基于功能綜合的模塊化通信導(dǎo)航識(shí)別系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)*

孫文杰

基于功能綜合的模塊化通信導(dǎo)航識(shí)別系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)*

孫文杰**

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

針對(duì)直升機(jī)和高級(jí)教練機(jī)對(duì)輕小型機(jī)載通信導(dǎo)航識(shí)別（CNI）系統(tǒng)的實(shí)際需求，從孔徑、射頻信道及信號(hào)處理、系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理三個(gè)層面分析了現(xiàn)有聯(lián)合式和綜合化通信導(dǎo)航識(shí)別（ICNI）系統(tǒng)架構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)，提出“分布式信道處理、綜合化控制管理”的設(shè)計(jì)思想，搭建了一種全新的基于功能綜合的模塊化通信導(dǎo)航識(shí)別（MCNI）系統(tǒng)架構(gòu)，并給出了硬件構(gòu)型及軟件框架。實(shí)際工程應(yīng)用表明，在同樣功能配置的情況下，該架構(gòu)在系統(tǒng)重量、體積、功耗等方面優(yōu)勢(shì)明顯，可為其他平臺(tái)CNI系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒。

通信導(dǎo)航識(shí)別系統(tǒng)；功能綜合；資源綜合；總體設(shè)計(jì)

1 引 言

迄今為止，機(jī)載通信導(dǎo)航識(shí)別（Communication Navigation Identification，CNI）系統(tǒng)的體系架構(gòu)經(jīng)歷了由分離式、聯(lián)合式、綜合化到高度綜合化的4個(gè)階段[1]，綜合化是CNI系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主要方向。CNI系統(tǒng)的綜合主要沿著以下兩條路徑：一是基于功能的綜合，以聯(lián)合式CNI系統(tǒng)架構(gòu)為代表，力求由獨(dú)立的設(shè)備實(shí)現(xiàn)某一傳感器功能[2]；二是基于資源的綜合，以美軍的綜合化CNI（Integrated CNI，IC_ NI）和聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（Joint Tactical Radio SYs_ tem，JTRS）架構(gòu)為代表，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的硬件資源與軟件資源均進(jìn)行通用化、模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的軟硬件資源通過動(dòng)態(tài)配置及重構(gòu)可實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)傳感器功能。

近年來，國內(nèi)外研究的重點(diǎn)主要集中在ICNI系統(tǒng)和JTRS系統(tǒng)的架構(gòu)上：文獻(xiàn)[2-3]對(duì)ICNI系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了探討，提出了ICNI系統(tǒng)的解決方案；文獻(xiàn)[4]對(duì)JTRS的系統(tǒng)構(gòu)型進(jìn)行了描述；文獻(xiàn)[5]針對(duì)攻擊直升機(jī)提出了與ICNI相類似的分布式綜合模塊化架構(gòu)。盡管基于資源綜合的ICNI架構(gòu)或JTRS架構(gòu)與聯(lián)合式CNI架構(gòu)相比具有重量輕、任務(wù)可靠性高、外場(chǎng)維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，但應(yīng)用到直升機(jī)或者高級(jí)教練機(jī)等平臺(tái)載荷能力不高、機(jī)體空間狹小的飛行平臺(tái)時(shí)，仍凸顯出系統(tǒng)質(zhì)量過重、體積較大、功耗較高等問題。為此，本文提出一種新的綜合化路徑——局部資源綜合化，構(gòu)建出一種新型的模塊化CNI（Modular CNI，MCNI）系統(tǒng)軟、硬件體系。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 聯(lián)合式CNI、ICNI系統(tǒng)架構(gòu)分析

聯(lián)合式CNI系統(tǒng)采用的是基于功能的綜合設(shè)計(jì)路徑，各設(shè)備只負(fù)責(zé)處理單一的傳感器功能。各設(shè)備內(nèi)部的射頻信道、信號(hào)處理電路無法實(shí)現(xiàn)其他功能，硬件及軟件的專用性強(qiáng)且相對(duì)簡(jiǎn)單。但從系統(tǒng)層面看，每個(gè)設(shè)備都有自己的控制管理電路、數(shù)據(jù)處理電路、總線接口電路和供電電路，存在硬件資源冗余的情況。聯(lián)合式CNI系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 聯(lián)合式CNI系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of a federated CNI sYstem

ICNI系統(tǒng)采用的是基于資源的綜合設(shè)計(jì)路徑，對(duì)系統(tǒng)的天線孔徑層、綜合信道及信號(hào)處理層、綜合數(shù)據(jù)處理層均進(jìn)行了資源綜合化。綜合信道及信號(hào)處理層的相關(guān)電路按照最高性能要求配置了處理資源，存在資源超配的情況，而天線孔徑層和綜合數(shù)據(jù)處理層的綜合化則顯著減少了硬件資源。ICNI系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 ICNI系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Architecture of an ICNI sYstem

