一,引言由于现代通信、数字信号处理、计算机和微电子等种高新技术的迅猛发展, 无线通信装备的技术越来越先进, 也越来越复杂。

采用通用模块的设计方法, 可以最大限度地继承与利用已有的硬件和软件研究成果, 从而降低研制风险, 避免同一水平上的重复研制, 缩短研制周期, 节省研制费用, 并且, 采用开放性的模块结构, 便于实现网络互连、信息互通和功能互操作。

无线通信装备模块化设计的初衷是为了满足人们追求多品种小批量要求下实现最佳效益和质量的要求, 它的第一受益方是研制厂商, 第二受益方是军队。

无线通信装备模块化设计最终将有利于博采家所长, 推进无线通信装备模块化设计研制, 是无线通信发展的催化剂。

二、模块化设计分析1工厂级模块化设计工厂级的无线通信装备模块化设计指的是无线通信装备厂拥有自己的模块化结构设计、模块划分原则和总线母板等。

随着技术进步和为了便于组织生产, 国内无线通信装备厂已逐步将电路板的织生产, 国内无线通信装备厂已逐步将电路板的大板结构改成按功能划分的小板结构, 并设计了本厂专有的母板。

对于目前已有的通信装备而言, 这些措施在一定程度上体现了模块化设计思想, 并且是切实可行的。

通信装备模块的划分是工厂级模块化设计的关键。

为使划分的模块合理, 首先应对该类装备有充分了解, 然后采取系统工程和功能分解的方法, 对装备组成进行分析和功能分解, 最后划分出级模块。

工厂级模块化设计是以现有技术体制和技术形式, 在对一定范围内的采用传统方式生产的不同型号装备进行功能分析和分解的基础上, 划分并设计、生产理器出一系列通用模块或标准模块, 然后, 从这些模块中选取相应的模块, 并补充新设计的专用模块或零部件一起进行相应组合, 以构成满足各种不同需要的装备。

工厂级模块化设计包括建立模块体系和组合形成新装备这两个基本步骤。

( 1) 建立模块体系正确合理地划分特定功能和接口的模块, 既是建立通信装备模块体系和组合形成新装备的关键, 也是今后拟制模块总体规划进行有效开发和应用的关键。

因此, 模块的划分、设计、研制、生产以及模块体系的建立, 应是建立在对所有同类装备及组成部分充分了解的基础上, 并对现役装备的改造和新装备的开发等进行综合分析和组合的基础上, 采用系统工程和标准化的原理及方法去处理。

根据使用需求, 从顶层向下按功能分解的方法, 将装备分解成不同等级的单元, 同时从底层单元向上进行模块需求分析, 按标准化原理对同类和相似装备进行对比、归类、简化、统一, 合理划分模块, 确定技术指标和质量要求, 然后进行设计、研制和生产, 从而建立起模块体系。

( 2) 组合形成新装备工厂级模块化设计应采用组合化设计方法, 充分利用种通用模块、专用模块和零件进行组合或派生种不同要求和用途的新装备。

组合设计的关键在于总体方案设计, 这是一个多因素综合权衡的过程。

2设备级模块化设计设备级的无线通信装备模块化设计指的是, 为了实现互通, 将一些功能模块设计成为个无线通信装备厂都能接受和采用的通用模块, 同时对一些影响互通的部件模块强制实现体制和功能上统一的设计。

设备级的无线通信装备模块化设计必须首先抓好顶层设计, 在顶层设计的基础上, 制定设备级的无线通信装备模块化设计的模块化标准, 再以标准为指南, 才有可能实现无线通信装备的互连互通和模块化。

设备级模块化设计包括硬件模块设计和软件模块设计这两方面基本内容。

( 1) 硬件模块设计硬件模块设计有 2 种可能: 一种是属于设备级模块化设计初级阶段的情况, 即采用多板分散处理, 各种数字处理硬件模块均有自已的数字信号处理器和可编程数字逻辑电路。

这种技术设计要求相对较低,能故障检测到板, 但接口较多,芯片规模小、品种多;另一种是属于预计将来可实现的情况,即使用高速处理器、超大规模可编程器件,数字处理部分由一块单板完成。

这种方式硬件接口简单, 一旦发生故障,更换单板即可。

它类似于目前的微机,基本功能都在一块主板上。

硬件模块实现的关键是规划硬件模块的接口定义、信号流程的功能及技术指标或标准, 并公开这些要求, 以使不同的开发、生产单位均能提供该硬件模块,且能用不同单位提供的模块组装成整机。

对于具体模块的电路实现, 可采用信号处理器的类型和电路实现的方式。

对于生产和维护方来讲, 最好是采用广泛使用的器件, 以利于降低开发、生产、维护的成本。

( 2) 软件模块设计软件模块是在硬件模块支持下实现功能模块规定任务中至关重要的部分。

它利用总线和操作系统,实施对资源的管理和调用, 并使用各种配套的应用软件完成对信息和控制数据的处理、检测和传送。

不同的应用软件完成不同的功能, 例如数字调制解调的信号处理、密钥管理协议等,具体设计时还要考虑到实时处理和非实时处理的数据之间的关系等。

在设备级模块化设计中,软件模块化设计是较为关键和复杂的问题。

对于不同的硬件模块化规程,将会产生不同的软件模块化规程。

随着软件无线电技术研究的深入, 软件模块化设计必将走向成熟和完善。

3系统级模块化设计系统级的无线通信装备模块化设计指的是从系统和顶层的角度来研究无线通信装备模块化设计。

系统级的无线通信装备模块化设计具有统一标准的模块化功能体系、结构体系和接口标准, 具有统一的硬件平台和软件平台。

通过采用系统级的无线通信装备模块化设计理念,来构造模块化通信装备。

模块化通信装备是指从通信装备的顶层设计出发来解决通信装备的模块化问题, 强调采用软件通信体系结构的概念来实现通信装备的模块化体系结构,使系统的体系结构具有了开放性、软件可编程性、软、硬件高度模块化等优点。

