王戰(zhàn)江

（中國電子科技集團公司 第十研究所，四川 成都　610036）

基于數字中頻交換的多通道通信終端架構設計

王戰(zhàn)江

（中國電子科技集團公司 第十研究所，四川 成都610036）

在機載通信領域中，滿足多任務同時通信通常需要配備多部通信終端，但多部通信終端的配備不僅給飛機體積、重量和功耗等帶來不小壓力，可靠性也較差。為解決上述矛盾，在充分研究現有通信終端架構的基礎上，通過對通信終端信號處理流程的詳細分析，提出了一種基于數字中頻交換的多通道通信終端架構設計新方法，滿足了多任務同時通信且可靠性高的工程需求。

機載通信；多任務；數字中頻交換；多通道通信終端架構

0　引　言

在某些特定應用情況中，常常需要多任務同時通信。但現有的通信終端多為單通道設備［1-6］，只能實現單任務的信息傳輸。為實現同時多任務通信有兩種方案：方案一：配備多部通信終端，每個通信終端完成一個任務的通信；方案二：研制多通道通信終端，在一個通信終端內實現多任務的同時通信需求。

上述兩種方案都能實現多任務的同時傳輸，但方案一不具備經濟性，并且在特定場合尤其在機載通信中，通信終端的飛機載體對體積、重量和功耗等要求苛刻，無法提供多部通信終端的配備環(huán)境。

本文針對某飛機平臺實際工程需求，對現有通信終端的體系結構進行了充分研究，在詳細分析通信終端信號處理流程的基礎上，設計實現了一種新型機載多通道通信終端，該通信終端創(chuàng)新性地引入數字中頻交換網絡，滿足了多任務同時通信且可靠性高的工程實際需求。

1　現有通信終端架構分析

1.1單通道通信終端架構

現有單通道通信終端基于軟件無線電思想，硬件采用模塊化實現，在組成上主要包括：電源模塊、功放模塊、信道模塊、信號處理模塊和接口與控制模塊等，各模塊通過背板實現信號互連。架構形態(tài)如圖1所示。

圖1　單通道通信終端組成

電源模塊主要實現對外部輸入電源的濾波、整形和變換，為設備內其他各模塊提供工作電源。

功放模塊主要實現收發(fā)射頻信號開關切換，射頻發(fā)射信號的功率放大、濾波，射頻接收信號的限幅、濾波和低噪放等處理。

信道模塊主要實現收發(fā)信號的上下變頻、濾波、放大和變頻信號產生等。

信號處理模塊主要實現收中頻信號的模/數變換（Analog-to-Digital Converter，ADC）、數字變頻、抽取、濾波、同步、解調和信道解碼等處理，發(fā)基帶信號的信道編碼、調制、變頻和數模變換（Digital-to-Analog Converter，DAC）等。

接口與控制模塊主要實現基帶信號的分組幀、接口變換與系統(tǒng)交互和整機參數控制管理等功能。

上述模塊按照一比一配置，實現一路任務信號的通信處理。

1.2多通道通信終端架構

單通道通信終端只能滿足單任務的信息傳輸，當需要同時進行多任務傳輸時，需要配置多部通信終端才能滿足需要，無法滿足對成本、體積、重量和功耗等要求苛刻的場合。

此時，有必要配備多通道通信終端以滿足工程需求。但現有的多通道通信終端［7-8］在復用電源模塊和接口與控制模塊采用信號處理通道的簡單累加，一個處理通道實現一個特定任務的處理。架構形態(tài)如圖2所示。

圖2　多通道通信終端組成

1.3缺點

上述兩種現有終端架構都存在不足之處。單通道通信終端不能較好的滿足多任務傳輸需求。多通道通信終端采用處理通路的簡單累加，通過復用接口與控制模塊和電源模塊，可以實現多任務的同時傳輸，但這種架構缺乏靈活性，可靠性也較差。假如一個通道的信道模塊和另一個通道的信號處理模塊故障，則兩個通道都將喪失功能，不能充分利用這兩個通道上剩余的好的信道模塊和信號處理模塊。

如果能夠在多通道處理終端的功放模塊、信道模塊和信號處理模塊之間引入交換網絡，當不同的處理通道出現非同類型模塊故障時，可以通過交換網絡進行設備架構的重配置，利用故障通道上好的剩余模塊重新構建一條完整的處理通道，則將大大提高設備的靈活性和可靠性。

