一种无线通信综合系统及其实现方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种无线通信综合系统的实现方法。

背景技术：

无线通信系统在国家工业中得到了越来越广泛的应用。目前的各类无线通信系统大多数采用分立式设计实现方法，即由独立的基带设备、射频设备及天线设备组成，并且根据无线系统的功能采用不同的设计手段和实现方法。随着电子信息技术和无线通信技术的发展，综合化的设计方法也主要采用模块化的综合设计方法，如《通信技术》2014年第1期中“基于软件无线电的射频综合一体化设计”一文，提出了采用软件无线电技术的无线通信系统的综合化设计方法。因此，现有无线通信综合系统组成比较庞大，信号及信息处理程序比较复杂，而且信号及信息的综合处理及应用能力较弱，系统的资源及效能没有完全发挥，根据实际需求进行系统快速重构的能力比较弱。

为此需要提供一种能够对多种无线通信信号进行一体化处理的通信系统，以大幅提升无线通信信号及信息的处理能力，并能够根据实际处理需求进行系统的快速重构。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种采用分层式体系架构和基于微内核技术的无线通信综合系统，可以实现对多种无线通信信号的一体化处理，大幅提高基于操作系统的系统资源及信息管理能力，进而提升系统的智能化水平。

本发明公开的无线通信综合系统的实现方法，采用分层式体系架构进行设计，包括任务管理层、功能软件层和物理资源层，所述任务管理层依据外部输入的功能需求，完成系统的任务模式管理、软件调用和物理资源管理功能；所述任务模式对应不同的任务模板，每个任务模板明确了调用的具体功能软件及与所述功能对应的具体参数；所述任务管理层生成任务模板并向所述功能软件层和物理资源层下发，在下发的过程中动态实现对所述物理资源层硬件资源的管理，为软件的运行提供匹配的硬件环境；

所述功能软件层对系统预置的不同功能软件及组件进行管理，依据所述任务管理层下发的任务模板，调用相应的组件进行功能软件的加载，并在不同的硬件环境下运行；

所述物理资源层为所述无线通信综合系统的实现提供物理硬件资源，依据所述任务管理层下发的任务模板，基于嵌入式微内核系统将物理硬件资源进行统一管理与使用，以实现不同功能软件与物理资源之间的关联，为所述功能软件层的运行提供物理平台。

进一步地，所述物理资源层硬件资源包括CPU、RAM、FPGA、DSP、FLASH、IO及硬件模块。

进一步地，所述功能软件层中的功能软件及组件采用组合化的设计方法，包括任务管理软件、系统管理软件和信号处理软件；所述任务管理软件用以完成对所述系统的任务判别及分解管理、任务模板管理和多参数配置管理，所述系统管理软件用以完成对所述系统的状态管理、系统资源管理和信息数据管理，所述信号处理软件用以完成一种或多种无线通信信号的处理；

所述任务管理软件对所述系统管理软件及信号处理软件的执行过程进行控制管理，并通过VPX背板总线实现各类数据的收发。

进一步地，所述任务管理软件包括任务判别及分解管理组件、任务模板管理组件和参数配置管理组件；所述任务判别及分解管理组件进一步包括外部任务指令解析管理组件、任务分解及组件调用管理组件，所述任务模板管理组件进一步包括遥测模板管理组件、外测模板管理组件、卫星导航模板管理组件及全功能模板管理组件，参数配置管理进一步包括系统参数配置管理组件、信号处理参数配置管理组件；

所述系统管理软件包括系统状态管理组件、系统资源管理组件和信息数据管理组件；所述系统状态管理组件进一步包括系统运行状态管理组件、物理硬件工作状态管理组件和任务执行状态管理组件；系统资源管理组件进一步包括时钟管理及分配组件、能源管理及分配组件和处理资源管理及分配组件；信息数据管理组件进一步包括外部交互信息管理组件、系统内部信息管理组件和信号处理数据管理组件；

信号处理软件包括遥测信号处理组件、外测信号处理组件、卫星导航信号处理组件和全功能信号处理组件。

本发明公开的无线通信综合系统，采用分层式体系架构进行设计，包括前台硬件部分和后台软件部分；所述前台硬件部分包括无线综合设备、一体化可重构天线和综合测试设备；所述综合测试设备通过一体化可重构天线将测试指令发送至无线综合设备，无线综合设备将状态数据通过一体化可重构天线发送至综合测试设备；所述前台硬件部分依据外部指令，通过调用所述后台软件部分实现无线通信功能。

进一步地，所述无线综合设备和综合测试设备采用相同的硬件架构；所述无线综合设备包括基带信号及信息处理模块、射频信号处理模块和VPX背板，所述综合测试设备包括通用综合基带测试模块、通用综合射频测试模块和VPX背板。

进一步地，所述基带信号及信息处理模块包括任务及信息管理单元、基带信号处理单元、数字化宽带信道处理单元、电源及时钟管理单元和总线接口单元；所述任务及信息管理单元用于完成系统任务、物理资源、信息等的综合化管理，一方面，依据外部指令，完成系统任务模板的生成，并将任务模板及配置参数下发到基带信号处理单元；另一方面，将接收到的状态参数、处理数据等内容通过总线接口单元上报至外部系统；所述基带信号处理单元依据任务模板及配置参数，完成一种或多种无线通信信号的一体化基带处理，同时将前端配置参数下发至数字化宽带信道处理单元及信道选择及开关矩阵；所述数字化宽带信道处理单元用以完成对数字化宽带的信道处理；

所述射频信号处理模块包括信道选择及开关矩阵、信道滤波及放大单元、电源及时钟管理单元和总线接口单元；所述信道选择及开关矩阵单元通过接收前端参数配置指令，完成多路射频信道前端收发的选择及开关控制，并将所述射频信号处理模块的状态参数上报给基带信号处理单元；所述信道滤波及放大单元用以对多路射频前端收发信号进行滤波和放大；

在所述基带信号及信息处理模块或射频信号处理模块中，所述电源及时钟管理单元，用以为所述硬件模块的其他单元提供供电及时钟；所述总线接口单元用以完成对所述无线通信综合系统外部和内部的通信；所述VPX背板通过总线接口单元为所述无线通信综合系统中相关的模块、板卡提供电源、信号及信息的交互通道。

进一步地，所述通用综合基带测试模块包括任务及信息管理单元、基带信号处理单元、数字化宽带信道处理单元、电源及时钟管理单元和总线接口单元；所述任务及信息管理单元用于完成系统任务、物理资源、信息等的综合化管理，一方面，依据外部指令，完成系统任务模板的生成，并将任务模板及配置参数下发到基带信号处理单元；另一方面，将接收到的状态参数、处理数据等内容通过总线接口单元上报至外部系统；所述基带信号处理单元依据任务模板及配置参数，完成一种或多种无线通信信号的一体化基带处理，同时将前端配置参数下发至数字化宽带信道处理单元及信道选择及开关矩阵；所述数字化宽带信道处理单元用以完成对数字化宽带的信道处理；

所述通用综合射频测试模块包括信道选择及开关矩阵、信道滤波及放大单元、电源及时钟管理单元和总线接口单元；所述信道选择及开关矩阵单元通过接收前端参数配置指令，完成多路射频信道前端收发的选择及开关控制，并将所述射频信号处理模块的状态参数上报给基带信号处理单元；所述信道滤波及放大单元用以对多路射频前端收发信号进行滤波和放大；

在所述通用综合基带测试模块或通用综合射频测试模块中，所述电源及时钟管理单元，用以为所述硬件模块的其他单元提供供电及时钟；所述总线接口单元用以完成对所述无线通信综合系统外部和内部的通讯；所述VPX背板通过总线接口单元为所述无线通信综合系统中相关的模块、板卡提供电源、信号及信息的交互通道。

进一步地，所述后台软件部分包括各类功能软件及组件，所述功能软件及组件采用组合化的设计方法，包括任务管理软件、系统管理软件和信号处理软件；所述任务管理软件用以完成对所述系统的任务判别及分解管理、任务模板管理和多参数配置管理，所述系统管理软件用以完成对所述系统的状态管理、系统资源管理和信息数据管理，所述信号处理软件用以完成多种无线通信信号的处理；所述任务管理软件对所述系统管理软件及信号处理软件的执行过程进行控制管理，并通过VPX背板总线实现各类数据的收发。

进一步地，所述任务管理软件包括任务判别及分解管理组件、任务模板管理组件和参数配置管理组件；所述任务判别及分解管理组件进一步包括外部任务指令解析管理组件、任务分解及组件调用管理组件，所述任务模板管理组件进一步包括遥测模板管理组件、外测模板管理组件、卫星导航模板管理组件及全功能模板管理组件，参数配置管理进一步包括系统参数配置管理组件、信号处理参数配置管理组件；

所述系统管理软件包括系统状态管理组件、系统资源管理组件和信息数据管理组件；所述系统状态管理组件进一步包括系统运行状态管理组件、物理硬件工作状态管理组件和任务执行状态管理组件；系统资源管理组件进一步包括时钟管理及分配组件、能源管理及分配组件和处理资源管理及分配组件；信息数据管理组件进一步包括外部交互信息管理组件、系统内部信息管理组件、信号处理数据管理组件；

所述信号处理软件包括遥测信号处理组件、外测信号处理组件、卫星导航信号处理组件和全功能信号处理组件。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明公开的无线通信综合系统，采用分层式体系架构，包括任务管理层、功能软件层和物理资源层，将复杂系统的信号及信息处理过程清晰化，有利于快速、准确地确定系统的工作过程、资源构成及软硬件之间的关联关系，有效提高了系统的工作效能；

(2)本发明公开的无线通信综合系统，基于微内核操作系统技术及软件无线电处理技术，将包括卫星导航、遥测、外测等多种类型的无线通信信号进行一体化综合处理，实现从射频处理到基带处理的硬件平台通用化、软件参数可配置、系统功能可重构等能力，能够构建从信号处理到信息管理的智能化处理系统；

(3)本发明公开的无线通信综合系统，基于嵌入式微内核系统将包括CPU、FPGA、DSP、FLASH、IO及硬件模块等进行统一管理与使用，各功能软件采用组合化的设计方法，有效简化了现有的无线通信综合系统的组成，有利于系统的资源及效能得以完全发挥；

(4)本发明公开的无线通信综合系统，采用一体化的设计思路，通过综合化软件平台和通用化硬件平台实现对系统信号及信息的综合化处理，有利于提高系统功能的快速重构，进而提高系统的智能化水平；

(5)本发明公开的无线通信综合系统，前台硬件部分包括的无线综合设备和综合测试设备采用相同的硬件架构，有效提高了系统的通用化和模块化水平。

附图说明

图1是本发明的无线通信综合系统实现的体系架构示意图；

图2是本发明的无线通信综合系统的前台硬件部分组成示意图；

图3是本发明的无线通信综合系统的后台软件部分组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明要求保护的范围。

如图1所示，为本发明的无线通信综合系统体系架构示意图，整个系统分为任务管理层、功能软件层和物理资源层。任务管理层主要依据外部输入的功能需求，完成系统的任务模式管理、物理资源管理和软件调用功能。任务模式对应不同的任务模板，每个任务模板明确了调用的具体功能软件及对应功能的具体参数。同时，在进行任务模板生成及下发的过程中，动态的实现对物理资源层硬件资源的管理，确保为软件的运行提供匹配的硬件环境；

功能软件层主要实现对系统预置的不同功能软件及组件的管理。每一种功能软件由一个或多个功能组件组成，存储在不同的FLASH和RAM中。当功能软件层收到任务管理层下发的任务模板后，则依据任务需求及功能软件的逻辑关系，调用相应的组件进行系统功能软件的加载，并在相应的硬件环境下运行；

物理资源层主要指构成无线通信综合系统的物理硬件资源，包括各类硬件及其之间的连接关系，并基于嵌入式微内核系统将CPU、RAM、FPGA、DSP、FLASH、IO及硬件模块等进行统一管理与使用，实现不同功能软件与物理资源之间的关联，为功能软件的运行提供物理平台。

如图2所示，无线通信综合系统的前台硬件部分包括无线综合设备、一体化可重构天线和综合测试设备。无线综合设备为可应用于不同平台上的载荷类设备，综合测试设备是对无线综合设备进行功能指标验证的专用测试设备，一体化可重构天线既可作为载荷安装于该平台，也可作为地面测试设备使用，用来实现无线电磁信号的收发。综合测试设备通过一体化可重构天线将测试指令发送至无线综合设备，无线综合设备将状态数据通过一体化可重构天线发送至综合测试设备。

