基于SCA的多频段电台设计

摘  要：对传统通信装备的现状进行了分析，结合软件无线电通信架构的开放性、通用性和扩展性等特点，提出了基于SCA的多频段电台设计方案。对基于SCA架构的多频段电台的总体方案、硬件架构、软件结构进行了研究和分析；详细阐述了多频段电台的基带单元设计、射频收发系统设计和天线设计，明确提出了基带单元、射频收发系统和天线的详细设计思路和具体实现方案，可为同类通信产品的设计提供参考。

关键词：多频段电台；软件无线电；硬件架构；软件架构；核心框架；基带单元

中图分类号：TN924；TP311.5 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）09-0063-05

Abstract： The current status of traditional communication equipment is analyzed， and a design scheme of multi-band radio station based on SCA is presented， which combines the openness， universality and extensibility of software radio communication architecture. The overall scheme， hardware structure and software structure of multi-band radio stations based on SCA architecture are studied and analyzed. The baseband unit design， radio frequency transceiver system design and antenna design of multi-band radio stations are described in detail. The detailed design ideas and specific implementation schemes of baseband unit， radio frequency transceiver system and antenna are presented， which can provide reference for the design of similar communication products.

Keywords： multi-band radio station; SCA; hardware architecture; software architecture; core framework; baseband unit

0  引  言

传统通信车辆都采用独立开发的各类通信装备并通过通信控制器互联设备“松散”地综合在整个车载电子系统结构内，完成所需的各种功能。一般而言，传统的通信设备仅能满足单模式和窄频段的通信需求。不同频段通信系统之间很难实现信息交互，通常只能采用组合式无线电的方式来实现，通过激活硬件的不同状态来完成不同系统之间的切换。这种组合无线电的体系结构需要不断的硬件扩展才能支持更多的系统，结果导致系统尺寸的无限膨胀。随着技术的发展，用户不得不因为设备的“落后”而更换通信设备。

软件无线电的基本思想就是以一个通用的、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能，对信息能进行有效控制，覆盖多个频段，支撑大量波形和应用软件的通信装备。随着软件无线电的概念也越来越被大家理解和应用，国内SCA电台近年来有了较大发展。本文介绍了基于SCA的多频段电台设计方案，讲述了基于SCA宽带多频段电台总体方案、硬件架构、软件结构和具体设计方案。

1  多频段电台总体方案

多频段电台软件无线电体系架构如图1所示，从下自上包括通用硬件平台、通用软件平台、通信波形三个部分。通用硬件平台基于统一的硬件体系结构，提供无线信号处理能力。电台含射频处理部分和FPGA、DSP、GPP组成的综合处理部分。通用软件平台包括操作系统、中间件、硬件抽象层、核心框架，对硬件平台进行统一管理，为波形应用提供一致的运行环境支持。通信波形采用组件化方法进行设计，组件接口标准，具有较高的重用性和可移植性。

多频段电台软件无线电体系架构主要特点包括以下几点。

1.1  开放性

实现战术通信装备软件平台、硬件平台和波形研制三者分离，可由不同单位独立研制，不同单位研制的模块能够被第三方集成使用。

1.2  通用性

提供一个统一的、标准的运行环境，既满足本项目软件平台和多种波形的技术要求，同时又具备兼容现役的波形的能力。

1.3  可扩展性

支持符合软件无线电战术通信装备体系结构的波形的增加和嵌入。

1.4  波形可移植性

根据软件无线电战术通信装备体系结构及相应规范研制的战术通信波形可以快速地在本设备上进行移植。

1.5  健壮性

具备错误检测、异常处理和恢复功能。

1.6  互联互通能力

通过波形动态加载，可实现新研软件无线电样机的互联互通以及新研软件无线电样机与现役装备的互联互通。

2  多频段电台硬件结构

多频段电台的硬件主要由天线、射频信道、信号处理单元、安全保密单元、数据处理单元和基础资源等构成。多频段电台的硬件架构如图2所示。

天线系统：天线系统支持30 MHz～2.2 GHz實现空间电磁波辐射和接收，天线一般由天线、天调/匹配网络等组成。

射频信道：射频信道主要实现发射射频信号的放大和接收信号的处理等功能，位于天线和信号处理单元之间，主要由功率放大器、预处理（滤波、放大等）、射频信号的接收和发射信号变换，主要由变频、滤波等功能电路组成。

