基于功能综合的模块化通信导航识别系统总体设计*

孙文杰

基于功能综合的模块化通信导航识别系统总体设计*

孙文杰**

（中国西南电子技术研究所，成都610036）

针对直升机和高级教练机对轻小型机载通信导航识别（CNI）系统的实际需求，从孔径、射频信道及信号处理、系统控制及数据处理三个层面分析了现有联合式和综合化通信导航识别（ICNI）系统架构的技术特点，提出“分布式信道处理、综合化控制管理”的设计思想，搭建了一种全新的基于功能综合的模块化通信导航识别（MCNI）系统架构，并给出了硬件构型及软件框架。实际工程应用表明，在同样功能配置的情况下，该架构在系统重量、体积、功耗等方面优势明显，可为其他平台CNI系统设计提供借鉴。

通信导航识别系统；功能综合；资源综合；总体设计

1 引 言

迄今为止，机载通信导航识别（Communication Navigation Identification，CNI）系统的体系架构经历了由分离式、联合式、综合化到高度综合化的4个阶段[1]，综合化是CNI系统技术发展的主要方向。CNI系统的综合主要沿着以下两条路径：一是基于功能的综合，以联合式CNI系统架构为代表，力求由独立的设备实现某一传感器功能[2]；二是基于资源的综合，以美军的综合化CNI（Integrated CNI，IC_ NI）和联合战术无线电系统（Joint Tactical Radio SYs_ tem，JTRS）架构为代表，对系统内的硬件资源与软件资源均进行通用化、模块化设计，系统的软硬件资源通过动态配置及重构可实现多项传感器功能。

近年来，国内外研究的重点主要集中在ICNI系统和JTRS系统的架构上：文献[2-3]对ICNI系统架构进行了探讨，提出了ICNI系统的解决方案；文献[4]对JTRS的系统构型进行了描述；文献[5]针对攻击直升机提出了与ICNI相类似的分布式综合模块化架构。尽管基于资源综合的ICNI架构或JTRS架构与联合式CNI架构相比具有重量轻、任务可靠性高、外场维护简便等优点，但应用到直升机或者高级教练机等平台载荷能力不高、机体空间狭小的飞行平台时，仍凸显出系统质量过重、体积较大、功耗较高等问题。为此，本文提出一种新的综合化路径——局部资源综合化，构建出一种新型的模块化CNI（Modular CNI，MCNI）系统软、硬件体系。

2 系统设计

2.1 联合式CNI、ICNI系统架构分析

联合式CNI系统采用的是基于功能的综合设计路径，各设备只负责处理单一的传感器功能。各设备内部的射频信道、信号处理电路无法实现其他功能，硬件及软件的专用性强且相对简单。但从系统层面看，每个设备都有自己的控制管理电路、数据处理电路、总线接口电路和供电电路，存在硬件资源冗余的情况。联合式CNI系统架构如图1所示。

图1 联合式CNI系统架构Fig.1 Architecture of a federated CNI sYstem

ICNI系统采用的是基于资源的综合设计路径，对系统的天线孔径层、综合信道及信号处理层、综合数据处理层均进行了资源综合化。综合信道及信号处理层的相关电路按照最高性能要求配置了处理资源，存在资源超配的情况，而天线孔径层和综合数据处理层的综合化则显著减少了硬件资源。ICNI系统架构如图2所示。

图2 ICNI系统架构Fig.2 Architecture of an ICNI sYstem

通过上述分析可以看出：相较于联合式CNI架构，ICNI架构在天线孔径层减少了天线数量，在综合数据处理层也大幅减少了硬件冗余，但在信道及信号处理层，联合式CNI的资源配置相对于ICNI来讲电路更简单，可靠性更高，成本更低。因此，在载机不要求CNI系统具备重构功能的情况下，从大幅降低系统质量、体积、功耗及装备成本的角度出发，构建一个全新的CNI系统架构成为可能。

2.2 MCNI系统设计思想

MCNI系统以“分布式信道处理、综合化控制管理”为设计出发点，主要的设计思想如下：

（1）对系统内与特定传感器功能紧密相关的射频信道、信号处理等电路采用功能综合方法，进行小型化、模块化设计；

（2）对系统控制、管理、数据处理及供电等与特定传感器功能耦合度较低的电路采用资源综合方法，进行通用化、模块化设计；

（3）基于标准总线搭建开放式系统架构，确保系统配置灵活、扩展方便。

2.3 MCNI系统硬件架构

一个典型MCNI系统的物理组成如图3所示，主要包括天线孔径、MCNI主机和显控盒。MCNI主机是系统的核心部件，负责完成整个系统的传感器功能处理、系统控制管理及数据处理和全机音频处理等功能。

