一种基于VPX架构的高速宽带数据通信平台设计

介绍了一种基于VPX架构的高速宽带数据通信平台，平台的核心是机载和地面收发信机，收发信机内各功能板卡的主要控制器是FPGA。发射端对信息序列进行打包、信道编码、交织和调制；接收端对信号进行解调、解交织、解码、同步等操作。还原后的信息上传至上位机进行分析。

随着无人机技术和高分载荷等应用技术的发展成熟，海洋、林业、住建、资源、测绘、公安等各行业对高分辨率对地观测系统表现出了巨大需求，因此，把握当前无人机发展的大好时机，研制新一代的通信平台势在必行。

传统的数据链存在着误码率高、衰落大、干扰严重等问题，即使采用高效的信息压缩编码技术仍难以满足高光谱、激光雷达、合成孔径雷达等一系列高分载荷数据传输的带宽要求。针对现有技术的不足，本设计中通过引进美军成熟先进的VPX总线，构建新一代的数据通信平台，实现由传统到高速、宽带、多功能、通用性强的通信平台的跨越。

1. 系统组成

该数据平台的整个系统包括机载数据终端和测控站数据终端，各数据终端由天线、微波前端和收发信机3个部分组成，共同实现数据通信功能，图1是该系统组成图。机载终端用于接收、解析地面测控终端上传的遥控指令或数据，同时向地面测控终端实时回传遥测信息和任务载荷数据，测控站终端用于接收飞机回传的遥测信息和任务载荷数据，并输出至指控系统显示，同时将指控系统发出的遥控指令上行传输至机载端，实现对飞机平台、任务载荷的实时监控。收发信机对所要收发的信息进行数字信号处理，微波前端实现双工、功放、低噪放功能，天线实现无线信号的发射与接收。

平台的高速宽带设计核心在收发信机内实现，收发信机由VPX总线背板，图像主控板，基带板，中射频板和电源板组成，另外，可以通过插入其他功能扩展板卡实现系统的功能扩展。

图1：系统组成图

2. VPX总线背板设计

背板在整个系统平台占据非常重的作用，它为各个功能板卡的模块互联提供基础。在收发信机设计时，200 Mbit/s的基带数据传输决定了本设计必须采用VPX串行总线架构代替传统的并行总线架构，实现高速互联，如图2所示。板上每个通道为各功能板卡提供的数据传输速率为3.125 Gbit/s，拓扑结构为X4全互联拓扑，使用SRIO协议，板间数据传输速率可达10 Gbit/s。另外还具有3条低速通道用于低速数据和指令交互。

图2：VPX架构

背板模块尺寸都严格遵守了欧卡系列尺寸标准，通过分布式冗余设计，支持热插拔，通过扩展接口适配功能兼容不同的外部载荷接口，规范内部软硬件接口和数据形式，实现了数据链的通用化。

3. 图像主控设计

图像接口板是收发信机的控制和图像处理中心，兼容多种任务载荷输入输出（模拟视频、数字视频、cameralink、SAR等），实现在机载端对其进行压缩编码，压缩处理延时不大于150 ms，压缩后数据速率为200 Mbit/s，使用SRIO协议通过VPX背板送往基带单元；地面端则对应解压缩处理。此外收发信机中的接口板还要执行对收发信机的控制工作，即对遥控站控指令、遥测站测信息进行解析处理和上传至上位机。

4. 基带设计

基带板的核心是FPGA，机载部分的基带模块主要对图像板输出的遥感数据进行编码、码字交织等处理，然后通过VPX总线将处理后的数据传给中射频板进行调制。地面设备的基带负责对中射频板解调信号进行译码、解交织处理，然后通过VPX总线传给图像板。数据基带带宽可以支持到200 MHz。基带板另外还配有ARM进行协议处理、两片DSP作为以后的功能扩展。

因为设计需要的存储资源和逻辑资源比较多，因此本设计选用XILINX公司的V5系列FPGA分别实现信道编/解码和交织/解交织。机载端的LDPC编码采用XILINX公司的IP核，编码输出的LDPC码字传输到交织模块。交织模块采用分组交织器对码元重新排序，分组长度为6个LDPC码字，即对6个LDPC码字的比特序列进行重新排序，再将该分组传输到中射频板。地面端因与机载端制定了数据传输顺序的协议，所以可以通过与本地序列做相关找到帧标识，再根据交织图样从连续12个信号帧中解交织输出6个LDPC码字，同时算出其LLR值。译码部分根据LLR值进行LDPC译码、去空帧及主控帧同步等。

5. 中射频设计

本项目的信号调制和解调设计主要在中射频板上实现。机载收发信机上中射频板将背板传输进来的信息序列进行调制发射。地面收发信机上中射频板主要将接收到的中频信号进行数字解调恢复信息序列。此外，FPGA还要完成对中射频板上外围芯片的配置，主要实现对D/A和AD芯片的配置。机载和地面上信号处理的基本流程如图3调制解调框图所示: