一种航空电子内部无线通信网络设备的设计

武瑞欢

(中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所,陕西 西安 710068)

0 引言

机内无线网络因其自身特点成为航电网络的重要研究方向。无线网络不再依赖线缆布局,避免线缆和相关基础设施的建设安装,有效减轻航空器自重,降低燃料消耗,提高飞机工作时的经济性与环保性,且无线网络灵活性高、移动性强、安装便捷、方便维护。本文基于机内无线通信的实际需求,设计一种机内无线通信节点设备,实现小体积无线通信节点的预期目标。

1 介绍

机内无线通信网络节点按照功能模式分为三种:网关节点、中继节点和终端节点。网关节点是能够将机内无线网络和已存在的机载通信网络进行连接的接口。终端节点是位于机载设备的无线节点,用于将机载设备接入机内无线网络,如传感器和显示器等。中继节点是在终端节点和网关节点间通过“多跳”实现相互连接的节点,一个中继节点可能直接连接一个或多个终端节点。一个网关、一个或多个中继节点以及一个或多个端节点共同组成单跳或多跳的无线子网网络,子网之间通过飞机的主干网网络互连构成机内无线网络。

2 设计

结合实际使用需求,考虑Linux内核对ieee820.11a/g无线网络的应用的支持度和大量民用市场产品的普及后对网络应用的支持及优化,设计采用Linux系统ieee802.11a/g无线网络协议及无线网卡类似无线通信设备芯片的通信方式实现通信节点。

硬件设计中处理器选择ARM+FPGA结构处理器zynq7000系列,射频部分采用ad9361,射频芯片模块的主要功能是将频域数字信号和频域的模拟信号进行转换,用于多台无线设备之间射频模块之间空口数据的交换,具体硬件框架图见图1。在此硬件框架上运行Linux操作系统、ieee802.11a/g无线通信机制下协议软件和无线网卡驱动,用以完成无线通信中各个通信设备之间的数据指令和图像的交互。

图1 硬件设计框图

2.1 硬件设计

处理器上选择ARM+FPGA结构处理器zynq7000系列[1],其上运行的驱动软件和应用软件设计时遵循ieee802.11a/g无线通信网络数据链处理全栈接。MAC80211子模块下半部分需要硬件快速响应的功能由FPGA处理,并将处理结果通过AXI总线交给了ARM处理器。MAC80211上半部分完成相应的协议处理功能,满足用户对数据链路低延时的需求和设计要求。

zynq芯片7系列处理器,该芯片内部集成ARM+FPGA,芯片具有ARM®处理器的软件可编程性和FPGA的硬件可编程性,可实现重要分析与硬件加速,且在单个器件上高度集成 CPU、DSP、ASSP 以及混合信号功能。相比较经典的FPGA,zynq7000系列可将处理系统PS和可编程资源PL分离开来,固化了PS系统的存在,实现了真正意义上的SOC(System On Chip)。zynq7000系列是全可编程片上系统,主要包含PS(processing system)和PL(Programmable Logic)两部分。PL采用28nm工艺;PS以2个Cortex A9的ARM核为核心,还包括片上存储器、片外存储器接口(DDR)和一系列的外设接口。zynq7000系列将ARM CPU和外设集成在一个芯片内,使得zynq7000系列皆具处理器CPU和FPGA双重特性,特别适用于软硬件协同设计。

AD9361[2]是一款面向3G和4G基站应用的高性能、高集成度的射频(RF)Agile TransceiverTM捷变收发器。该器件具有可编程性和宽带能力。该器件集RF前端与灵活的混合信号基带部分为一体,集成频率合成器,为处理器提供可配置数字接口,从而简化设计导入。AD9361工作频率范围为70 MHz～6.0 GHz,涵盖大部分特许执照和免执照频段,支持的通道带宽范围为≤200 kHz～56 MHz。两个独立的直接变频接收器拥有噪声系数和线性度。每个接收(RX)子系统都拥有独立的自动增益控制(AGC)、直流失调校正、正交校正和数字滤波功能。AD9361还拥有灵活的手动增益模式,支持外部控制。每个通道搭载两个高动态范围ADC,先将收到的I信号和Q信号进行数字化处理,然后将其传过可配置抽取滤波器和128抽头有限脉冲响应(FIR)滤波器,结果以相应的采样率生成12位输出信号。

2.2 软件设计

无线通信软件需要实现的功能有:无线网卡的基本配置,如使用的无线通信信道,网络入网ID,无线网卡的发送功率等;通信数据的接收和发送处理,如当接收到无线网卡的数据后可进行对应的数据处理,或者进行处理转发以及用户将原始数据进行处理通过无线网卡向外发送数据;任务管理调度;应用软件和内核态软件交互;网络协议栈数据接收和发送处理等。通信数据的接收和发送处理的流程为:

1) 无线通信软件对操作系统侧提供的是同一的sdr接口,通讯数据是标准的ieee802.11网络协议数据。该数据经过sdr软件模块处理后,通过dma把应用数据搬移给FPGA进行处理,然后通过AD9361进行数模转换成外部频域模拟数据与其他设备通讯。射频功能模块基于AD9361,完成无线信号的收发及数模转换,AD9361输出采用宽带巴伦,频宽范围300 MHz～6 GHz,天线接收到射频输入后,通过射频电路滤波还原,经AD9361转换后以数字量形式,通过高速LVDS接口交给处理器,通过处理器PL端解调后将数据上报给上位机进行应用处理。

2) 需要发送的数据,先由上位机通过千兆网将数据传输至处理器,处理器PL端对数据调制后,通过高速LVDS接口将数据发送至AD9361进行数模转换,然后经射频电路将无线信号通过天线输出。数据处理流程图见图2。

图2 数据处理流程图

3 结束语

基于机内无线网络特点,结合实际设计中对机内无线网络设备小型化的需求,采用成熟的无线处理器实现搭建一个无线网络节点,经验证该无线节点设备满足要求,具有较强的工程实践价值。