通過上述分析可以看出：相較于聯(lián)合式CNI架構(gòu)，ICNI架構(gòu)在天線孔徑層減少了天線數(shù)量，在綜合數(shù)據(jù)處理層也大幅減少了硬件冗余，但在信道及信號(hào)處理層，聯(lián)合式CNI的資源配置相對(duì)于ICNI來講電路更簡(jiǎn)單，可靠性更高，成本更低。因此，在載機(jī)不要求CNI系統(tǒng)具備重構(gòu)功能的情況下，從大幅降低系統(tǒng)質(zhì)量、體積、功耗及裝備成本的角度出發(fā)，構(gòu)建一個(gè)全新的CNI系統(tǒng)架構(gòu)成為可能。

2.2 MCNI系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

MCNI系統(tǒng)以“分布式信道處理、綜合化控制管理”為設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)，主要的設(shè)計(jì)思想如下：

（1）對(duì)系統(tǒng)內(nèi)與特定傳感器功能緊密相關(guān)的射頻信道、信號(hào)處理等電路采用功能綜合方法，進(jìn)行小型化、模塊化設(shè)計(jì)；

（2）對(duì)系統(tǒng)控制、管理、數(shù)據(jù)處理及供電等與特定傳感器功能耦合度較低的電路采用資源綜合方法，進(jìn)行通用化、模塊化設(shè)計(jì)；

（3）基于標(biāo)準(zhǔn)總線搭建開放式系統(tǒng)架構(gòu)，確保系統(tǒng)配置靈活、擴(kuò)展方便。

2.3 MCNI系統(tǒng)硬件架構(gòu)

一個(gè)典型MCNI系統(tǒng)的物理組成如圖3所示，主要包括天線孔徑、MCNI主機(jī)和顯控盒。MCNI主機(jī)是系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)完成整個(gè)系統(tǒng)的傳感器功能處理、系統(tǒng)控制管理及數(shù)據(jù)處理和全機(jī)音頻處理等功能。

圖3 MCNI系統(tǒng)組成Fig.3 ComPosition of an MCNI sYstem

按照系統(tǒng)的處理流程，可將MCNI系統(tǒng)劃分為3個(gè)層次，即天線孔徑層、功能相關(guān)的專用信道及信號(hào)處理層、系統(tǒng)綜合化控制數(shù)據(jù)處理及供電層。系統(tǒng)硬件框架參見圖4。

圖4 MCNI系統(tǒng)硬件架構(gòu)Fig.4 HardWare Architecture of an MCNI sYstem

（1）天線孔徑層

對(duì)L頻段天線孔徑進(jìn)行資源綜合化設(shè)計(jì)，在L頻段工作的功能（如航管應(yīng)答、識(shí)別應(yīng)答、塔康等）共用L頻段天線。此設(shè)計(jì)既改善了全機(jī)的電磁兼容，又減少了天線數(shù)量。

（2）功能相關(guān)的專用信道及信號(hào)處理層

設(shè)計(jì)專用的信道和信號(hào)處理資源完成與某一功能相關(guān)的射頻信號(hào)處理和基帶信號(hào)處理，輸出解算后的傳感器數(shù)據(jù)。盡管此設(shè)計(jì)會(huì)使MCNI系統(tǒng)失去功能重構(gòu)的能力，但可大幅簡(jiǎn)化信道和信號(hào)處理電路的復(fù)雜度，顯著減少系統(tǒng)的質(zhì)量、體積、功耗并提升系統(tǒng)基本可靠性。

（3）系統(tǒng)綜合化控制、數(shù)據(jù)處理及供電層

將系統(tǒng)中與特定功能耦合度不高的控制管理資源、數(shù)據(jù)處理資源和供電資源等進(jìn)行資源綜合化設(shè)計(jì)。具體來講，由一個(gè)控制接口模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所有的控制管理、數(shù)據(jù)處理和接口功能，一個(gè)電源單元負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)載電源進(jìn)行統(tǒng)一處理后為各個(gè)信道模塊供電。此設(shè)計(jì)能減少系統(tǒng)中數(shù)字電路和電源轉(zhuǎn)換電路的數(shù)量，簡(jiǎn)化系統(tǒng)控制管理流程。

2.4 軟件框架

MCNI系統(tǒng)軟件主要基于層次性結(jié)構(gòu)模型建立。根據(jù)MCNI系統(tǒng)架構(gòu)，系統(tǒng)軟件分為系統(tǒng)層、功能層、運(yùn)行平臺(tái)層和操作系統(tǒng)層共4個(gè)層次，如圖5所示。

圖5 MCNI系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig.5 The softWare architecture of an MCNI sYstem

