拆装外设模块时不需拆装电缆，提高设备的维修性。在设计外设模块屏蔽盒时也综合考虑到了屏蔽和散热的功能需求。

3设备电路的模块化与集成化设计

3.1母板设计

母板是监测测向设备的重要部件，担负各模块间及外部的控制指令、数据传输，以及外设模块间及外部接口间的射频连接。

母板设计为17槽背板，槽1为系统槽，插装主控模块；槽4插装交换模块；其它槽插装外设模块。其中槽17即可插装外设模块，也可插装BITE模块。各模块间的指令/数据传输采用PCI Express总线及SRIO等点对点的高速串行总线技术，解决了传统并行总线如PCI总线的传输速率低和电路板设计复杂及成本高等方面的不足。母板设计也是遵循按规范一设计，电路原理图如图2所示。

图2　母板电路原理图

总线全部设计为PCIe×4总线，且兼容PCIe×1。PCIe×4总线理论传输速率为1 000 Mbytes/s，实测连续传速度高于750 Mbytes/s，远远高于PCI总线的128 Mbps理论传输速率。主控模块输出4个PCIe×4总线，分别连接前三外设模块及交换模块。交换模块对PCIe总线进行扩展，输出12个PCIe×4总线分别与其他外设模块连接。若外设计模块少于3个时，可不用交换模块，以节约成本。另外，外设模块1、2、3相互之间采用SRIO×4实现数据通信。SRIO每个信道传输速率为3.125 Gb/s，每个信道单方向最高可以到312.5 Mbytes/s，实测时模块间双向收发传输速度均可达1 Gbytes/s以上。

3.2模块设计

3.2.1主控模块

主控模块负责分机控制、信号处理和对外通信等功能，是监测测向设备的核心部件，直接影响设备的整体性能。主控模块同样遵循规范一设计，其CPU采用Intel i7 4核2.0 GHz板载CPU，并配有2 Gbytes板载DDRⅢ内存颗粒，外存储器采用128 G的宽温SLC存储高速电子盘和CF卡，可为设备提供高性能计算处理能力及高速数据存储读写能力。另外，主控模块配有标准的PCIE总线、VGA、千兆以太网、USB和音频等接口。

3.2.2交换模块

CPCI-E交换板基于PLX公司的PEX8648交换芯片设计，通过两片PEX8648级联提供1个PCIe×8 Uplink端口和PCIe×16个4Downlink端口。传输协议遵循PCI-E 2.0规范，向下兼容PCI-E 1.0a/1.1，所有端口支持全速度，并可自适应链路带宽，上行端口可自适应协商链路带宽从×8到×4、×2、×1，上行端口可自适应协商链路带宽从×4到×2、×1。

3.2.3外设模块

文中频谱监测测向设备提供多种外设模块，通过不同模块的组合并配备不同的软件，可以快速构造出不同功能的频谱监测测向接收机，以适应于特殊用途的应用场景。

外设模块分为数字处理模块和模拟模块2类。数字处理模块包括信号处理模块、多通道采样预处理模块和多通道采样处理模块等；模拟模块由短波信道、超短波信道，超短波本振模块、参考源与短波自校源模块、参考源与超短波自校源模块等组成。采样预处理模块采用“高速大动态A/D+高速大容量FPGA”方案，实现了宽带、高灵敏度和大动态的采样及变频处理；数字处理模块采用“高速大容量FPGA+多核DSP”方案，提升处理性能，可实现频谱监测、测向处理、信号检测识别、信号解调等多任务、实时和并行处理，提高了复杂电磁环境下多模多体制信号的捕获和自动监测能力，满足了现代频谱监测管理的任务需求。模拟模块采用小型化高性能接收技术，不仅大大减少了设备的体积及重量，而且实现设备宽带下的高灵敏度和大动态接收。另外，每个模块设计有BITE电路及接口，频谱监测测向设备并提供BITE控制模块[11-13]。

4设计工程应用案例

4.1短波/超短波频谱监测设备实现

短波/超短波频段(1.5 MHz~3 GHz)是电磁频谱监测管理的重要频段，该频段的频谱监测设备采用了本文的设计方案，主要由标准机箱配以主控模块、交换模块、双通道采样处理模块、短波信道、超短波信道、超短波一本振、超短波二三本振和BITE控制模块等组成，设备实现原理图如图3所示。

双通道采样处理模块设计有2个独立的采样及处理通道，可对两路采样数据独立并行处理，因此设备的2个接收通道——短波接收处理通道和超短波接收处理通道可独立工作和并行监测处理。双通道采样处理模块的高速大容量FPGA主要用于采样数据的变频处理及FFT运算，多核DSP用于实现多路信号的检测、识别或解调运算。通过主控模块的任务调度和控制，该监测设备可实现短波、超短波的独立接收处理，频谱监测、信号检测、信号识别和解调的实时并行处理。

