基于SOPC的分布式干擾系統(tǒng)嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

摘要：分布式干擾是對抗現(xiàn)代雷達(dá)網(wǎng)、通信網(wǎng)、武器制導(dǎo)網(wǎng)和預(yù)警機(jī)的有效手段，網(wǎng)絡(luò)是分布式干擾系統(tǒng)發(fā)揮作戰(zhàn)性能的重要保證。為了解決分布式干擾系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信的需求，設(shè)計(jì)了基于FPGA且具有網(wǎng)絡(luò)通信功能的SoPC，開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該SoPC可實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)和偵察信號(hào)時(shí)域、頻域數(shù)據(jù)的高速傳輸，且具有體積小，靈活，成本低，功耗小的特點(diǎn)，可滿足分布式干擾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：分布式干擾；嵌入式網(wǎng)絡(luò)；FPGA；SoPC

0 引言
分布式干擾系統(tǒng)是一種綜合化、一體化、小型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化系統(tǒng)，是將眾多體積小，重量輕，廉價(jià)的小功率偵察干擾機(jī)裝置在易于投放的小型平臺(tái)上，撒布在接近被干擾目標(biāo)空域地，通過指令啟動(dòng)，自主組網(wǎng)，并根據(jù)控制對敵方雷達(dá)網(wǎng)、通信網(wǎng)、制導(dǎo)網(wǎng)和預(yù)警機(jī)等電子信息系統(tǒng)實(shí)施接近式偵察和干擾，這將在未來的電子對抗中發(fā)揮重要作用。分布式干擾系統(tǒng)采用逼近的分布式網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)，形成一種“面對面”的電子戰(zhàn)系統(tǒng)，共同完成對敵信號(hào)的探測、定位、干擾任務(wù)。因此，嵌入式網(wǎng)關(guān)是分布式干擾系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前國內(nèi)對分布式干擾系統(tǒng)的研究還停留在理論基礎(chǔ)上，而對其關(guān)鍵技術(shù)的研究不多。本文首次在現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable GateArray，F(xiàn)PGA)上設(shè)計(jì)了應(yīng)用于分布式干擾系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的可編程片上系統(tǒng)(System on a Programmable Chip，SoPC)，開發(fā)了簡化的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，研究了分布式干擾系統(tǒng)中的嵌入式網(wǎng)關(guān)技術(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的SoPC在滿足分布式干擾系統(tǒng)要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了控制參數(shù)和偵察信號(hào)時(shí)域、頻域數(shù)據(jù)的高速傳輸。

1 分布式干擾系統(tǒng)對嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的要求
根據(jù)分布式干擾系統(tǒng)的作戰(zhàn)運(yùn)用背景，在設(shè)計(jì)嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)時(shí)應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮：
(1)微型化。嵌入式網(wǎng)關(guān)應(yīng)該在體積上足夠小，保證分布式干擾系統(tǒng)的小型化。
(2)擴(kuò)展性和靈活性。分布式干擾系統(tǒng)需要定義統(tǒng)一、完整的外部接口，方便軟硬件系統(tǒng)的升級(jí)，其嵌入式網(wǎng)關(guān)也應(yīng)具有擴(kuò)展性和靈活性，可以根據(jù)作戰(zhàn)環(huán)境的需要進(jìn)行升級(jí)。
(3)穩(wěn)定性和安全性。穩(wěn)定性要求嵌入式網(wǎng)關(guān)能夠在給定的外部環(huán)境變化范圍內(nèi)正常工作。安全性設(shè)計(jì)包括代碼安全和通信安全，是軍事領(lǐng)域應(yīng)用的基本要求。
(4)低成本。分布式干擾系統(tǒng)的作戰(zhàn)應(yīng)用表明，系統(tǒng)是大量部署且不能回收的，因此就要嚴(yán)格限制包括嵌入式網(wǎng)關(guān)在內(nèi)的重要部件的成本。
(5)低功耗。嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)直接決定了其能耗水平，還決定了各種軟件通過優(yōu)化可能達(dá)到的最低能耗水平。因此，要合理地設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)，有效降低系統(tǒng)能耗。
(6)具有一定的信號(hào)預(yù)處理能力。嵌入式系統(tǒng)中微處理器的處理能力較弱，且內(nèi)存較小，嵌入式網(wǎng)絡(luò)的速度普遍不高。這就要求嵌入式網(wǎng)關(guān)具有一定的信號(hào)預(yù)處理能力，包括下變頻功能和FFT變換功能，以此來提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男省?br />
2 分布式干擾系統(tǒng)中嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)
嵌入式網(wǎng)關(guān)實(shí)際上就是一個(gè)可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能的嵌入式系統(tǒng)。隨著FPGA技術(shù)的迅速發(fā)展，SoPC作為一種特殊的嵌入式系統(tǒng)，具備軟硬件在系統(tǒng)可編程、可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)的功能，已逐漸成為一個(gè)新興的技術(shù)方向。因此，本文在設(shè)計(jì)分布式干擾系統(tǒng)的嵌入式網(wǎng)關(guān)時(shí)選用基于FPGA的SoPC解決方案，選用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為Xilinx公司的ML402開發(fā)平臺(tái)。
2．1 分布式干擾系統(tǒng)中嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件組成
圖1表示的是分布式干擾系統(tǒng)中嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件組成，這些硬件除A／D、干擾機(jī)和控制中心外都集成在一塊ML402評估板上。系統(tǒng)以帶有32位MicroBlaze微處理器軟核的FPGA作為控制中心，處理經(jīng)A／D變換后的偵察信號(hào)數(shù)據(jù)，然后通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到控制中心，并從控制中心傳回控制參數(shù)。DDR_SDRAM作為片外存儲(chǔ)器，用來彌補(bǔ)微處理器內(nèi)部存儲(chǔ)器容量小的缺點(diǎn)；CF卡存儲(chǔ)系統(tǒng)軟硬件的bit文件和網(wǎng)絡(luò)配置文件；串口用來控制具有遠(yuǎn)程控制功能的偵察接收機(jī)，也可在調(diào)試時(shí)輸出系統(tǒng)的運(yùn)行信息。本文設(shè)計(jì)的嵌入式網(wǎng)關(guān)的各功能部件在FPGA內(nèi)部都以IP核的形式構(gòu)建并連接，較好地滿足了分布式干擾系統(tǒng)對嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)的要求。