一种基于VPX架构的高速宽带通信平台设计

一种基于VPX架构的高速宽带通信平台设计卫一然赵国柄朱铁林
摘要：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。

关键词：VPX架构;FPGA;高速宽带;通信平台
0引言
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。

2VPX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，200Mbit/s的基帶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
3.125Gbit/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10Gbit/s。

另外还具有3条低速通道用于低速数据和指令交互。

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150ms，压缩后数据速率为
200Mbit/s，使用SRlo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
200MHz。

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
XILlNX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lP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：6测试结果
图4是使用自收发软件进行链路数据传输测试的结果。

测试结果表明
该通信平台支持200Mbps信息序列的调制发射与正确解调接收。

编码调制
后的数据基带带宽支持到200MHz，中频带宽支持到400MHz。

7结论
文章首先从整个系统介绍了基于VPX架构的高速宽通信平台：之后描
述了收发信机中的各个板卡的功能实现：最后通过测试表明设计的可行性。