彭 麟,張明民,劉文斌,丁建鋒

(中國電子科技集團公司第30研究所,四川成都610041)

SCA車載電臺系統(tǒng)設(shè)計*

彭 麟,張明民,劉文斌,丁建鋒

(中國電子科技集團公司第30研究所,四川成都610041)

車載電臺系統(tǒng)設(shè)計,可以采用軟件通信體系架構(gòu),實現(xiàn)靈活性、可靠性、成本控制的平衡。簡述了車載軟件無線電電臺系統(tǒng)中的硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu),主要闡述了系統(tǒng)硬件的主要設(shè)計要求,確定了車載電臺系統(tǒng)的控制接口、系統(tǒng)的熱設(shè)計和電磁兼容性設(shè)計的主要途徑,分析了車載多通道電臺的共址干擾抑制的必要性和實現(xiàn)技術(shù),并基于高速總線技術(shù)、軟件通信體系架構(gòu)標準發(fā)展對車載電臺系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計探索。最后探討了車載電臺未來主要的幾個技術(shù)研究方向。

車載電臺 軟件無線電 軟件通信體系結(jié)構(gòu) 車載功放適配器 共址干擾

0 引 言

為了適應(yīng)車載信息化對通信容量、組網(wǎng)能力等的更高需求,現(xiàn)在車載戰(zhàn)術(shù)電臺必須由傳統(tǒng)的模擬話音電臺轉(zhuǎn)向基于軟件無線電軟件通信體系結(jié)構(gòu)(SCA,Software Communication Architecture)平臺的寬帶電臺(以下簡稱“SCA電臺”)[1]。為了適應(yīng)這些要求,通常情況下,意味著需要更大的體積、重量和功耗來實現(xiàn)。提高可靠性、縮小體積、減輕重量、降低功率消耗和提高戰(zhàn)場使用環(huán)境的適應(yīng)能力是車載戰(zhàn)術(shù)電臺不斷發(fā)展的方向。為此,基于SCA平臺技術(shù)來解決電臺平臺化、擴展頻段,動態(tài)配置波形,可以達到縮小體積、降低成本、提高可靠性和戰(zhàn)場使用環(huán)境等要求。

美國國防部為實現(xiàn)真正意義上的軟件定義電臺(SDR,Software Defined Radio),借助JTRS(Joint Tactical Radio System,聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線系統(tǒng))項目就提出了軟件無線電軟件通信體系結(jié)構(gòu)(SCA,Software Communication Architecture)標準。從2001年發(fā)布SCA2.2標準開始,各國科研單位以極高的熱情投入到SCA電臺開發(fā)中,到如今已經(jīng)發(fā)展超過10年。以AN/PRC-152、AN/PRC-117等為代表的基于SCA2.2標準架構(gòu)的電臺也經(jīng)歷了市場與實戰(zhàn)檢驗,發(fā)展非常成熟[2]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

SCA電臺通?？蓪崿F(xiàn)寬頻段、多帶寬的功能,頻率范圍一般滿足30～2 000 MHz,甚至寬達2～2 500 MHz[1,3-5]。車載電臺系統(tǒng)一般需要考慮多通道設(shè)計,因此SCA電臺主機有兩種設(shè)計方案,一種方案是直接把低功耗小型化且基于紅黑隔離設(shè)計的單通道背負式SCA電臺[3]進行車載化改裝,通過安裝多臺電臺從而實現(xiàn)多通道功能;另一種方案是直接使用雙通道背負式SCA電臺或模塊化的多通道SCA電臺[4]作為車載電臺主機。為滿足不同頻段的通信效果,往往需要使用不同頻段的天線。為滿足不斷發(fā)展的技術(shù)要求,首先需要在車載適配器上實現(xiàn)根據(jù)不同工作頻段的狀態(tài)進行自動選取相應(yīng)匹配的接收發(fā)射天線[6]。對于擴展頻段的應(yīng)用,可進一步利用擴展接口外接獨立的車載功率放大器,拓展后期的應(yīng)用。車載功放適配器(VAA,Vehicular Amplifier Adapter)同時提供風扇供電接口,滿足車載某些設(shè)備苛刻的散熱應(yīng)用要求。車載系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 車載電臺系統(tǒng)硬件架構(gòu)Fig.1 Hardware framework of the vehicle radio system

1.2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

車載系統(tǒng)軟件架構(gòu)平臺組成如圖2所示。軟件平臺分為紅邊、黑邊兩個平臺,均部署在通用處理器(GPP,General Purpose Processor)上。

SCA電臺軟件平臺實現(xiàn)的組件主要包括框架控制組件,以及SCA設(shè)備和服務(wù)組件?？蚣芸刂平M件包含域管理器、設(shè)備管理器等組件,可以直接實例化相應(yīng)核心框架接口類實現(xiàn),需要為其設(shè)計XML配置文件。SCA車載電臺系統(tǒng)軟件平臺架構(gòu)按照SCA2. 2完整的核心框架,實現(xiàn)了框架的接口類、以及這些類的分類、繼承關(guān)系、需單獨實現(xiàn)的接口函數(shù)[4]。