信号处理单元和数据处理单元：信号处理单元和数据处理单元主要实现数字、数据、信号处理、接口变换等功能。主要由数模、模数转换、编解码、调制解调、协议处理、消息处理和输入输出（I/O）等功能部件组成。

安全保密单元：安全保密对数据提供加密保护，具体提供包括但不限于安全认证、业务数据加密保护、加密控制功能、波形软件来源合法性验证和完整性验证等。

基础资源：基础资源是指硬件平台实现通信功能所需的基本硬件资源，基础资源主要由总线、基准时钟、电源、存储等功能模块组成。

3  多频段电台软件结构

多频段电台软件主要包括通用软件平台、管理控制和应用软件、集成开发环境和安全保密软件等。多频段电台软件架构如图3所示。

3.1  通用平台软件

软件平台对硬件平台进行统一管理，为上层波形软件提供统一的运行环境。软件平台包括可信启动、嵌入式实时操作系统、核心框架、组件间通信机制（包含通信中间件和硬件抽象层）、设备与服务。

嵌入式实时操作系统通常采用嵌入式实时操作系统，主要提供本地系统引导、硬件设备驱动、内存管理、进程管理、多线程/多任务实时调度等功能，为软件平台的其他软件和波形组件提供支持。

核心框架是软件平台的核心，为系统提供统一的软硬件管理、文件系统管理等功能，同时，为波形软件在可编程器件上的部署、运行和配置提供标准的方法和接口。

组件间通信机制分为传输机制和硬件抽象层，为运行在相同或不同的可编程器件上的软件组件间互操作提供标准的通信方法和接口。

平台设备与服务，为软件平台和波形提供访问平台软硬件资源的标准接口。红边软件平台需提供波形可信安装服务。

3.2  控制、管理和应用软件

实现多频段电台健康管理、显示控制、参数加注、波形管理、频谱感知及安全保密接口等功能；完成对外接口的协议转换，实现外部数据、控制信息交互；完成设备自检与状态上报（包括开机各模块及和关键电路的自检、自动故障诊断与报警、故障输出）等功能。应用软件主要为满足用户需求的各种通用波形软件。

3.3  集成开发环境

高效集成开发环境是软件无线电波形软件和平台软件开发的集成环境，它集成了波形开发过程中所需要的一系列工具套件，以方便快捷的方式提供给波形应用开发者和平台软件开发者使用。

3.4  安全保密软软件

安全保密主要实现平台红边与黑边之间用户数据加解密。

4  多频段电台设计

4.1  基带单元设计

基带单元包含数据处理单元和信号处理单元两部分。基带单元具有高集成性，数据处理单元和信号处理单元之间满足红黑边隔离要求。其原理框图如图4所示。

数据处理单元主要完成整机的显示控制、语音处理、网络协议的实现，通过安全保密处理单元的加解密完成平台系统的控制、参数配置及波形加载，并提供平台对外接口，同时支持bootloader的可信引导功能。

信号处理单元主要实现基带信号的捕获同步、调制解调及编译码等功能，同时完成业务数据的处理、接口协议解析等功能，并根据波形需要完成对射频信道模块、前端设备等其他模块的控制，支持bootloader的可信引导功能。同时还对中频的输入信号进行处理。

4.1.1  数据处理单元设计

数据处理单元选用Xilinx公司ZYNQ系列ZynQ7010作为红边核心处理器，主要负责网络协议处理、语音的声码话处理、应用数据处理等。ZynQ7010内含4个ARM Cotex-A7MPCore内核和一个基于低成本、低功耗优化的A7系列的FPGA资源。其第一个ARM核主要用于软无核心架构，第二个ARM核主要用于音频编解码处理，FPGA逻辑资源主要用于接口电路适配。其外围电路包括一片低功耗2 GB容量的LPDDR2芯片，一片用于程序和数据存储的QSPI接口2GB NAND FLASH。数据处理单元主要性能指标如表1所示。

