一种多通道设备以及基于时分资源的多波形实现方法与流程

1.本发明涉及但不限于航空无线电综合一体化技术领域，尤指一种多通道设备以及基于时分资源的多波形实现方法。


背景技术：

2.综合无线电一体化技术是航电系统的一个未来发展的一个重要方向，在综合无线电框架中，综合无线电一体化技术可以降低设备与无线电波形的耦合度，减少设备使用的数量，方便设备的量产，提升航电系统稳定性。
3.现有的航空综合设备主要是针对波形对设备的耦合性上的改进，例如每个波形运行在一个通用的模块设备上，或者，多个波形运行在一个模块设备上，然而，公用一个数模设备的情况较少。


技术实现要素：

4.本发明的目的：本发明实施例提供了一种多通道设备以及基于时分资源的多波形实现方法，基于多通道设备可以实现让所应用系统充分利用时频空间及频谱资源的目的，为航空综合无线电提供更加有效的综合方案。
5.本发明的技术方案：本发明实施例提供一种多通道设备，包括：时分频谱资源分析模块、通用数模转换分配模块和算法逻辑资源调度模块；
6.其中，所述时分频谱资源分析模块，用于根据所应用系统中波形在时域空间和频域空间的占用情况，动态的将波形分为多组，分组得到的波形组的数量小于或等于所述多通道设备的射频通道数量；
7.所述通用数模转换分配模块，用于实时的接收时分频谱资源分析模块动态产生的波形分组结果，根据各波形组的中心频点将各波形组分配到对应的数模转换通道上进行转换，并对多通道设备进行射频通道设置；
8.所述算法逻辑资源调度模块，用于根据根据波形分组结果和时域占用情况对各波形组分配cpu内核资源和fpga逻辑资源，并通过cpu和fpga将数字波形引入到多通道设备的对应射频通道上。
9.可选地，如上所述的多通道设备中，
10.所述时分频谱资源分析模块动态的将波形分为多组，包括：
11.基于预先统计的多通道设备的射频通道数量，根据波形特征依次对波形中的所有脉冲波形和时分波形进行时域检测，并根据波形时域占用分析结果进行初级分组；
12.在初级分组得到的波形组数量大于射频通道数量时，分析每个波形组占用的频段资源，基于每个波形组占用的频段资源进行第二次分组。
13.可选地，如上所述的多通道设备中，
14.所述第二次分组的方式为：
15.对每个波形组的中心频点及频段带宽进行分析，若两个波形组占用的频段资源不
相互干扰，且频段带宽间距小于带宽阈值，进行两组合并，合并后形成的波形组的频段带宽为两组中心频点之差加上原有带宽的1/2。
16.可选地，如上所述的多通道设备中，
17.所述通用数模转换分配模块对多通道设备进行射频通道设置，包括：设置射频通道的数模转换速率、中心频点、通道频谱带宽及滤波特性。
18.可选地，如上所述的多通道设备中，
19.所述通用数模转换分配模块对多通道设备进行射频通道设置，还包括：
20.当射频通道中分配的是脉冲波形组，根据不同的时域间隔进行转换，全频段内不进行滤波特性处理；
21.当射频通道中分配的波形组中包括：时分波形的组合，或，连续波形的组合，或时分波形和连续波形的组合，则根据波形组的频段进行滤波设置，并根据波形组对于转换速率的要求，取波形组内所有波形的最小公倍数进行数模转换设置。
22.可选地，如上所述的多通道设备中，
23.所述算法逻辑资源调度模块，还用于实时监控每个波形组对所分配的cpu内核资源和fpga逻辑资源的使用情况，根据资源使用情况动态调整每个波形组所分配的cpu内核资源和fpga逻辑资源。
24.本发明实施例还提供一种基于时分资源的多波形实现方法，采用如上述任一项所述的多通道设备执行基于时分资源的多波形实现方法，所述多波形实现方法包括：
25.步骤1，波形提交频谱特性及逻辑资源占用线程资源空间，所述频谱特性中心频点、波形特性，占用带宽、数模转换速率要求、滤波器特性等；
26.步骤2，采用时分频谱资源分析模块基于多通道设备的射频通道数量，根据波形特征依次对波形中的所有脉冲波形和时分波形进行时域检测，并根据波形时域占用分析结果进行初级分组；
27.步骤3，在初级分组得到的波形组数量大于射频通道数量时，分析每个波形组占用的频段资源，基于每个波形组占用的频段资源进行第二次分组；
28.步骤4，采用通用数模转换分配模块根据动态产生的波形分组结果，根据各波形组的中心频点将各波形组分配到对应的数模转换通道上进行转换，并对多通道设备进行射频通道设置；
29.步骤5，采用算法逻辑资源调度模块根据根据波形分组结果和时域占用情况，对各波形组分配cpu内核资源和fpga逻辑资源，将波形组内各波形加载到所分配的cpu内核资源和fpga逻辑资源上，并通过驻留在cpu和fpga中的内部交换单元将数字波形引入到对应的射频通道上。
30.可选地，如上所述的基于时分资源的多波形实现方法中，还包括：
