一種航空電子內(nèi)部無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的設(shè)計(jì)

武瑞歡

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所,陜西 西安 710068)

0 引言

機(jī)內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)因其自身特點(diǎn)成為航電網(wǎng)絡(luò)的重要研究方向。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不再依賴線纜布局,避免線纜和相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)安裝,有效減輕航空器自重,降低燃料消耗,提高飛機(jī)工作時(shí)的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性,且無(wú)線網(wǎng)絡(luò)靈活性高、移動(dòng)性強(qiáng)、安裝便捷、方便維護(hù)。本文基于機(jī)內(nèi)無(wú)線通信的實(shí)際需求,設(shè)計(jì)一種機(jī)內(nèi)無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)小體積無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)的預(yù)期目標(biāo)。

1 介紹

機(jī)內(nèi)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)按照功能模式分為三種:網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是能夠?qū)C(jī)內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和已存在的機(jī)載通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接的接口。終端節(jié)點(diǎn)是位于機(jī)載設(shè)備的無(wú)線節(jié)點(diǎn),用于將機(jī)載設(shè)備接入機(jī)內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò),如傳感器和顯示器等。中繼節(jié)點(diǎn)是在終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)間通過(guò)“多跳”實(shí)現(xiàn)相互連接的節(jié)點(diǎn),一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)可能直接連接一個(gè)或多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。一個(gè)網(wǎng)關(guān)、一個(gè)或多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)以及一個(gè)或多個(gè)端節(jié)點(diǎn)共同組成單跳或多跳的無(wú)線子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò),子網(wǎng)之間通過(guò)飛機(jī)的主干網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)互連構(gòu)成機(jī)內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

2 設(shè)計(jì)

結(jié)合實(shí)際使用需求,考慮Linux內(nèi)核對(duì)ieee820.11a/g無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用的支持度和大量民用市場(chǎng)產(chǎn)品的普及后對(duì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的支持及優(yōu)化,設(shè)計(jì)采用Linux系統(tǒng)ieee802.11a/g無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及無(wú)線網(wǎng)卡類似無(wú)線通信設(shè)備芯片的通信方式實(shí)現(xiàn)通信節(jié)點(diǎn)。

硬件設(shè)計(jì)中處理器選擇ARM+FPGA結(jié)構(gòu)處理器zynq7000系列,射頻部分采用ad9361,射頻芯片模塊的主要功能是將頻域數(shù)字信號(hào)和頻域的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,用于多臺(tái)無(wú)線設(shè)備之間射頻模塊之間空口數(shù)據(jù)的交換,具體硬件框架圖見圖1。在此硬件框架上運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)、ieee802.11a/g無(wú)線通信機(jī)制下協(xié)議軟件和無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng),用以完成無(wú)線通信中各個(gè)通信設(shè)備之間的數(shù)據(jù)指令和圖像的交互。

圖1 硬件設(shè)計(jì)框圖

2.1 硬件設(shè)計(jì)

處理器上選擇ARM+FPGA結(jié)構(gòu)處理器zynq7000系列[1],其上運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)軟件和應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)時(shí)遵循ieee802.11a/g無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈處理全棧接。MAC80211子模塊下半部分需要硬件快速響應(yīng)的功能由FPGA處理,并將處理結(jié)果通過(guò)AXI總線交給了ARM處理器。MAC80211上半部分完成相應(yīng)的協(xié)議處理功能,滿足用戶對(duì)數(shù)據(jù)鏈路低延時(shí)的需求和設(shè)計(jì)要求。

zynq芯片7系列處理器,該芯片內(nèi)部集成ARM+FPGA,芯片具有ARM?處理器的軟件可編程性和FPGA的硬件可編程性,可實(shí)現(xiàn)重要分析與硬件加速,且在單個(gè)器件上高度集成 CPU、DSP、ASSP 以及混合信號(hào)功能。相比較經(jīng)典的FPGA,zynq7000系列可將處理系統(tǒng)PS和可編程資源PL分離開來(lái),固化了PS系統(tǒng)的存在,實(shí)現(xiàn)了真正意義上的SOC(System On Chip)。zynq7000系列是全可編程片上系統(tǒng),主要包含PS(processing system)和PL(Programmable Logic)兩部分。PL采用28nm工藝;PS以2個(gè)Cortex A9的ARM核為核心,還包括片上存儲(chǔ)器、片外存儲(chǔ)器接口(DDR)和一系列的外設(shè)接口。zynq7000系列將ARM CPU和外設(shè)集成在一個(gè)芯片內(nèi),使得zynq7000系列皆具處理器CPU和FPGA雙重特性,特別適用于軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。