模块的划分和接口设计将在这种体系框架的基础上进行。

这里的模块体系除了指各种软件模块和硬件模块外, 更重要的是指具有模块化的基本体系结构。

随着技术的发展,软件模块将在数量上和地位上超过硬件模块,成为无线通信装备模块的主要组成部分。

三、软件通信体系结构的研究1软件无线电的思想软件无线电思想是20 世纪90 年代以后逐渐兴起的一种全新的设计思想, 其完整的概念和结构体系是由美国科学家Mi tola 于1992 年5 月明确提出的,其核心思想是在通用的硬件平台上,加载不同的通信软件以实现不同的通信模式和功能。

这种全新的设计思想使无线电台可以适应各种不同的应用场合,而通信系统的设计与开发主要成为软件的研究和开发,这将极大缩短通信系统的研发周期和成本。

标准的软件无线电应采用基于标准虚拟机环境的硬件结构,将射频( RF)、中频( IF)、基带和比特流部分组装在一个虚拟机系统中, 由软件来完成各种通信功能,包括信源编码、信道编码、信道解码和信源解码等。

为了加载实现多种通信模式和功能,软件无线电的天线应跨多个频段, 并且形式要统一。

射频部分完成输出功率的产生及前置放大, 将射频信号转换成标准中频信号, 以及将标准中频信号转换成射频信号,该标准中频信号适合A/ D 和D/ A 转换。

中频部分完成中频信号与已调基带信号之间的变换(包括接收和发射) , 主要功能是频率变换和滤波。

基带信号处理部分是把数据流变换成适合信道传输的基带信号和解调基带信号。

比特流部分则主要对多个信道比特流进行复接和分接。

软件无线电系统的硬件采用模块化结构, 建立公共的硬件平台, 支持并行、流水线及异构处理环境。

软件由采用基于OSI 参考模型的分层软件体系,支持开放式的模块化设计。

灵活应用软件无线电的基本硬软件模块,可使软件无线电设备对传播条件具有多种自适应能力( 包括频率、功率、速率等)、多种抗干扰能力( 包括扩频及跳频、自适应天线调零、自适应干扰抵消等)、灵活可变的多址方式(包括FDMA、TDMA、CDMA 其混合等)、用户需要的多种业务(包括话音、传真、数据及图象等)及多种组网与接口能力等。

由此可见,软件无线电是无线通信系统从模拟到数字再向前发展的新阶段技术。

要真正实现模块化以及前面提出的总体设计目标, 必须采用软件无线电技术。

美军的J TRS(联合战术无线电系统) 计划就是采用了软件无线电的设计思想, 定义了软件通信体系结构规范。

2软件通信体系结构的内容由于军事需求的牵引,近年来美国国防部采取了十分果断和重大的措施,其发展动态很值得我们关注和思考。

最重要的动态就是美国军方正在实施的新一代无线通信系统计划(即J TRS) ,其主要思路是使美军的无线通信装备用模块化体系结构设计的方法进行全面的更新换代,其目标是提供一种适用于所有军兵种要求的电台系列, 频段覆盖范围为2 MHz~ 2 GHz, 不但要兼容传统系统, 而且将提供多种新的宽带波形,支持话音、数据和多媒体等多种业务的传输, 将极大地增强部队之间的互通能力。

JTRS将成为数字化战场环境中作战人员通信的主要手段,代表了目前世界范围内最为先进的无线通信发展方向,是未来军事通信的基本组成部分。

美国国防部组织了2个小组分别由Raytheon 和Motorola两个大公司牵头来定义JTRS 的硬件和软件体系结构,最后以Raytheon 公司为首提出的软件通信体系结构规范( SCA) 获得国防部批准通过。

SCA规范描述了模块化软件可编程电台的软件体系结构、硬件体系结构和安全体系结构, 以及应用程序接口(API)规范, 同时引入了嵌入式微处理系统、总线、操作系统、CORBA(公共对象请求代理体系)、面向对象的软件和硬件设计等一系列计算机技术, 采用了波形应用和资源可裁剪、可扩充的设计思想,其目的是实现电台硬件模块化,软件具有可移植性、可重用性和可互操作性。

目前发布的SCA 最新版本为2. 2。

( 1) 软件体系结构的内容软件体系结构的核心内容是定义了一个通用软件平台,软件平台由带有硬件驱动软件的POSIX 操作系统、CORBA 中间件和核心框架3 部分组成。

软件平台对于波形设计和开发人员来说提出了很多新的要求和限制,其目的是为了实现波形能够从一个无线电系统移植到另一个系统。

核心框架包括一组关键的核心接口和配置文件, 是实现通信系统中软件组件的部署、管理、连接和通信的主要功能部件。

核心框架的一部分接口由软件平台开发人员实现,一部分接口由波形应用软件开发人员实现,其余部分由硬件设备开发人员实现。

( 2)硬件体系结构的内容硬件体系结构采用了面向对象的概念来定义系统内部的典型模块划分,要求一旦实现了一个实际的系统,就必须公开完整和详细的接口。

通过这些公开的接口, 第三方就可以提供系统内部模块, 软件开发人员就可以确定硬件的性能和容量以加载特定的波形。

随着未来可编程元素的增加,硬件模块的合理划分为新技术的插入提供了方便。

( 3)安全体系结构的内容安全体系结构是军事通信的特殊要求, 也是很重要的要求。

SCA 给出了一个红边黑边相互隔离的安全架构, 以满足军事通信不同层次的安全要求。