（1）系統(tǒng)層

與圖4中的系統(tǒng)綜合化控制、數(shù)據(jù)處理及供電層對(duì)應(yīng)，部署在系統(tǒng)控制接口模塊中，完成對(duì)MCNI系統(tǒng)的參數(shù)控制、狀態(tài)管理、健康監(jiān)視、參數(shù)加載、協(xié)議及消息處理等功能。

（2）功能層

與圖4中功能相關(guān)的信道及信號(hào)處理層相對(duì)應(yīng)，駐留在各功能信道模塊中，負(fù)責(zé)完成功能相關(guān)的信號(hào)及信息處理。

（3）運(yùn)行平臺(tái)層

部署在系統(tǒng)控制接口模塊中，位于操作系統(tǒng)之上，應(yīng)用軟件（包括功能層軟件和系統(tǒng)層軟件）之下。向上通過平臺(tái)服務(wù)接口為應(yīng)用軟件提供通信服務(wù)、平臺(tái)資源管理服務(wù)，以及在系統(tǒng)維護(hù)模式下提供可視化的系統(tǒng)監(jiān)控服務(wù)。向下通過硬件抽象適配層，與實(shí)現(xiàn)平臺(tái)硬件的操縱與控制的驅(qū)動(dòng)層軟件接口，便于系統(tǒng)底層硬件的插入，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件與系統(tǒng)硬件之間的松耦合設(shè)計(jì)。

（4）操作系統(tǒng)層

部署在系統(tǒng)控制接口模塊中，支持多線程并發(fā)運(yùn)行，支持應(yīng)用層所需要的通信中間件的運(yùn)行。

3 工程驗(yàn)證

以L15高級(jí)教練機(jī)CNI系統(tǒng)研制為例，分別采用聯(lián)合式CNI、MCNI、ICNI 3種不同架構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，系統(tǒng)質(zhì)量、體積、功耗、LRU數(shù)量、基本可靠性、功能重構(gòu)能力等方面的設(shè)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 采用3種架構(gòu)設(shè)計(jì)的對(duì)比Tab.1 comParison among the three architectures

從表1中可以看出，MCNI架構(gòu)與聯(lián)合式CNI相比，質(zhì)量減輕36%，體積減少23%，功耗降低45%，基本可靠性提升47%。與ICNI架構(gòu)相比，MCNI系統(tǒng)質(zhì)量減輕近20%，體積減小14%，功耗降低28%，基本可靠性提升25%。

4 結(jié)束語

作為一型新的CNI系統(tǒng)構(gòu)型，MCNI架構(gòu)較聯(lián)合式CNI和ICNI在系統(tǒng)質(zhì)量、體積、功耗、可靠性等方面優(yōu)勢(shì)明顯，目前已在通用直升機(jī)、高級(jí)教練機(jī)等平臺(tái)上得到工程應(yīng)用，其局部綜合化的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法對(duì)類似系統(tǒng)的研制也有一定的參考價(jià)值。

今后可在組件化射頻信道、片上系統(tǒng)等方面開展研究以進(jìn)一步提升系統(tǒng)集成度。

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孫文杰（1971—），男，河北景縣人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榫C合化航空電子。

SUN Wenjie Was born in Jingxian，Hebei Province，in 1971.He is noW a senior engineer. Hisresearchconcernsintegratedavionics sYstem.

Email：sun_no1@sina.com

Modular CNI System Design Based on Functional Integration

SUN Wenjie
（SouthWest China Institute of Electronic TechnologY，Chengdu 610036，China）

According to the communication navigation identification（CNI）sYstem requirement of helicoP_ ters and advanced training Planes，characters of federated and integrated CNI（ICNI）architecture construct are analYzed in such three asPects as aPerture，radio frequencY（RF）channel and signal Processing，sYstem control and data Processing.An idea of distribute channel Process Plus integrated control management is Presented based on integrated modularization of CNI（MCNI）architecture construct.The hardWare con_ structs and softWare architecture are Provided.In order to achieve the same function，the novel architecture construct ProPosed in this PaPer has obvious advantage in the sYstem’s Weight，size and PoWer consumP_ tion.The research in this PaPer Provides a reference for the design of other Platform’s CNI sYstem.

CNI sYstem；functional integration；resource integration；sYstem design

TN802；V243

A

1001-893X（2016）01-0067-04

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.01.012

孫文杰.基于功能綜合的模塊化通信導(dǎo)航識(shí)別系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù)，2016，56（1）：67-70.[SUN Wenjie.Modular CNI sYstem design based on functional integration[J].Telecommunication Engineering，2016，56（1）：67-70.]

2015-09-07；

2015-12-11 Received date：2015-09-07；Revised date：2015-12-11

**通信作者：sun_no1@sina.com Corresponding author：sun_no1@sina.com