图3　短波/超短波频谱监测设备实现原理图

短波/超短波频谱监测设备配以相应的接收天线和天线选择开关，即为频谱监测系统。若配以其他频段的下变频器和天线可实现监测频段的扩展。

4.2多通道超短波频谱监测测向设备实现

多通道超短波频谱监测测向设备是电磁频谱监测系统标配的专用设备，该设备采用了本文的设计方法，组成原理图如图4所示，主要由标准机箱、主控模块、交换模块、信号处理模块、多通道采样预处理模块、超短波信道、超短波一本振、超短波二本振、超短波三本振、参考源与超短波自校源和BITE控制模块等模块组成。该设备采用监测测向一体化技术，实现了宽带搜索、信号监视、多模式测向、信号分析和解调等功能。

图4　多通道超短波频谱监测测向设备实现原理图

5结束语

本文提出的频谱监测设备设计方法中采用CPCI-E总线技术，解决了设备内部数据传输带宽的瓶颈，提升信号处理性能；采用了标准化和模块化设计方法，提升了设备功能重构和模块互换能力；采用了多通道和软件多线程的方法，增强了跳频、扩频、突发等多体制信号的监测能力和多任务并行处理能力。新方法在多型频谱监测测向设备中的应用效果表明，该方法可满足新形势下复杂电磁环境频谱监测的需求，具有重要的工程实用价值。

参考文献

[1]王树刚，徐文娟.电磁频谱监测系统设计分析[J].无线电工程，2012，42(6)：39-41.

[2]殷云志，解建伟.基于传感器协作网络的信号监测技术研究[J].无线电工程,2014,44(7):15-18.

[3]邢占春，曹芳菊,黄进燕，等.基于CPCI总线的多卡实现32路采集平台设计[J].无线电工程，2014，44(4)：77-80.

[4]孙磊,安建平.基于软件无线电的无线频谱测量设备设计[J].计算机测量与控制,2007,15(2):1822-1823.

[5]李朝海,罗超,王杰峰.多客户端频谱监测设备系统设计[J].电子技术应用,2014,40(9):68-71.

[6]吴青萍,周玉.超短波频谱监测网络化设备设计[J].电子技术应用,2012,35(11):110-112.

[7]吴拓.侦察接收一体式宽带数字设备设计[J].航天电子对抗,2009,25(6):43-46,53.

[8]雷迎科,钟子发.CPCI-E背板设计与仿真[J].计算机与现代化,2012(11):203-208.

[9]郭峰,林光福,鲜于运香.基于CompactPCI Express 总线的计算机体系架构研究[J].工业控制计算机,2011,24(11):15-17.

[10]张德民,李明,李杨,等.基于SRIO的FPGA间数据交互系统设计与应用[J].重庆邮电大学学报,2013,25(6):738-742.

[11]郭汉桥,褚丽丽.几种功能电路的BIT 测试方案设计及其仿真[J].电子与封装,2010,10(8):14-16,20.

[12]郑文荣,夏清涛.几种功能电路的BIT 测试方案设计及其仿真[J].舰船电子工程,2012,32(12):131-132,152.

[13]张贤志,杨红梅,盛文,等.基于CAN总线的雷达装备BIT 故障诊断专家系统研究[J].微型机与应用,2011,30(3):58-60.

ANovel Scheme of Spectrum Monitoring Direction-finding Device Basedon CPCI-E Bus

YUE Xin-yu

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Abstract：Considering the disadvantages of traditional spectrum monitoring and direction-finding devices such as single function,poor commonality and low integration degree,a novel scheme of spectrum monitoring direction-finding device based on CPCI-E bus is proposed.The scheme is based on standard and modular design ideas and uses CPCI-E bus technology,which not only improves the data throughput and signal processing performance,but also enhances the device’s ability of function reconstruction and module interchanging.The new device not only has the characteristics of wide instantaneous monitoring frequency band,high accuracy and high automation degree,but also can meet the requirements of multi-signal,multi-mode and multi-system spectrum monitoring and direction finding.

Key words：spectrum monitoring direction-finding device;CPCI-E bus;modularization;standardization

中图分类号：TN911

文献标识码：A

文章编号：1003-3114(2016)02-88-4

作者简介：岳新宇(1975—)，男，高级工程师，主要研究方向：无线频谱监测与管理、通信对抗及无线通信系统等。

基金项目：国家部委基金资助项目

收稿日期：2015-12-18

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.02.23

引用格式：岳新宇.一种基于CPCI-E总线的频谱监测设备方案[J].无线电通信技术,2016,42(2):88-91.