圖2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig.2 Software framework of the vehicle radio system

SCA平臺與波形相獨立,波形一般根據(jù)OSI或TCP/IP分層模型對波形進行組件分層和連接,分為CORBA組件和非CORBA組件。波形支持動態(tài)部署,采用協(xié)議棧分層設(shè)計,網(wǎng)絡(luò)層部署在GPP上、數(shù)據(jù)鏈路層部署在GPP或者DSP上,物理層部署在DSP上[5]。

對于車載功放的控制接口可通過電臺主機黑邊在功放設(shè)備組件上實現(xiàn),功放設(shè)備通過調(diào)用該接口,將功放模塊異常和故障信息報告給功放設(shè)備組件和人機插件。功放設(shè)備組件特性根據(jù)功放需要實現(xiàn)的功能以及API接口定義,在該組件中具體需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊、控制模塊和狀態(tài)上報模塊[3]。

2 系統(tǒng)硬件基本設(shè)計要求

為滿足功放高效應(yīng)用,還必須對電源進行全新設(shè)計,它為功放提供一個可變的漏極控制電壓,同時根據(jù)電源消耗情況、過熱保護監(jiān)測、天線駐波比監(jiān)測、工作模式狀態(tài)、波形特點等進行動態(tài)配置調(diào)整[3]。

在SCA車載電臺系統(tǒng)中,電臺主機需要識別應(yīng)用要求并將發(fā)射功率自動控制降低為小功率,如1W。車載功放最終可輸出50 W的功率,同時內(nèi)部需要設(shè)計一個自環(huán)的發(fā)射機增益控制(TGC,Transmitting Gain Control),獨立于電臺主機。當電壓駐波比(VSWR,Voltage Standing Wave Ratio)很大時,功放將通過控制增益的改變進行功率回退以防止功放永久性損壞。功放將對VSWR、過溫、功放偏置電壓等異常情況通過SCA電臺主機上報給系統(tǒng)用戶。SCA電臺主機通過DSP平臺控制,并傳送給黑邊的GPP,并通過紅黑隔離通道提供紅邊進行控制顯示。

2.1 控制接口設(shè)計

車載功放控制接口框圖如圖3所示。

圖3 車載功放控制接口框Fig.3 Control interface of the vehicle PA

所有的收發(fā)配置參數(shù),保護功率大小、頻率、低噪放大器(LNA,Low-noise Amplifier)配置、濾波器等,主機采用快速配置命令通過LVDS接口進行控制。功率大小提供大功率、中功率、低功率、用戶自定義等4種選項進行靈活配置,用戶自定義可按照1 dB的步徑進行控制。

無論是寬帶視頻還是窄帶話音應(yīng)用,收發(fā)控制信號KEYLINE和相關(guān)的跳頻同步信號仍然需要由主機提供協(xié)調(diào)工作。

2.2 系統(tǒng)熱設(shè)計

電臺主機、功放均采用自然冷卻的散熱方式。熱設(shè)計重點放在加大功放的散熱面積,提高功放管與機座的接觸傳導(dǎo),在熱源主體接觸部位,采用厚實的鋁基材為條狀向縱深方向進行熱傳導(dǎo),不是熱源主體接觸部位則采用較薄的壁厚。殼體外表面的橫向與豎向則采用多條條狀筋條實現(xiàn)體散熱與空氣對流散熱。既避免了盲目使用厚壁,實現(xiàn)減重的作用;又增大了體表面,達到了散熱好的效果。

2.3 電磁兼容性設(shè)計

車載功率放大器在發(fā)射過程中,需要對發(fā)射的信號進行分段濾波處理,防止發(fā)射信號攜帶的過大的雜波或者雜散信號對車上其他電磁設(shè)備正常工作造成影響。同時共同對發(fā)射進行正向功率和反向功率檢測,確保功放正常工作,如圖4所示。

圖4 車載發(fā)射信號濾波處理框Fig.4 Signal filter of the transmitter

3 硬件及軟件平臺優(yōu)化設(shè)計

3.1 共址干擾抑制

電磁兼容對于通信設(shè)備而言是一個始終必須重視的問題。通常的共址干擾主要考慮單通道多個設(shè)備間的干擾,利用車際間干擾模型或者耦合干擾裕度模型等進行分析干擾存在與否,或者通過建立收發(fā)信機模型設(shè)置安全帶寬來進行共址干擾措施的實施[7]。而對于日益增加的多通道多信道的車載通信系統(tǒng)需求而言,電磁環(huán)境尤為惡劣,必須考慮系統(tǒng)多個設(shè)備同時工作可能造成的影響,也就是說功率放大器必須具備共址工作處理能力,將共址問題的處理放在系統(tǒng)前端,而不是僅僅對工作應(yīng)用的最大化限制。共址濾波處理框圖設(shè)想如圖5所示,對于VHF、UHF頻段可以進行分段多段進行抑制,個別頻段根據(jù)工作頻段特點結(jié)合高通濾波處理,并增加LNA進行接收信號增益補償,拓展SCA車載多通道電臺的適應(yīng)性。

