面向多领域应用的软件无线电架构设计

赵宾华，黄 伟，邓 炜

(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

近几十年来，我军装备建设取得了举世瞩目的成就，但是不同的信息电子系统的技术体制相对独立，雷达、电子战、通信等设备分散在平台内，各自具备独立的射频元件，分别完成各自的功能，各种信息系统与指挥、武器控制系统没有实现信息交联，信息资源无法共享，协同能力差[1]；另外，我军的战术通信装备存在体制不一致、型号种类多，不同型号的装备之间互联互通困难的问题，信息资源无法共享，协同能力差,寻求解决的方向就是实现通用的、统一性的平台，达到全军无缝连接，满足不同军兵种一体化作战要求[2]。本文面向雷达、电子战、通信多领域信息电子系统相互协作需求，构建满足“A/D-DSP-D/A”模型的开放的、统一性的、通用硬件平台，解决不同技术体制装备的资源共享、互联互通互操作问题。

1 软件无线电技术发展简述

美军为解决装备品种杂、系列多、互通差、协同难等问题，先后启动导航和识别综合航空电子(ICNIA)系统、易通话(SpeakEasy)、可编程模块化通信系统(PMCS)等系统的研制，并于1997年批准了联合战术无线电通信系统(JTRS，Joint Tactical Radio Systems)计划[3]。

美军JTRS电台符合SCA[4](Software Communication Architecture)标准规范，具备工作频段宽和可扩展性强的特点，它不仅兼容陆、海、空军的传统通信波形，而且兼容新开发的宽带网络波形(WNW)和士兵无线电波形(SRW)，具有较强的互联能力。JTRS联合规划执行办公室(JPEO)于2000年发布了第一个正式版本SCA1.0，对SCA进行了基本的描述和定义。十几年来，SCA规范经历了各种版本的演进，2000年底发布的2.0版本，是第一个完整且能应用和实现的一个软件无线电(SDR,Software Defined Radio)系统规范，在该体系中确立了SCA软件体系结构的框架形态；2006年JPEO又推出了SCA 2.2.2版本[5]；2012年2月SCA 4.0[6-7]版本正式发布，在SCA Next草案基础上对SCA标准作出了重要修订；2015年8月SCA 4.1发布，重新定义了可裁剪的管理组件和应用组件；2018年3月，美国防部联合企业标准委员会将SCA 4.1作为强制性战术无线电标准。

从“十五”开始，我国陆续立项软件无线电技术相关项目，至今已突破一系列关键技术，发布了软件无线电系列标准，积累了大量工程样机研制经验，但是，国内研制的核心框架大多基于SCA的早期版本，在波形切换时间方面需要优化，硬件平台频段覆盖范围还有待扩展，以涵盖或支持更多工作在不同频段上的波形。

2 面向多领域应用的软件无线电体系架构

面向舰载/机载雷达、电子战、通信、数据链等多领域信息电子系统一体化集成设计、资源共享需求，借鉴美军JTRS，开展多领域应用的软件无线电体系架构设计，基于统一的软硬件平台架构，支持通信、雷达、电子战、数据链等不同波形加载和切换，实现一种平台加载多种波形；面向多领域应用的软件无线电体系架构从下至上包括：硬件平台、软件平台和波形三个层次，如图1所示。

图1 软件无线电体系结构

硬件平台支持动态扩展、即插即用，具有极强的灵活性，基于统一的硬件体系结构提供无线信号处理能力，包括射频前端、宽带天线、功放组成的信道模块、数字处理模块；由于雷达、电子战、通信、数据链覆盖各个频段，硬件平台支持宽频段覆盖；基带数字处理模块基于GPP+DSP+FGPA方式实现，满足通用化要求。

软件平台能够根据硬件平台资源能力进行裁剪和定制，满足机载、舰载等不同硬件平台的应用需求，由操作系统、硬件抽象层、中间件、核心框架以及平台设备和服务组成，负责屏蔽底层硬件平台的具体实现，并对硬件平台进行统一管理，为上层波形的应用提供一致的运行环境支持。