图3 MCNI系统组成Fig.3 ComPosition of an MCNI sYstem

按照系统的处理流程，可将MCNI系统划分为3个层次，即天线孔径层、功能相关的专用信道及信号处理层、系统综合化控制数据处理及供电层。系统硬件框架参见图4。

图4 MCNI系统硬件架构Fig.4 HardWare Architecture of an MCNI sYstem

（1）天线孔径层

对L频段天线孔径进行资源综合化设计，在L频段工作的功能（如航管应答、识别应答、塔康等）共用L频段天线。此设计既改善了全机的电磁兼容，又减少了天线数量。

（2）功能相关的专用信道及信号处理层

设计专用的信道和信号处理资源完成与某一功能相关的射频信号处理和基带信号处理，输出解算后的传感器数据。尽管此设计会使MCNI系统失去功能重构的能力，但可大幅简化信道和信号处理电路的复杂度，显著减少系统的质量、体积、功耗并提升系统基本可靠性。

（3）系统综合化控制、数据处理及供电层

将系统中与特定功能耦合度不高的控制管理资源、数据处理资源和供电资源等进行资源综合化设计。具体来讲，由一个控制接口模块实现系统所有的控制管理、数据处理和接口功能，一个电源单元负责对机载电源进行统一处理后为各个信道模块供电。此设计能减少系统中数字电路和电源转换电路的数量，简化系统控制管理流程。

2.4 软件框架

MCNI系统软件主要基于层次性结构模型建立。根据MCNI系统架构，系统软件分为系统层、功能层、运行平台层和操作系统层共4个层次，如图5所示。

图5 MCNI系统软件架构Fig.5 The softWare architecture of an MCNI sYstem

（1）系统层

与图4中的系统综合化控制、数据处理及供电层对应，部署在系统控制接口模块中，完成对MCNI系统的参数控制、状态管理、健康监视、参数加载、协议及消息处理等功能。

（2）功能层

与图4中功能相关的信道及信号处理层相对应，驻留在各功能信道模块中，负责完成功能相关的信号及信息处理。

（3）运行平台层

部署在系统控制接口模块中，位于操作系统之上，应用软件（包括功能层软件和系统层软件）之下。向上通过平台服务接口为应用软件提供通信服务、平台资源管理服务，以及在系统维护模式下提供可视化的系统监控服务。向下通过硬件抽象适配层，与实现平台硬件的操纵与控制的驱动层软件接口，便于系统底层硬件的插入，实现应用软件与系统硬件之间的松耦合设计。

（4）操作系统层

部署在系统控制接口模块中，支持多线程并发运行，支持应用层所需要的通信中间件的运行。

3 工程验证

以L15高级教练机CNI系统研制为例，分别采用联合式CNI、MCNI、ICNI 3种不同架构进行系统方案设计，系统质量、体积、功耗、LRU数量、基本可靠性、功能重构能力等方面的设计结果见表1。

表1 采用3种架构设计的对比Tab.1 comParison among the three architectures

从表1中可以看出，MCNI架构与联合式CNI相比，质量减轻36%，体积减少23%，功耗降低45%，基本可靠性提升47%。与ICNI架构相比，MCNI系统质量减轻近20%，体积减小14%，功耗降低28%，基本可靠性提升25%。

4 结束语

作为一型新的CNI系统构型，MCNI架构较联合式CNI和ICNI在系统质量、体积、功耗、可靠性等方面优势明显，目前已在通用直升机、高级教练机等平台上得到工程应用，其局部综合化的设计思路和设计方法对类似系统的研制也有一定的参考价值。

今后可在组件化射频信道、片上系统等方面开展研究以进一步提升系统集成度。

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孙文杰（1971—），男，河北景县人，高级工程师，主要研究方向为综合化航空电子。

SUN Wenjie Was born in Jingxian，Hebei Province，in 1971.He is noW a senior engineer. Hisresearchconcernsintegratedavionics sYstem.

Email：sun_no1@sina.com

Modular CNI System Design Based on Functional Integration

SUN Wenjie
（SouthWest China Institute of Electronic TechnologY，Chengdu 610036，China）

According to the communication navigation identification（CNI）sYstem requirement of helicoP_ ters and advanced training Planes，characters of federated and integrated CNI（ICNI）architecture construct are analYzed in such three asPects as aPerture，radio frequencY（RF）channel and signal Processing，sYstem control and data Processing.An idea of distribute channel Process Plus integrated control management is Presented based on integrated modularization of CNI（MCNI）architecture construct.The hardWare con_ structs and softWare architecture are Provided.In order to achieve the same function，the novel architecture construct ProPosed in this PaPer has obvious advantage in the sYstem’s Weight，size and PoWer consumP_ tion.The research in this PaPer Provides a reference for the design of other Platform’s CNI sYstem.

CNI sYstem；functional integration；resource integration；sYstem design

TN802；V243

A

1001-893X（2016）01-0067-04

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.01.012

孙文杰.基于功能综合的模块化通信导航识别系统总体设计[J].电讯技术，2016，56（1）：67-70.[SUN Wenjie.Modular CNI sYstem design based on functional integration[J].Telecommunication Engineering，2016，56（1）：67-70.]

2015-09-07；

2015-12-11 Received date：2015-09-07；Revised date：2015-12-11

**通信作者：sun_no1@sina.com Corresponding author：sun_no1@sina.com