AD9361[2]是一款面向3G和4G基站應(yīng)用的高性能、高集成度的射頻(RF)Agile TransceiverTM捷變收發(fā)器。該器件具有可編程性和寬帶能力。該器件集RF前端與靈活的混合信號(hào)基帶部分為一體,集成頻率合成器,為處理器提供可配置數(shù)字接口,從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)導(dǎo)入。AD9361工作頻率范圍為70 MHz～6.0 GHz,涵蓋大部分特許執(zhí)照和免執(zhí)照頻段,支持的通道帶寬范圍為≤200 kHz～56 MHz。兩個(gè)獨(dú)立的直接變頻接收器擁有噪聲系數(shù)和線性度。每個(gè)接收(RX)子系統(tǒng)都擁有獨(dú)立的自動(dòng)增益控制(AGC)、直流失調(diào)校正、正交校正和數(shù)字濾波功能。AD9361還擁有靈活的手動(dòng)增益模式,支持外部控制。每個(gè)通道搭載兩個(gè)高動(dòng)態(tài)范圍ADC,先將收到的I信號(hào)和Q信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理,然后將其傳過(guò)可配置抽取濾波器和128抽頭有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器,結(jié)果以相應(yīng)的采樣率生成12位輸出信號(hào)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

無(wú)線通信軟件需要實(shí)現(xiàn)的功能有:無(wú)線網(wǎng)卡的基本配置,如使用的無(wú)線通信信道,網(wǎng)絡(luò)入網(wǎng)ID,無(wú)線網(wǎng)卡的發(fā)送功率等;通信數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送處理,如當(dāng)接收到無(wú)線網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)后可進(jìn)行對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理,或者進(jìn)行處理轉(zhuǎn)發(fā)以及用戶將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理通過(guò)無(wú)線網(wǎng)卡向外發(fā)送數(shù)據(jù);任務(wù)管理調(diào)度;應(yīng)用軟件和內(nèi)核態(tài)軟件交互;網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧數(shù)據(jù)接收和發(fā)送處理等。通信數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送處理的流程為:

1) 無(wú)線通信軟件對(duì)操作系統(tǒng)側(cè)提供的是同一的sdr接口,通訊數(shù)據(jù)是標(biāo)準(zhǔn)的ieee802.11網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)sdr軟件模塊處理后,通過(guò)dma把應(yīng)用數(shù)據(jù)搬移給FPGA進(jìn)行處理,然后通過(guò)AD9361進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換成外部頻域模擬數(shù)據(jù)與其他設(shè)備通訊。射頻功能模塊基于AD9361,完成無(wú)線信號(hào)的收發(fā)及數(shù)模轉(zhuǎn)換,AD9361輸出采用寬帶巴倫,頻寬范圍300 MHz～6 GHz,天線接收到射頻輸入后,通過(guò)射頻電路濾波還原,經(jīng)AD9361轉(zhuǎn)換后以數(shù)字量形式,通過(guò)高速LVDS接口交給處理器,通過(guò)處理器PL端解調(diào)后將數(shù)據(jù)上報(bào)給上位機(jī)進(jìn)行應(yīng)用處理。

2) 需要發(fā)送的數(shù)據(jù),先由上位機(jī)通過(guò)千兆網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至處理器,處理器PL端對(duì)數(shù)據(jù)調(diào)制后,通過(guò)高速LVDS接口將數(shù)據(jù)發(fā)送至AD9361進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換,然后經(jīng)射頻電路將無(wú)線信號(hào)通過(guò)天線輸出。數(shù)據(jù)處理流程圖見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

基于機(jī)內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn),結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)中對(duì)機(jī)內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備小型化的需求,采用成熟的無(wú)線處理器實(shí)現(xiàn)搭建一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),經(jīng)驗(yàn)證該無(wú)線節(jié)點(diǎn)設(shè)備滿足要求,具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐價(jià)值。