无线综合设备和综合测试设备采用基本相同的硬件架构，以实现通用化和模块化设计。无线综合设备包括基带信号及信息处理模块、射频信号处理模块和VPX背板；综合测试设备包括通用综合基带测试模块、通用综合射频测试模块和VPX背板。其中，基带信号及信息处理模块或通用综合基带测试模块包括任务及信息管理单元、基带信号处理单元、数字化宽带信道处理单元、电源及时钟管理单元、总线接口单元；射频信号处理模块或通用综合射频测试模块包括信道选择及开关矩阵单元、信道滤波及放大单元、电源及时钟管理单元、总线接口单元。

图中的箭头方向标识了模块间的信号、信息及数据流向。

a)任务及信息管理单元主要完成系统任务、物理资源、信息等的综合化管理。一方面，依据外部指令，完成系统任务模板的生成，并将任务模板及配置参数下发到基带信号处理单元；另一方面，将接收到的状态参数、处理数据等内容通过总线接口单元上报至外部系统。

b)基带信号处理单元依据任务模板及配置参数，完成遥测、外测、卫星导航等多种信号的基带处理，同时将前端配置参数下发至数字化宽带信道处理单元及信道选择及开关矩阵。

c)数字化宽带信道处理单元通过多个捷变收发器和高速ADC/DAC，完成宽带的信道处理，处理过程包括上下变频、滤波和模数/数模变换。

d)信道选择及开关矩阵单元通过接收前端参数配置指令，完成一个或多个射频信道前端收发的选择及开关控制，并将射频信号处理模块的状态参数上报给基带信号处理单元。

e)信道滤波及放大单元主要由低噪放、功放及滤波器构成，完成多路射频前端收发信号的滤波及放大功能。

f)电源及时钟管理单元为多个硬件单元提供系统供电及时钟。

g)总线接口单元完成系统对外部系统的SRIO、以太网、RS232接口互联以及系统内部的差分信号互联等。

h)VPX背板通过总线接口单元为系统中相关的模块、板卡提供电源、信号及信息的交互通道。

一体化可重构天线为集成多种频段电磁信号收发功能的可重构集成天线，具备极化可重构、频率可重构及方向图可重构的能力。

如图3所示，系统的后台软件部分采用组件化的设计方法，包括任务管理软件、系统管理软件和信号处理软件；所述任务管理软件用以完成对所述系统的任务判别及分解管理、任务模板管理和多参数配置管理，所述系统管理软件用以完成对所述系统的状态管理、系统资源管理和信息数据管理，所述信号处理软件用以完成包括遥测、外测、卫星导航在内的一种或多种信号的处理；任务管理软件对所述系统管理软件及信号处理软件的执行过程进行控制管理，并通过VPX背板总线实现各类数据的收发；

任务管理软件包括任务判别及分解管理组件、任务模板管理组件和参数配置管理组件；所述任务判别及分解管理组件进一步包括外部任务指令解析管理组件、任务分解和组件调用管理组件，所述任务模板管理组件进一步包括遥测模板管理组件、外测模板管理组件、卫星导航模板管理组件和全功能模板管理组件，参数配置管理进一步包括系统参数配置管理组件、信号处理参数配置管理组件；

系统管理软件包括系统状态管理组件、系统资源管理组件和信息数据管理组件；所述系统状态管理组件进一步包括系统运行状态管理组件、物理硬件工作状态管理组件和任务执行状态管理组件；系统资源管理组件进一步包括时钟管理及分配组件、能源管理及分配组件和处理资源管理及分配组件；信息数据管理组件进一步包括外部交互信息管理组件、系统内部信息管理组件和信号处理数据管理组件；

信号处理软件包括遥测信号处理组件、外测信号处理组件、卫星导航信号处理组件、全功能信号处理组件。

上面结合附图和实施例对本发明进行了详细描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要采用了本发明的构思和技术方案进行的非实质性改进，或者未经改进，将本发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围内。