圖5 車載發(fā)射信號共址處理框Fig.5 Co-site solution of the transmitter

3.2 高速總線

RapidIO高速串行總線是一種高性能、低引腳數(shù)、基于數(shù)據(jù)包交換的一種開放式互聯(lián)體系結(jié)構(gòu)。RapidIO技術(shù)主要作為高速嵌入式處理的前端總線開發(fā)的專用接口,被定義為嵌入式系統(tǒng)芯片到芯片、板到板、機架到機架的高性能互連技術(shù)。RapidIO總線具備高速率、高可靠性、低延時的特性,適合于一體化車載指揮通信單元的運用。

車載電臺也將在基帶控制、射頻功放控制中均采用RapidIO高速串行總線實現(xiàn)信道單元、功放模塊之間AD/DA的高速數(shù)據(jù)和實時控制命令傳輸,射頻功放控制信息也將采用統(tǒng)一的射頻控制RapidIO API實現(xiàn),可大大降低功放模塊與SCA電臺網(wǎng)絡(luò)波形的耦合程度。在車載平臺上,射頻功放控制API的封裝和解析代碼可以分別部署在SCA主機的信號處理模塊和功放模塊的FPGA中。

3.2 SCA平臺升級

JTRS于2012推出了SCA規(guī)范最新版本SCA4.0。SCA4.0是為了應(yīng)對無線通信設(shè)備實際發(fā)展需要而推出的一個改進的SCA架構(gòu)。其主要改進,一是靈活的架構(gòu),二是便于新技術(shù)的可插入,其實現(xiàn)是可行的。在實際的SCA電臺應(yīng)用中,符合性檢測的復(fù)雜性、軟件架構(gòu)升級的成本等問題依然會成為SCA4.0規(guī)模使用的阻礙。不可否認的是,靈活的、包容的、但又不弱化可移植性的開放軟件架構(gòu)是未來軟件無線電發(fā)展的趨勢[8]。

4 結(jié) 語

本文分別從系統(tǒng)硬件架構(gòu)和系統(tǒng)軟件架構(gòu)對SCA車載電臺系統(tǒng)組成進行分析,對系統(tǒng)設(shè)計需要注意的控制接口要求、熱設(shè)計、大信號發(fā)射的電磁兼容設(shè)計等主要技術(shù)問題進行剖析,并提出了相應(yīng)的解決途徑。隨著用戶的需求不斷提高,新技術(shù)的不斷發(fā)展,針對未來的變革,SCA車載電臺系統(tǒng)將在采用了共址抑制、高速數(shù)據(jù)總線、SCA4.0平臺升級等一系列優(yōu)化設(shè)計的技術(shù)方向?qū)崿F(xiàn)突破,促進軟件無線電應(yīng)用的深入發(fā)展[9]。

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PENG Lin(1972-),male,M.Sci.,senior engineer,majoring in the design of wireless communication system and radio.

張明民(1983—),男,碩士,工程師,主要研究方向為無線通信系統(tǒng);

ZHANG Ming-min(1983-),male,M.Sci.,engineer,majoring in wireless communication system.

劉文斌(1983—),男,碩士,工程師,主要研究方向為軟件無線電;

LIU Wen-bin(1983-),male,M.Sci.,engineer,mainly working at software defined radio.

丁建鋒(1977—),男,學(xué)士,高級工程師,主要研究方向為無線通信系統(tǒng)。

DING Jian-feng(1977-),male,B.Sci.,senior engineer, mainly working at wireless communication system.

Design on SCA-based Vehicular Radio System

PENG Lin,ZHANG Ming-min,LIU Wen-bin,DING Jian-feng
(No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

The use of standard software communication architecture(SCA)can satisfy the balance of flexible performance,reliability,and cost for design of vehicular radio system.This article simply introduces the hardware framework and software framework of the SCA-based vehicle radio system.It mainly discusses control interface of the vehicle PA,heat dissipation of the system and design of the electromagnetic compatibility.The article analyses the co-site interference problem of vehicular radio and proposes suggestions for improvement.It expects that the rapid bus technology,the development of standard SCA technology,etc.could promote the optimization of the vehicular radio system.Finally,the article discusses some primary research directions of the vehicular radio.

vehicular radio;SDR;SCA;VAA;co-site interference

TN924;TP311.52

A

1002-0802(2014)08-0959-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.08.024

彭 麟(1972—),男,碩士,高級工程師,主要研究方向為無線通信系統(tǒng)設(shè)計和電臺設(shè)計;

2014-05-19;

2014-06-19 Received date：2010-05-19;Revised date：2014-06-19