2　基于交換的多通道通信終端架構設計

2.1通信終端的信號流程分析

通信終端接收時，天線接收空間傳播的射頻信號送給功放模塊，通過收發(fā)開關切換送入接收處理通道，濾波后經過低噪放放大處理送給信道模塊，在信道模塊內實現射頻信號的下變頻處理，通過中頻放大和濾波后在信號處理模塊實現中頻ADC采樣，采樣后的數字中頻在數字域進行下變頻、抽取和解調。通信終端發(fā)射時，處理過程為接收過程的逆過程。接收信號處理流程如圖3所示。

圖3　接收信號處理流程

2.2交換點的選取

由圖3的信號處理流程可知，功放模塊、信道模塊和信號處理模塊之間的信息交互形態(tài)是射頻和中頻信號。如果在射頻信號處進行交換，由于不同的處理通道射頻頻率可能存在較大的差異，信道模塊針對不同的處理通道也會選用不同的濾波器，交換后的射頻信號將出現與濾波器不匹配從而無法實現正常收發(fā)。因此，考慮在中頻信號處進行交換。但基于圖3中模擬中頻信號交換需要引入模擬交換開關，信道模塊和信號處理模塊之間用射頻電纜進行互連，存在以下缺點：

（1）模擬交換開關、功分器等引起信號信噪比惡化；

（2）模擬中頻信號采用專用射頻電纜而非背板互連，增加設備復雜度；

（3）多通道需要多根射頻電纜互連，增加設備重量；

（4）多根射頻電纜互連，降低設備可靠性。

進一步對信號流程進行分析可知，中頻信號在信號處理模塊內進行中頻ADC采樣，采樣后即為數字中頻信號。如果能基于數字中頻信號進行交換，則可避免上述基于模擬信號交換的諸多缺點。因此，將中頻ADC/ DAC采樣電路前移至信道模塊，信道模塊和信號處理模塊間的信號交互由模擬中頻信號變換為數字中頻信號，改變后的架構既克服了上述基于模擬信號交換的缺點，又可避免原信號處理模塊中數?；旌显O計可能對模擬信號引起的干擾，提高了系統(tǒng)的信噪比。此時，接收信號處理流程和發(fā)射信號處理流程如圖4所示。

2.3數字中頻交換網絡設計

由于目前的中頻ADC/DAC數字接口多為并行接口，如果直接對并行數據接口進行交換，則模塊間的互聯信號線太多，并且考慮到中頻信號的采樣率通常為幾十兆樣本每秒（Million Samples Per Second，MSPS）量級，因此，對并行數據進行串化處理，模塊間的數字中頻交換基于串化后的串行數據實現。

圖4　改進的信號處理流程

對并行數據進行串化處理有兩種實現方案。

方案一：基于專用串化解串芯片實現

基于專用串化解串芯片的技術方案相對更加成熟，以美國國半公司的DS92LV16串化解串器為例。DS92LV16串化解串器可以實現16 b并行數據的串化和一路串行總線型低壓差動信號（Bus Low Voltage Differential Signal，BLVDS）解串為16 b并行數據的雙工處理，并行端口數據速率支持25～80 MHz頻率范圍，滿足使用要求。由于串化器串行數據輸出內嵌了2 b時鐘信息位，因此串化后的串行線速率是18倍的并行數據率。串化解串器接口較簡單，發(fā)送端主要相關的信號有16 b并行數據口和時鐘口，可以與中頻ADC輸出直接互聯。串化后的串行BLVDS信號通過低壓差動信號（Low Voltage Differential Signal，LVDS）交換矩陣實現交換，本方案選用的是4×4交換矩陣芯片SN65LVDT125A，可以實現4路輸入和4路輸出的任意交換。接收端只需要給解串器提供發(fā)送端并行數據率相同的參考頻率時鐘，解串器即可通過LOCK信號指示是否鎖定，并將恢復串行數據內嵌的并行數據和時鐘信號輸出。

基于串化解串芯片實現的中頻交換網絡如圖5所示。

圖5　基于串化解串芯片的中頻交換示意圖

方案二：基于現場可編程邏輯門陣列（FPGA）內嵌的ROCKET IO硬核實現

目前主流的FPGA內部都集成了或多或少的ROCKET IO高速接口，ROCKET IO內部集成串化解串功能，采用8B/10B編碼實現直流平衡，通過預加重/去加重和均衡等技術，能支持線速率高達10 Gbaud量級，因此，可以提供更高的中頻ADC/DAC采樣率。

但該方案需要基于流傳輸的Aurora協議支撐，技術難度相對較高，并且ROCKET IO對時鐘和電源要求很高，需要配置專門的時鐘網絡和電源處理電路，增加電路的復雜性，也降低了可靠性。

最終，選取方案一作為設備最后實現的方案，方案一技術成熟，風險小且可控。

2.4基于數字中頻交換網絡的多通道處理終端架構實現

實際工程需要實現4收4發(fā)的多任務同時半雙工通信，每個通道的信道模塊選用一片收發(fā)全雙工串化解串芯片，實現一路收發(fā)的串化解串處理。信道模塊與信號處理模塊之間選用兩片4×4交換矩陣芯片，其中一片用于信號交換，一片作為備份以提高設備可靠性。每個信號處理模塊選用一片收發(fā)全雙工串化解串芯片，處理與信道模塊相對應的串化解串處理。

信道模塊和信號處理模塊之間的串行數字中頻速率相對較高，設計實現時必須注意高速信號的完整性，按照高速信號的布線規(guī)則進行布線?；跀底种蓄l交換網絡的多通道處理終端架構如圖6所示。

圖6　基于數字中頻交換的多通道處理終端架構

3　結果及驗證

硬件調試完畢后，與信道模塊一起在整機背板對數字中頻交換架構進行驗證。

3.1信號接收驗證

信道輸入中頻測試單載波，ADC采樣后的并行數據串化后經過數字中頻交換網絡送給信號處理模塊，信號處理模塊進行解串處理，將恢復出的ADC并行數據通過WaveVision軟件繪圖，結果如圖7所示。

由圖7可知，ADC采樣波形平滑無掉點錯點，表明基于數字中頻交換的信號接收通路傳輸穩(wěn)定可靠。

圖7　ADC數據波形

3.2信號發(fā)射驗證

信號處理模塊產生單載波I和Q并行數據，經串化處理，通過數字中頻交換網絡送給信道模塊，信道模塊解串后將I和Q并行數據送給DAC器件進行DAC，變換出的單載波波形如圖8所示。

圖8　DAC發(fā)射單載波

由圖8可知，輸出單載波波形頻率準確，基于數字中頻交換的信號發(fā)射通路傳輸穩(wěn)定可靠。

4　結　語

基于工程需要，本文設計了一種新型的基于數字中頻交換的多通道通信終端架構，并對最后的實現結果進行了驗證。通過驗證表明，基于數字中頻交換的多通道通信終端架構方案可行，當兩個處理通道的信道模塊和信號處理模塊故障時，通過配置交換網絡重構一條完整的處理通道即可正常通信?？朔四壳巴ㄐ沤K端的架構弊端，提高了設備的靈活性，滿足了工程多任務同時傳輸和高可靠性要求。

該新型架構對其他類似的多通道信息處理設備同樣具有很好的借鑒意義。

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［7］張劍鋒.基于認知無線電的電臺架構研究［J］.軟件，2011（5）：56-58.

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Design ofm u ltichannel comm unication term inal architecture based on digital interm ediate frequency exchange

WANG Zhanjiang
（No.10 Research Institute，China Electronics Technology Group Corporation，Chengdu 610036，China）

In airborne communication field，the multiple communication term inals are normally needed to satisfy the multitask simultaneous communication.However，the equipped multiple communication terminalsmay bring in some problems in the aspects of the airplane′s size，weight and power consumption，and cause poor reliability.To solve the above contradictions，on the basis of the full study of the existing communication terminal architectures，a new design method for the multichannel communication terminal architecture based on digital intermediate frequency（IF）exchange is put forward by a detailed analysis on the processing flow of the communication terminal signal，which can satisfy the engineering demands of multitask simultaneous communication and high reliability.

airborne communication；multitask；digital IF exchange；multichannel communication terminal architecture

TN914.3-34；V243.1

A

1004-373X（2016）11-0005-04

10.16652/j.issn.1004-373x.2016.11.002

2015-10-11

王戰(zhàn)江（1979—），男，河南滑縣人，碩士，工程師。主要從事航空通信設備的設計研發(fā)工作。