基于VPX架构的软件无线电通信平台设计

崔霞霞 王少飞

摘要：针对目前通信装备型谱复杂、通用性差、维护难度高等情况，分析了VPX架构与软件无线电技术的特点，提出了一种基于VPX架构的多体制软件无线电基型通信平台的设计思路，并介绍了平台硬件体系结构、软件体系结构与健康管理系统设计，构建了具有开放性、标准化、模块化特点的无线通信通用硬件平台。同时搭建测试环境，对设计的软件无线电通信平台数据通路、波形控制等基本功能进行了验证。

关键词：软件无线电；VPX；通信平台

中图分类号：TN925文献标志码：A文章编号：1008-1739（2020）11-56-4

0引言

在全球信息网络快速发展与不断变化的高强度军事对抗电磁环境背景下，对传统军事无线通信设备的标准化、软件定义化和应用手段的综合化提出了更高的要求。

美军于20世纪末启动了联合战术无线电系统项目，该项目旨在利用软件无线电技术，联合工业部门共同制定开放的体系结构标准，按照该标准研制一个具有开放体系结构、可灵活配置和可升级的战术电台系列[1]。通信频谱覆盖美军现役大部分的HF频段、所有的VHF频段和大部分的UHF频段，支持战斗网电台（CNR）、数据链和有关军用战斗通信卫星系统等戰术通信波形，取代原有的数十种型号和数十万部战术电台，最终为全球信息栅格（GIG）提供一个无缝的战术通信网络基础设施。

目前，我国对软件无线电技术在军用无线通信装备综合化设计方面的应用尚处于起步阶段，主要工作是总体架构、硬件、软件标准的研究以及软件无线电原理样机的研制。大部分已装备的通信设备根据特定用途设计，功能单一、型谱复杂、装备通用性差及维护难度高，极大地限制了不同装备的互连、互通和互操作能力。

为了解决以上问题，通过分析VPX架构与软件无线电技术特点，提出了一种基于VPX架构的多体制软件无线电基型通信平台的设计思路，构造具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，为实现通信装备的架构统一、波形共用和互联互通提供硬件基础。

1 VPX架构分析

2007年，VITA组织正式推出VPX协议，借鉴了VME，CPCI，CPCIE总线优点，在信号完整性、结构和连接方式上都做了优化[2]。VPX标准采用串行传输方式，单差分对起点速度达到3.125 Gbps，集成了更多IO，增加了系统带宽。

VPX是一种开放的架构，可支持以太网、SRIO、PCIE、JESD204及FC等协议，与CPCI架构相比，VPX系统中的模块在连接方式上是一致的，逻辑功能的划分不影响物理接口形式的一致性。

VPX协议族对VPX架构的模块物理特性、互联结构等内容做出了详细定义，其主要标准如表1所示。

其中，VITA46[3]协议定义了自然散热和传导散热条件下的VPX标准模块结构、连接器类型、信号定义、电源和时钟等。VITA48[4]协议定义机械加固规范，规定了多种散热条件下的机械特性。VITA65协议[5]详细规定了VPX各功能模块的位置、标识、电源和信号定义等参数，主要解决不同厂商VPX接插件信号定义不同所造成的不兼容问题。VPX架构不但对基带数字信号的定义进行了规范约束，通过同轴线缆或光纤的连接方式，其应用也扩展到了ADC，DAC以及射频领域。

通过以上分析可以得出，VPX架构采用标准化总线设计，在满足模块间总线传输带宽要求的同时，还具备更多模块的负载能力，能够满足多体制软件无线电通信平台的开放性、标准化和规模可伸缩的需求。

软件无线电技术通过将波形软件与底层硬件解耦[6]，使通信平台功能的实现摆脱硬件布线结构的束缚，尽可能地将开发工作转移到软件上来，降低系统的改进升级成本，更好地实现异构平台间的互联、互通、互操作。

因此，将VPX架构与软件无线电技术相结合，可实现通信装备的小型化、集成化和智能化，满足不同场景下的通信保障需求，并使装备具备持续升级的扩展能力。

2软件无线电基型通信平台设计

2.1平台整体设计

软件无线电通信平台软硬件总体架构如图1所示。以软件为核心的平台要求系统硬件在架构上具备通用性，以满足波形组件运行时的动态加载和维护时期的更新、移植，并保证平台的可扩展性。

平台硬件设计采用面向对象的方法进行硬件模块划分，并规定关联属性。在运行各波形应用时，依据这些属性把波形组件分配至FPGA，GPP，DSP等相应硬件资源，从而实现在统一的硬件平台运行不同的通信体制波形。