4.1.2  信号处理单元设计

信号处理单元选用Xilinx公司生产的Ultrascale+RFsoc系列XCZU21DR作为主处理器，该芯片是稳定可靠的ARM级处理系统，该芯片具有丰富的FPGA和DSP资源，包含8个SD-FEC的硬核译码器，支持Polar码、LDPC及Turbo硬核译码。XCZU21DR芯片在PS侧具有四个ARM Cortex-A53 MPCore应用处理内核和2个ARM Cortex-R5 MPCore实时处理内核，930K的系统逻辑单元和4 272个DSP Slice。

处理器外围电路包括4片2 GB容量的DDR3芯片，一片用于程序启动的QSPI接口的1 GB NOR FLASH，一片用于程序及数据存储的32 GB容量的EMMC存储芯片。同时最小系统还包括外部时钟、电压管理芯片和调试接口等。信号处理单元主要性能指标如表2所示。

4.1.3  中频处理单元设计

中频处理单元主要功能是实现对信道收发的中频信号进行宽、窄频带的自适应滤波、放大和高速AD/DA转换。中频处理单元选用的ADI公司的AD9364。该器件是一款面高性能、高集成度的射频捷变收发器，内部集成了12位DAC和ADC；工作频率范围为70 MHz至6 GHz，支持的通道带宽范围为200 kHz以下至56 MHz。具有良好的噪聲系数和线性度。AD9364还拥有灵活的手动增益模式，支持外部控制。

4.2  射频收发系统设计

真正的软件无线电的概念是将信号数字化处理尽量接近天线，这种理想软件无线电代表具有最大灵活性。就目前的器件水平来看，低频段、窄带宽电台（短波段）已经实现。由于 ADC、DAC等器件的限制，宽频段的电台目前还满足不了这些频段对处理速度的要求，难以实现的完全数字化。射频收发系统选用具有高选择性的二次变频超外差架构，如图5所示。

进行超外差架构的设计，首先进行频率规划，即对宽带前端的频率变换方式做总体设计。在本方案中，采用分段变频的方式实现，30～512 MHz作为一段变换频率组，512～2 200 MHz作为一段变换频率组，一中频选择1 220 MHz和434 MHz。

二次混频为单点混频，二中频选择根据带宽和滤波器特性进行选型，根据目前滤波器技术，窄带选择21.4 MHz，宽带选择140 MHz作为二中频频率。多频段电台频率规划表如表3所示。

收发电路提供射频通道，实现信号的放大、滤波、变频的功能；频率合成电路为信道提供混频本振，实现频率变换功能；中频滤波器实现高选择性要求，保证通道内信号频谱纯度；数字控制电路解析信号处理协议，控制整个收发信道的工作状态；电源电路为射频信道单元供电和电源管理。

射频信道单元接收采用两次混频的超外差方案，第一中频为高中频，像频干扰远离有用信号，可提高接收机抑制像频干扰的能力；第二中频为低中频，方便选用高Q值窄带的中频滤波器，提高接收机抑制邻道干扰的能力，提高选择性。同样的，发射信道采用超外差方案，有利于合理分配各级增益，容易实现级间匹配，能够充分发挥中频滤波器的窄带滤波特性；同时，配合精确的发射功率ALC控制，最大限度地优化增益、互调、杂散和宽带噪声等指标。

收发前端的射频滤波器采用中心频率可重构的电调谐滤波器，可滤除带外干扰和镜像频率，减少发射杂散和宽带发射噪声。该滤波器采用基于变容二极管的并联谐振电感耦合结构，具备调谐范围宽、体积小、功耗低、调谐速度快等特点。数字控制电路通过设置滤波器谐振回路中变容二极管的反偏电压，调整滤波器中心频率。

第一中频滤波器由于工作频率较高，适合选用声表面波滤波器。第二中频滤波器工作频率低，可选用声表面波滤波器和晶体滤波器。为同时满足不同波形的信号带宽要求和信道选择性要求，中频滤波器选用可切換数种带宽的中频滤波器组件。该滤波器组件由数个不同带宽的中频滤波器和一对射频开关组成。数字控制电路输出射频开关的控制信号，选择不同带宽的滤波器接入收发电路。

4.3  天线设计

在通过射频收发系统进行无线通信的过程中，天线是实现无线信号传输的关键部件。因此，天线也是该系统中不可或缺的一个重要组成部分。在该系统的具体应用中，天线的主要功能是对电磁波进行转化与传输。由此可见，天线在该系统中主要被用作对电磁波进行转化与传输的设备。因此在实际的射频收发系统设计过程中，设计者一定要充分注重天线的合理设计。

多波段电台频段较宽，覆盖30～2 200 MHz。综合考虑天线的便携性和性能，天线采用分段实现，即分为30～512 MHz和512～2 200 MHz两段进行设计。

30～512 MHz宽带背负天线采用钢卷尺鞭状形式，便于弯折，特殊的钢卷尺结构设计可满足15 000次90°弯折，使用时天线长度为1.5 m，收纳时可折成三节，能够实现快速展开和收纳，便于携行。同时在底部连接有鹅颈装置，便于调整天线角度，可实现不同姿态下的全向通信。采用低损耗宽带匹配网络实现了整个带宽的阻抗匹配。相比同类产品，天线辐射效率高，重量轻，使用、携行方便，适用于背负终端。30～512 MHz宽带背负天线技术指标如表4所示。

225～2 200 MHz宽带背负天线采用偶极天线形式，相比传统的单极天线形式，天线适用性更强，不受安装环境影响，同时辐射效率更高，方向图更加对称。在底部连接有不锈钢鹅颈装置，便于调整天线角度，可实现不同姿态下的全向通信，同时该部件作为辐射体的一部分，减少了天线尺寸。采用低损耗宽带匹配网络实现了整个带宽的阻抗匹配。相比同类产品，天线辐射效率高，适用性强，适用于背负终端。512～2 200 MHz宽带背负天线指标如表5所示。

5  结  论

基于SCA的宽带电台具有开放性、通用性和可扩展性，相较传统的数字无线电有着不可比拟的优势，越来越广泛的被工程所采用，本文详细介绍了基于SCA的多波段电台的设计方案，根据该方案已经实现了样机研制，实现效果良好，设备运行稳定可靠。本方案对于同类通信产品的设计具有很好的借鉴意义。

参考文献：

[1] 彭麟，张明民，刘文斌，等.SCA车载电台系统设计 [J].通信技术，2014，47（8）：959-962.

[2] 王烁，周家喜，王庆华.SCA架构软件无线电台设计与实现 [J].通信技术，2011，44（6）：40-42.

[3] 吴非，廖文瑜，牛吉凌.基于SCA的软件无线电台配置管理设计 [J].通信技术，2016，49（6）：794-798.

[4] 陶玉柱，胡建旺，崔佩璋.软件无线电技术综述 [J].通信技术，2011，44（1）：37-39.

[5] 杨仕平.软件无线电在智能天线中的应用 [J].电子元器件与信息技术，2019，3（5）：117-120.

[6] 余江.无线通信中射频收发系统的研究与设计 [J].无线互联科技，2022，19（2）：6-7.

[7] 杨小牛，楼才义，徐建良.软件无线电技术与应用 [M].北京：北京理工大学出版社，2010.

[8] 丛键，苏旸，张海燕.一种新型战术电台的关键技术分析与设计 [J].通信技术，2012，45（9）：36-38+42.

[9] 杨小牛.从软件无线电到认知无线电，走向终极无线电——无线通信发展展望 [J].中国电子科学研究院学报，2008（1）：1-7.

[10] 庞子鸿.基于射频收发机的通信系统的研究与设计 [J].电子测试，2019（11）：98-99+55.

[11] 关中锋.基于软件无线电的多功能射频综合一体化设计 [J].通信技术，2014，47（11）：1333-1337.

[12] CARR J J.射频电路设计：第3版 [M].北京：电子工业出版社，2001.

[13] 森容二.LC滤波器设计与制作 [M].北京：科学出版社，2006.

[14] 拉奇迪，特卡琴科.电磁场与传输线的相互作用：从经典理论到高频辐射效应 [M].北京：清华大学出版社，2013.

作者简介：牛绍伍（1977—），男，汉族，安徽宿州人，高级工程师，本科，研究方向：无线通信系统。