一種航空電子內部無線通信網絡設備的設計

武瑞歡

(中國航空工業集團公司西安航空計算技術研究所,陜西 西安 710068)

0 引言

機內無線網絡因其自身特點成為航電網絡的重要研究方向。無線網絡不再依賴線纜布局,避免線纜和相關基礎設施的建設安裝,有效減輕航空器自重,降低燃料消耗,提高飛機工作時的經濟性與環保性,且無線網絡靈活性高、移動性強、安裝便捷、方便維護。本文基于機內無線通信的實際需求,設計一種機內無線通信節點設備,實現小體積無線通信節點的預期目標。

1 介紹

機內無線通信網絡節點按照功能模式分為三種:網關節點、中繼節點和終端節點。網關節點是能夠將機內無線網絡和已存在的機載通信網絡進行連接的接口。終端節點是位于機載設備的無線節點,用于將機載設備接入機內無線網絡,如傳感器和顯示器等。中繼節點是在終端節點和網關節點間通過“多跳”實現相互連接的節點,一個中繼節點可能直接連接一個或多個終端節點。一個網關、一個或多個中繼節點以及一個或多個端節點共同組成單跳或多跳的無線子網網絡,子網之間通過飛機的主干網網絡互連構成機內無線網絡。

2 設計

結合實際使用需求,考慮Linux內核對ieee820.11a/g無線網絡的應用的支持度和大量民用市場產品的普及后對網絡應用的支持及優化,設計采用Linux系統ieee802.11a/g無線網絡協議及無線網卡類似無線通信設備芯片的通信方式實現通信節點。

硬件設計中處理器選擇ARM+FPGA結構處理器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字信號和頻域的模擬信號進行轉換,用于多臺無線設備之間射頻模塊之間空口數據的交換,具體硬件框架圖見圖1。在此硬件框架上運行Linux操作系統、ieee802.11a/g無線通信機制下協議軟件和無線網卡驅動,用以完成無線通信中各個通信設備之間的數據指令和圖像的交互。

圖1 硬件設計框圖

2.1 硬件設計

處理器上選擇ARM+FPGA結構處理器zynq7000系列[1],其上運行的驅動軟件和應用軟件設計時遵循ieee802.11a/g無線通信網絡數據鏈處理全棧接。MAC80211子模塊下半部分需要硬件快速響應的功能由FPGA處理,并將處理結果通過AXI總線交給了ARM處理器。MAC80211上半部分完成相應的協議處理功能,滿足用戶對數據鏈路低延時的需求和設計要求。

zynq芯片7系列處理器,該芯片內部集成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,可實現重要分析與硬件加速,且在單個器件上高度集成 CPU、DSP、ASSP 以及混合信號功能。相比較經典的FPGA,zynq7000系列可將處理系統PS和可編程資源PL分離開來,固化了PS系統的存在,實現了真正意義上的SOC(System On Chip)。zynq7000系列是全可編程片上系統,主要包含PS(processing system)和PL(Programmable Logic)兩部分。PL采用28nm工藝;PS以2個Cortex A9的ARM核為核心,還包括片上存儲器、片外存儲器接口(DDR)和一系列的外設接口。zynq7000系列將ARM CPU和外設集成在一個芯片內,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同設計。

AD9361[2]是一款面向3G和4G基站應用的高性能、高集成度的射頻(RF)Agile TransceiverTM捷變收發器。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基帶部分為一體,集成頻率合成器,為處理器提供可配置數字接口,從而簡化設計導入。AD9361工作頻率范圍為70 MHz～6.0 GHz,涵蓋大部分特許執照和免執照頻段,支持的通道帶寬范圍為≤200 kHz～56 MHz。兩個獨立的直接變頻接收器擁有噪聲系數和線性度。每個接收(RX)子系統都擁有獨立的自動增益控制(AGC)、直流失調校正、正交校正和數字濾波功能。AD9361還擁有靈活的手動增益模式,支持外部控制。每個通道搭載兩個高動態范圍ADC,先將收到的I信號和Q信號進行數字化處理,然后將其傳過可配置抽取濾波器和128抽頭有限脈沖響應(FIR)濾波器,結果以相應的采樣率生成12位輸出信號。

2.2 軟件設計

無線通信軟件需要實現的功能有:無線網卡的基本配置,如使用的無線通信信道,網絡入網ID,無線網卡的發送功率等;通信數據的接收和發送處理,如當接收到無線網卡的數據后可進行對應的數據處理,或者進行處理轉發以及用戶將原始數據進行處理通過無線網卡向外發送數據;任務管理調度;應用軟件和內核態軟件交互;網絡協議棧數據接收和發送處理等。通信數據的接收和發送處理的流程為:

1) 無線通信軟件對操作系統側提供的是同一的sdr接口,通訊數據是標準的ieee802.11網絡協議數據。該數據經過sdr軟件模塊處理后,通過dma把應用數據搬移給FPGA進行處理,然后通過AD9361進行數模轉換成外部頻域模擬數據與其他設備通訊。射頻功能模塊基于AD9361,完成無線信號的收發及數模轉換,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,通過射頻電路濾波還原,經AD9361轉換后以數字量形式,通過高速LVDS接口交給處理器,通過處理器PL端解調后將數據上報給上位機進行應用處理。

2) 需要發送的數據,先由上位機通過千兆網將數據傳輸至處理器,處理器PL端對數據調制后,通過高速LVDS接口將數據發送至AD9361進行數模轉換,然后經射頻電路將無線信號通過天線輸出。數據處理流程圖見圖2。

圖2 數據處理流程圖

3 結束語

基于機內無線網絡特點,結合實際設計中對機內無線網絡設備小型化的需求,采用成熟的無線處理器實現搭建一個無線網絡節點,經驗證該無線節點設備滿足要求,具有較強的工程實踐價值。