一種基于VPX架構(gòu)的高速寬帶數(shù)據(jù)通信平臺(tái)設(shè)計(jì)

介紹了一種基于VPX架構(gòu)的高速寬帶數(shù)據(jù)通信平臺(tái)，平臺(tái)的核心是機(jī)載和地面收發(fā)信機(jī)，收發(fā)信機(jī)內(nèi)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(diào)制；接收端對信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解交織、解碼、同步等操作。還原后的信息上傳至上位機(jī)進(jìn)行分析。

隨著無人機(jī)技術(shù)和高分載荷等應(yīng)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)對高分辨率對地觀測系統(tǒng)表現(xiàn)出了巨大需求，因此，把握當(dāng)前無人機(jī)發(fā)展的大好時(shí)機(jī)，研制新一代的通信平臺(tái)勢在必行。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈存在著誤碼率高、衰落大、干擾嚴(yán)重等問題，即使采用高效的信息壓縮編碼技術(shù)仍難以滿足高光譜、激光雷達(dá)、合成孔徑雷達(dá)等一系列高分載荷數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捯?。針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本設(shè)計(jì)中通過引進(jìn)美軍成熟先進(jìn)的VPX總線，構(gòu)建新一代的數(shù)據(jù)通信平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)到高速、寬帶、多功能、通用性強(qiáng)的通信平臺(tái)的跨越。

1. 系統(tǒng)組成

該數(shù)據(jù)平臺(tái)的整個(gè)系統(tǒng)包括機(jī)載數(shù)據(jù)終端和測控站數(shù)據(jù)終端，各數(shù)據(jù)終端由天線、微波前端和收發(fā)信機(jī)3個(gè)部分組成，共同實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能，圖1是該系統(tǒng)組成圖。機(jī)載終端用于接收、解析地面測控終端上傳的遙控指令或數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，測控站終端用于接收飛機(jī)回傳的遙測信息和任務(wù)載荷數(shù)據(jù)，并輸出至指控系統(tǒng)顯示，同時(shí)將指控系統(tǒng)發(fā)出的遙控指令上行傳輸至機(jī)載端，實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)平臺(tái)、任務(wù)載荷的實(shí)時(shí)監(jiān)控。收發(fā)信機(jī)對所要收發(fā)的信息進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，微波前端實(shí)現(xiàn)雙工、功放、低噪放功能，天線實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)的發(fā)射與接收。

平臺(tái)的高速寬帶設(shè)計(jì)核心在收發(fā)信機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)，收發(fā)信機(jī)由VPX總線背板，圖像主控板，基帶板，中射頻板和電源板組成，另外，可以通過插入其他功能擴(kuò)展板卡實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能擴(kuò)展。

圖1：系統(tǒng)組成圖

2. VPX總線背板設(shè)計(jì)

背板在整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)占據(jù)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(chǔ)。在收發(fā)信機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，200 Mbit/s的基帶數(shù)據(jù)傳輸決定了本設(shè)計(jì)必須采用VPX串行總線架構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的并行總線架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸速率為3.125 Gbit/s，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為X4全互聯(lián)拓?fù)洌褂肧RIO協(xié)議，板間數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10 Gbit/s。另外還具有3條低速通道用于低速數(shù)據(jù)和指令交互。

圖2：VPX架構(gòu)

背板模塊尺寸都嚴(yán)格遵守了歐卡系列尺寸標(biāo)準(zhǔn)，通過分布式冗余設(shè)計(jì)，支持熱插拔，通過擴(kuò)展接口適配功能兼容不同的外部載荷接口，規(guī)范內(nèi)部軟硬件接口和數(shù)據(jù)形式，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)鏈的通用化。

3. 圖像主控設(shè)計(jì)

圖像接口板是收發(fā)信機(jī)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(shù)字視頻、cameralink、SAR等），實(shí)現(xiàn)在機(jī)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(shù)據(jù)速率為200 Mbit/s，使用SRIO協(xié)議通過VPX背板送往基帶單元；地面端則對應(yīng)解壓縮處理。此外收發(fā)信機(jī)中的接口板還要執(zhí)行對收發(fā)信機(jī)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(jī)。

4. 基帶設(shè)計(jì)

基帶板的核心是FPGA，機(jī)載部分的基帶模塊主要對圖像板輸出的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、碼字交織等處理，然后通過VPX總線將處理后的數(shù)據(jù)傳給中射頻板進(jìn)行調(diào)制。地面設(shè)備的基帶負(fù)責(zé)對中射頻板解調(diào)信號(hào)進(jìn)行譯碼、解交織處理，然后通過VPX總線傳給圖像板。數(shù)據(jù)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(kuò)展。

因?yàn)樵O(shè)計(jì)需要的存儲(chǔ)資源和邏輯資源比較多，因此本設(shè)計(jì)選用XILINX公司的V5系列FPGA分別實(shí)現(xiàn)信道編/解碼和交織/解交織。機(jī)載端的LDPC編碼采用XILINX公司的IP核，編碼輸出的LDPC碼字傳輸?shù)浇豢椖K。交織模塊采用分組交織器對碼元重新排序，分組長度為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?shù)街猩漕l板。地面端因與機(jī)載端制定了數(shù)據(jù)傳輸順序的協(xié)議，所以可以通過與本地序列做相關(guān)找到幀標(biāo)識(shí)，再根據(jù)交織圖樣從連續(xù)12個(gè)信號(hào)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(jù)LLR值進(jìn)行LDPC譯碼、去空幀及主控幀同步等。

5. 中射頻設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的信號(hào)調(diào)制和解調(diào)設(shè)計(jì)主要在中射頻板上實(shí)現(xiàn)。機(jī)載收發(fā)信機(jī)上中射頻板將背板傳輸進(jìn)來的信息序列進(jìn)行調(diào)制發(fā)射。地面收發(fā)信機(jī)上中射頻板主要將接收到的中頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字解調(diào)恢復(fù)信息序列。此外，F(xiàn)PGA還要完成對中射頻板上外圍芯片的配置，主要實(shí)現(xiàn)對D/A和AD芯片的配置。機(jī)載和地面上信號(hào)處理的基本流程如圖3調(diào)制解調(diào)框圖所示:

圖3 調(diào)制解調(diào)流程

6. 測試結(jié)果

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