一種基于VPX架構的高速寬帶通信平臺設計

　　衛一然，趙國柄，朱鐵林（天津航天中為數據系統科技有限公司，天津?300475）

　　摘?要：介紹了一種基于VPX架構的高速寬帶數據通信平臺，平臺的核心是機載和地面收發(fā)信機，收發(fā)信機內各功能板卡的主要控制器是FPGA。發(fā)射端對信息序列進(jìn)行打包、信道編碼、交織和調制；接收端對信號進(jìn)行解調、解交織、解碼、同步等操作。還原后的信息上傳至上位機進(jìn)行分析。

　　關(guān)鍵詞：VPX架構；FPGA；高速寬帶；通信平臺

　　0 引言

　　隨著(zhù)無(wú)人機技術(shù)和高分載荷等應用技術(shù)的發(fā)展成熟，海洋、林業(yè)、住建、資源、測繪、公安等各行業(yè)對高分辨率對地觀(guān)測系統表現出了巨大需求，因此，把握當前無(wú)人機發(fā)展的大好時(shí)機，研制新一代的通信平臺勢在必行。

　　傳統的數據鏈存在著(zhù)誤碼率高、衰落大、干擾嚴重等問(wèn)題，即使采用高效的信息壓縮編碼技術(shù)仍難以滿(mǎn)足高光譜、激光雷達、合成孔徑雷達等一系列高分載荷數據傳輸的帶寬要求。針對現有技術(shù)的不足，本設計中通過(guò)引進(jìn)美軍成熟先進(jìn)的VPX總線(xiàn)，構建新一代的數據通信平臺，實(shí)現由傳統到高速、寬帶、多功能、通用性強的通信平臺的跨越。

　　1 系統組成

　　該數據平臺的整個(gè)系統包括機載數據終端和測控站數據終端，各數據終端由天線(xiàn)、微波前端和收發(fā)信機3個(gè)部分組成，共同實(shí)現數據通信功能，圖1是該系統組成圖。機載終端用于接收、解析地面測控終端上傳的遙控指令或數據，同時(shí)向地面測控終端實(shí)時(shí)回傳遙測信息和任務(wù)載荷數據，測控站終端用于接收飛機回傳的遙測信息和任務(wù)載荷數據，并輸出至指控系統顯示，同時(shí)將指控系統發(fā)出的遙控指令上行傳輸至機載端，實(shí)現對飛機平臺、任務(wù)載荷的實(shí)時(shí)監控。收發(fā)信機對所要收發(fā)的信息進(jìn)行數字信號處理，微波前端實(shí)現雙工、功放、低噪放功能，天線(xiàn)實(shí)現無(wú)線(xiàn)信號的發(fā)射與接收。

　　平臺的高速寬帶設計核心在收發(fā)信機內實(shí)現，收發(fā)信機由VPX總線(xiàn)背板，圖像主控板，基帶板，中射頻板和電源板組成，另外，可以通過(guò)插入其他功能擴展板卡實(shí)現系統的功能擴展。

　　2 VPX總線(xiàn)背板設計

　　背板在整個(gè)系統平臺占據非常重的作用，它為各個(gè)功能板卡的模塊互聯(lián)提供基礎。在收發(fā)信機設計時(shí)，200 Mbit/s的基帶數據傳輸決定了本設計必須采用VPX串行總線(xiàn)架構代替傳統的并行總線(xiàn)架構，實(shí)現高速互聯(lián)，如圖2所示。板上每個(gè)通道為各功能板卡提供的數據傳輸速率為3.125 Gbit/s，拓撲結構為X4全互聯(lián)拓撲，使用SRIO協(xié)議，板間數據傳輸速率可達10 Gbit/s。另外還具有3條低速通道用于低速數據和指令交互。

　　背板模塊尺寸都嚴格遵守了歐卡系列尺寸標準，通過(guò)分布式冗余設計，支持熱插拔，通過(guò)擴展接口適配功能兼容不同的外部載荷接口，規范內部軟硬件接口和數據形式，實(shí)現了數據鏈的通用化。

　　3 圖像主控設計

　　圖像接口板是收發(fā)信機的控制和圖像處理中心，兼容多種任務(wù)載荷輸入輸出（模擬視頻、數字視頻、cameralink、SAR等），實(shí)現在機載端對其進(jìn)行壓縮編碼，壓縮處理延時(shí)不大于150 ms，壓縮后數據速率為200 Mbit/s，使用SRIO協(xié)議通過(guò)VPX背板送往基帶單元；地面端則對應解壓縮處理。此外收發(fā)信機中的接口板還要執行對收發(fā)信機的控制工作，即對遙控站控指令、遙測站測信息進(jìn)行解析處理和上傳至上位機。

　　4 基帶設計

　　基帶板的核心是FPGA，機載部分的基帶模塊主要對圖像板輸出的遙感數據進(jìn)行編碼、碼字交織等處理，然后通過(guò)VPX總線(xiàn)將處理后的數據傳給中射頻板進(jìn)行調制。地面設備的基帶負責對中射頻板解調信號進(jìn)行譯碼、解交織處理，然后通過(guò)VPX總線(xiàn)傳給圖像板。數據基帶帶寬可以支持到200 MHz?；鶐О辶硗膺€配有ARM進(jìn)行協(xié)議處理、兩片DSP作為以后的功能擴展。

　　因為設計需要的存儲資源和邏輯資源比較多，因此本設計選用XILINX公司的V5系列FPGA分別實(shí)現信道編/解碼和交織/解交織。機載端的LDPC編碼采用XILINX公司的IP核，編碼輸出的LDPC碼字傳輸到交織模塊。交織模塊采用分組交織器對碼元重新排序，分組長(cháng)度為6個(gè)LDPC碼字，即對6個(gè)LDPC碼字的比特序列進(jìn)行重新排序，再將該分組傳輸到中射頻板。地面端因與機載端制定了數據傳輸順序的協(xié)議，所以可以通過(guò)與本地序列做相關(guān)找到幀標識，再根據交織圖樣從連續12個(gè)信號幀中解交織輸出6個(gè)LDPC碼字，同時(shí)算出其LLR值。譯碼部分根據LLR值進(jìn)行LDPC譯碼、去空幀及主控幀同步等。

　　5 中射頻設計

　　本項目的信號調制和解調設計主要在中射頻板上實(shí)現。機載收發(fā)信機上中射頻板將背板傳輸進(jìn)來(lái)的信息序列進(jìn)行調制發(fā)射。地面收發(fā)信機上中射頻板主要將接收到的中頻信號進(jìn)行數字解調恢復信息序列。此外，FPGA還要完成對中射頻板上外圍芯片的配置，主要實(shí)現對D/A和AD芯片的配置。機載和地面上信號處理的基本流程如圖3調制解調框圖所示:

　　6 測試結果

　　圖4是使用自收發(fā)軟件進(jìn)行鏈路數據傳輸測試的結果。測試結果表明該通信平臺支持200 Mbps信息序列的調制發(fā)射與正確解調接收。編碼調制后的數據基帶帶寬支持到200 MHz，中頻帶寬支持到400 MHz。

　　7 結論

　　文章首先從整個(gè)系統介紹了基于VPX架構的高速寬通信平臺；之后描述了收發(fā)信機中的各個(gè)板卡的功能實(shí)現；最后通過(guò)測試表明設計的可行性。

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　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第01期第84頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。