基于分布式的通用信号处理嵌入式软件架构

基于分布式的通用信号处理嵌入式软件架构

JIANG Jianjun;XU Xiaoyao;YUAN Jun

【摘要】为了从根本上解决信号处理系统功能软件与硬件平台的解耦、在线重构、部署和升级问题,以信号处理嵌入式软件系统架构的新需求为牵引,分析了独立式架构、联合式架构和综合式架构等多种信号处理嵌入式软件系统架构的优缺点,提出

了基于分布式的下一代通用信号处理嵌入式软件系统架构,研究了以信号预处理阵列、信号处理阵列、信息数据处理阵列和大容量存储阵列组成为主的硬件架构与以任务服务层、智能服务层、构件服务层和系统平台服务层组成为主的软件架构,解

决了分布式通信中间件、多业务动态加载与灵活配置和异构处理器高效移植开发等关键性技术,实现了基于分布式的通用信号处理嵌入式软件架构.所提出的系统架构可扩展、可升级和可重构,使系统性能快速提升,可满足不同的任务需求.所提出的系统架构在复杂作战环境的适应能力强,能实现复杂电磁环境下电磁目标的智能感知.【期刊名称】《河北工业科技》

【年(卷),期】2019(036)001

【总页数】6页(P27-32)

【关键词】信号检测;嵌入式软件系统架构;解耦;分布式通信中间件;在线重构;升级【作者】JIANG Jianjun;XU Xiaoyao;YUAN Jun

【作者单位】

【正文语种】中文

【中图分类】TN911.23

随着软件无线电、综合射频、实时计算、数据全交换等技术和标准的不断发展，军事电子信息系统集成由传统的独立设备级离散集成向模块级综合集成方向转变[1]，在研发模式上，从传统“以硬件平台为中心，面向专用功能”的设计思路，向“以软件服务为中心，面向应用需求”的设计思路转变[2]。

军事电子信息系统需要快速适应复杂作战环境，以及侦察、对抗不断出现的新目标和新威胁。然而，传统相对松散独立的设备级集成难以满足不断变化的任务需求。快速构建具备可扩展、可升级的硬件重组和软件可重构能力的嵌入式系统，即插即用[3]，满足当前和未来军事装备任务扩展的需求，成为当前急需解决的难题。

针对以上难题，笔者开展了通用信号处理嵌入式软件系统架构技术的研究。采用通用化、模块化、标准化、网络化、构件化设计，提供资源配置接口实现软硬件解耦，各种信号处理功能算法以软件构件为单元集成到系统中，通过软件定义实时动态重构系统功能，从而使系统性能快速提升，满足不同任务的需求。

1 信号处理嵌入式软件系统架构的发展

传统的信号处理嵌入式软件系统架构伴随着信号处理平台的发展先后经历了3代[4]，即独立式架构、联合式架构和综合式架构，目前正向着可重构化方向迈进。

其中，独立式架构模式的嵌入式软件系统由一系列独立的嵌入式软件模块组成，每个系统仅依靠其自身完成独立的功能，没有控制、数据总线，不同系统基本上以独立的形式出现，模块可重用性差，系统灵活度差、专用性强、信息交换困难，系统之间集成难度大。联合式架构包括集中式架构和集中分布式架构。集中式架构的嵌入式软件系统基于大量的数字计算机和中央控制总线，软硬件深度耦合。集中分布式架构的嵌入式软件系统开始采用时分多路传输数据总线(MIL-STD-1533B)，实

现了全系统数据分发，但应用形式单一。综合式架构的嵌入式软件系统采用了许多具有不同嵌入式软件功能的现场可更换模块来实现，采用这种体系的系统虽然实现

了信号、信息处理部分的完全模块化，但使用上还是不能快速切换功能，系统间还是不能很好地互连、互通和互操作，不能满足军事电子信息系统实时侦察、一体化作战的要求。

随着传感器、武器和通信技术的进步，有可能会出现军事电子信息系统在刚服役时便已过时，无法满足新的作战要求的情况。因此，结合联合式和综合式架构、具有灵活便捷的可重构[5]通用信号处理嵌入式软件系统成为了未来的发展趋势。

2 下一代通用信号处理嵌入式软件系统架构设计

为满足未来一体化联合、信息化、网络化、智能化和无人化军事作战需求[6]，下

一代通用信号处理嵌入式软件系统架构对上可提供软件功能应用服务,适应各种功

能任务的快速部署和执行，并可进行深度学习，具有网络化、精确化、实时化、多维化和社会化等特征；对下应采用通用化、模块化、标准化、网络化设计，使其具备可扩展、可升级、可学习、可演进以及智能化的能力。下一代通用信号处理嵌

入式软件系统架构如图1所示。

采用面向服务的软件功能构件化设计和任务自适应部署设计，可以进一步提升系统的通用性和灵活性，支持信号、信息处理系统在相关领域的综合应用和可持续发展，进而演进为分布式协同处理的无人系统，形成分布式处理系统云平台，通过空域、时域联合，实现各分布系统的互连、互通和互操作，从而形成纵向贯通、横向互连的一体化联合体。

下一代通用信号处理嵌入式软件系统要求硬件(部署)、软件平台都必须采用通用化设计，把整个信号处理系统“软件化”[7-10]，按软件的方法、模式来对系统进行统一设计和实现，分别从硬件和软件两方面进行系统架构设计。

2.1 系统硬件架构

下一代通用信号处理平台硬件架构如图2所示。以通用FPGA处理资源为主的信

号预处理阵列、以通用GPP处理资源为主的信号处理阵列、以通用GPP处理资源为主的信息数据处理阵列以及以磁盘为主的大容量存储阵列4类资源阵列组成。

其中GPP可以是PPC，CPU或GPU等处理器。各阵列之间通过控制总线和

GPS/BD以及秒脉冲时间总线进行时序同步控制，阵列间和阵列内采用全交换网络方式交换数据。交换网络分别包括高速光交换网络、高速RapidIO交换网络和以

太网交换网络等，通过级联，可组建由众多在不同地点的平台、不同的网络构成的分布式网络，扩展成系统硬件资源。

1)信号预处理阵列

由FPGA 密集型通用信号预处理模块和高速交换网络组成，具备实时和低抖动的

信号同步能力，通过对预处理资源、高速交换网络、通信中间件的灵活配置和功能程序动态加载，可以运行数字上下变频、数字波束形成、调制解调、信号检测和高速、触发信号捕获等预处理嵌入式功能软件。

2) 信号处理阵列

由GPP(PPC，CPU，GPU等)密集型通用信号处理模块和高速交换网络组成，具

备多路高速信号缓存和处理能力，通过对处理资源、高速交换网络、通信中间件的灵活配置和功能程序动态加载，可以运行信号分析识别、引导干扰和参数测量等信号处理嵌入式功能软件。针对当前信号处理以DSP为主要专用处理资源的应用越

来越少，建议信号处理阵列不采用专用信号处理芯片(DSP)。

3) 信息数据处理阵列

由GPP(PPC，CPU，GPU等)密集型通用信息数据处理模块和高速交换网络组成，具备综合信息数据处理能力和转发能力，通过对处理资源、高速交换网络、通信中间件的灵活配置和功能程序动态加载，可以运行测向定位、信息提取、情报融合和解码等信息数据处理嵌入式功能软件。