软件层主要包括波形组件、核心框架、中间件、操作系统、硬件抽象层及BPS驱动等。其核心作用是通过中间件及硬件抽象层等，屏蔽底层硬件实现细节，为波形应用提供一致的运行环境，使不同波形的组件能够灵活加载到硬件资源中，实现调制解调、编解码协议处理等组件功能，从而确保平台系统波形可重构、功能可扩展。

系统健康管理实现平台故障检测及资源管理等功能，在检测到硬件故障后能够触发波形迁移，并为波形重构提供资源部署依据。

多体制软件无线电基型通信平台设计支持HF，V/UHF，L/S，C，Ku，Ka相应频段通信波形的加载运行，如表2所示。

2.2平台硬件体系结构

多体制软件无线电通信平台主要完成信息处理、网络协议处理、基带数字信号处理及中频数字信号处理等业务数据到射频信号的处理功能，支持基于交换的信道与基带资源动态重组与功能重构，以及不同通信波形的加载运行。

图2是多体制软件无线电通信平台硬件架构，主要由多频段信道模块、信号处理模块、控制管理模块、业务接口模块，以及电源、时频源、存储、健康管理系统和红黑隔离的数字交换网络组成，并支持符合统一接口标准的其他扩展模块插入。信道方向以射频拉远/交换矩阵方式与多天线和射频前端连接，管理业务方向通过管理业务接口接入平台系统。

2.3平台软件体系结构

平台软件体系遵循SCA架构规范，结构如图3所示，包括硬件抽象层、操作环境层、核心框架层和应用组件层。

硬件抽象層提供相关硬件模块底层驱动和基于中间件的逻辑设备接口软件[7]。其中基于中间件的逻辑设备接口可以实现系统对硬件的控制、管理与配置。

操作环境层包括实时操作系统和中间件，实时操作系统为整个软件体系架构提供必要的底层服务和多线程处理能力的支持。中间件是逻辑软总线，为处于不同层次的不同软件模块提供标准化的接口服务，实现不同软件模块在系统中的即插即用。

核心框架层主要实现符合SCA架构的核心框架服务（如核心框架域管理、核心框架控制接口等），并对相关核心框架服务进行封装，提高核心框架在不同操作系统上的移植性。

应用组件模块实现软件无线电系统的各项具体功能和波形，由波形设计人员开发，需要严格遵循SCA架构所定义的各种服务接口。

在该软件体系架构的支撑下，平台系统可有效屏蔽不同硬件模块的差异，为系统软件提供标准的硬件操作接口，实现平台系统功能的软件化[8]。

2.4健康管理系统设计

健康管理系统对平台内各硬件模块及应用的运行状态进行监测，如图4所示。软件无线电通信平台所有功能模块的硬件资源状态数据采集采用集中式设计，由驻留在模块上的健康信息采集模块采集，通过专用的1：1备份I2C平台管理总线上报到控制管理中的健康信息处理模块。其中，健康信息采集模块采用独立供电，并保持与模块主功能电路相对独立，平台正常工作时，在模式不发生变化的情况下，能够脱离健康管理系统正常运行。

健康管理系统提供上电自检、周期自检和维护自检3种自检方式及故障诊断、故障告警、故障资源隔离等功能项。健康管理系统提供对外管理接口，上层管理软件可通过该接口获取硬件资源的实时健康状态数据。

3验证与分析

3.1测试环境

为了验证本文设计的软件无线电通信平台数据通路及波形控制等基本功能，立足于实验室现有的软硬件条件，搭建了图5所示的测试验证平台。

测试环境主要由1块业务接口板、1块交换板、2块信号处理板、1块信道模块，以及背板与测试PC机组成。业务接口板主要实现信息处理与协议转换；交换板卡实现各功能板卡间的SRIO业务数据传输及以太网控制数据传输；信号处理板卡实现调制解调与编解码；信道模块实现模数/数模转换、变频链及中频收发功能。

3.2数据通路测试

通过图6所示的数据处理流程，由测试PC发送UDP测试数据包，经业务板卡协议转换，信号处理板卡调制及编码，信道板卡数模转换后，在信道板卡进行中频自环，经模数转换、解调等处理后，送测试PC进行误码统计。该测试场景覆盖了平台内主要板卡的交换和处理资源，可较全面地验证平台内数据通路。测试时长30 min内，PC机统计无误码、无丢包。

3.3波形控制测试

上位机PC网口通过以太网交换机连接板卡上的计算资源，利用SCA框架进行基本参数的配置和功能的执行。包含波形参数配置、FPGA波形组件的加载和卸载，以及CPU组件的启动、停止和参数配置等功能。

通过信号处理板卡组件进行波形控制的功能测试，以主动控制或信号板卡故障注入的形式，测试信号处理模块1的功能组件是否可正常迁移至信号处理模块2的计算资源上，业务重新建链，从而验证波形组件启动、停止、加载及卸载等控制功能。测试结果如表1所示。