波形位于软件平台之上，采用组件划分方法[8]进行设计，组件接口标准化，具有较高的重用性和可移植性，同时利用软件平台提供的API接口，面向用户提供通信、数据链、雷达、电子战等波形应用和服务。

2.1 软件无线电平台硬件架构设计

为解决舰载/机载电子信息系统互操作的问题，采用标准、统一的通用硬件平台，由于需要支持雷达、数据链、通信、电子战等波形，且支持多种波形运行切换，因此设备的射频前端不仅要支持宽带化，而且应能根据具体的波形要求对射频进行配置和重组，所以射频处理和数字处理单元的设计是宽带综合传输设备硬件结构的核心；基带数字处理模块基于GPP+DSP+FGPA方式实现，以满足通用化要求，考虑到雷达高速跳频对硬件平台基带部分性能需求大的情况，GPP芯片和FPGA芯片均采用XC7Z100。

硬件平台收发通道设计采用宽带中频带通采样架构，经过两次混频完成上下变频，中频部分采用宽带带通采样。硬件平台设计如图2所示，主要电路模块包括：数字处理模块、显控模块、保密模块、电源模块、接收中频频合模块及射频功放模块。

图2 硬件架构设计

2.2 软件无线电平台软件架构设计

软件平台以硬件资源为基础，实现SCA规范规定的功能，支持硬件模块的动态配置，支持波形的安装、加载、运行、切换、删除，保证波形组件的快速高效运行。它可以根据硬件平台的资源容量进行定制裁剪，以满足机载、舰载等不同硬件平台的应用需求。软件平台由操作系统、硬件抽象层、中间件、核心框架、平台设备和服务组成，如图3所示。

图3 软件架构设计

操作系统为上层波形应用提供对底层物理硬件的抽象和封装，为满足设备系统运行时的实时、可靠以及软件的可移植要求，操作系统采用具有高实时性、可靠性且使用广泛的嵌入式vxWorks。

硬件抽象层通过定义统一的消息帧格式、封装标准的通信接口，为波形组件提供一致的通信访问接口，硬件抽象层针对不同的芯片类型，包括GPP硬件抽象层、DSP硬件抽象层以及FPGA硬件抽象层，用于屏蔽异构处理器之间底层通信差异。

中间件屏蔽了平台底层通信的细节，SCA中通用处理器(如ARM，PPC)间的传输机制实现大多采用符合CORBA规范的中间件作为通信的中间件[9-10],虽然CORBA有着跨平台、跨语言、跨协议、跨版本、跨操作系统的特性，但受制于底层数据传输机制，无法满足实时性要求较高的应用，根据软件平台运行和波形应用的实际需求，利用CORBA和DDS优势互补且相互兼容的特点来集成CORBA和DDS构建中间件。

核心框架是整个软件平台的核心，包括基础模块和核心模块；基础模块是为实现核心框架功能而开发的底层公共模块，包括域配置文件解析器、组件连接管理模块、波形部署管理模块和资源管理模块；核心模块实现核心框架中框架控制、基本设备和框架服务接口的功能。

平台设备和服务为以太网设备、串口设备、音频设备、检测设备等外围设备提供服务；平台服务为系统和波形组件提供统一、标准的公共服务，包括资源管理和访问服务、网络管理代理服务、故障诊断服务、音频编解码服务等，以及资源管理和访问服务，实现对波形等内部资源的设备采集、封装和上报。

3 结束语

本文提出了面向雷达、数据链、通信、电子战等多领域应用的软件无线电体系架构，采用基于GPP+DSP+FGPA的数字基带处理单元构建硬件平台，满足通用化要求，射频前端宽带化，能够根据具体波形要求对射频进行配置和重组，支持雷达、通信、电子战等高速跳频波形、定频波形的运行加载，初步解决了不同技术体制信息电子系统互联互通互操作困难的问题，同时可以减少装备品种，降低后勤维护、作战训练成本。