31.步骤6，采用算法逻辑资源调度模块实时监控每个波形组对所分配的cpu内核资源和fpga逻辑资源的使用情况，根据资源使用情况动态调整每个波形组所分配的cpu内核资源和fpga逻辑资源。
32.可选地，如上所述的基于时分资源的多波形实现方法中，所述步骤3中进行第二次分组包括：
33.对每个波形组的中心频点及频段带宽进行分析，若两个波形组占用的频段资源不
相互干扰，且频段带宽间距小于带宽阈值，进行两组合并，合并后形成的波形组的频段带宽为两组中心频点之差加上原有带宽的1/2。。
34.本发明的有益效果：本发明实施例提供了一种多通道设备以及基于时分资源的多波形实现方法，通过时分频谱资源分析模块根据所应用系统中波形在时域空间和频域空间的占用情况，动态的将波形分为多组；通过通用数模转换分配模块基于各波形组的中心频点将各波形组分配到对应的数模转换通道上进行转换，并对多通道设备进行射频通道设置；并且通过算法逻辑资源调度模块基于波形分组结果和时域占用情况对各波形组分配cpu内核资源和fpga逻辑资源，并通过cpu和fpga将数字波形引入到多通道设备的对应射频通道上。本发明实施例提供的多通道设备以及采用该设备执行的基于时分资源的多波形实现方法具有以下有益效果：
35.(1)，提供了根据波形的时频特性的动态分组机制，充分的利用波形的时频空间特性，将多个波形在数字部分进行融合问题，降低了所应用系统对于射频通道的使用数量，并且降低了多通道设备的功耗及运行稳定度；
36.(2)，提供了射频通道的动态分配机制，根据每个波形组的波形特征动态的配置多通道设备中每个射频通道的带宽、转换速率和中心频点位置等，最大限度的降低了波形组对于射频通道的耦合度；
37.(3)，提供了逻辑资源动态调整机制，通过实时的监控每个波形组对于逻辑资源的使用情况，包含cpu内核资源及fpga逻辑资源，动态的监控每个波形组对于资源的使用情况，并且基于实际资源使用情况动态调整资源分配。
附图说明
38.附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本技术的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
39.图1为采用本发明实施例提供的多通道设备执行时分资源的多波形实现方法的原理示意图；
40.图2为采用本发明实施例提供的多通道设备执行波形分组的流程示意图；
41.图3为采用本发明实施例提供的多通道设备执行多波形射频资源分配的原理示意图；
42.图4为采用本发明实施例提供的多通道设备执行多波形逻辑资源调度的原理示意图。
具体实施方式
43.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
44.上述背景技术中已经说明，综合无线电一体化波技术的重要作用和以及，即可以降低设备与无线电波形的耦合度，减少设备使用的数量，方便设备的量产，提升航电系统稳定性。并且说明目前航空综合设备的主要改进方向是针对波形对设备的耦合性上的改进。
45.目前的多波形实现方案主要目的是为了增加设备上波形的利用率，可以根据所应
用系统的无线电设备情况，通过时空资源及频谱资源，动态的分配的加载不同的波形到相应的通道上。
46.近年来，在综合一体化波形上有了很大进步，综合多通道一体化设备有助于提升航空航电性能，提升波形对设备的利用效率及设备可靠性在国内外都是一个具有重要意义的研究课题。
47.针对多波形实现方案的目的，本发明实施例提供了一种多通道设备以及基于时分资源的多波形实现方法，是一种基于时频空间资源、时频转换资源(数模转换)、时频算法资源统筹空间空间频谱的波形实现方案；本发明实施例提供的技术方案基于多通道通用设备可以达到让所应用系统充分利用时频空间及频谱资源的目的，为航空综合无线电提供更加有效的综合方案。
48.本发明提供以下几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
49.图1为采用本发明实施例提供的多通道设备执行时分资源的多波形实现方法的原理示意图。本发明实施例提供的技术方案是一种基于时频空间资源、时频转换资源(数模转换)、时频算法资源统筹空间频谱的方案，该方案在原有分离设备及现有综合化设备的基础上，在目前航电综合无线电航电架构下，将各种航空无线电波形通过时频空间复用，降低算法资源的使用率及数模转换单元数量，利用频谱叠加及空间复用的技术。主要应用于航空综合无线电波形综合处理领域。
50.本发明实施例提供一种多通道设备，具体为一种基于综合无线电一体化的多通道设备，包括：时分频谱资源分析模块、通用数模转换分配模块和算法逻辑资源调度模块。
51.本发明实施例提供的多通道设备应用于综合无线电一体化系统中，所应用系统需要具备时频资源分析能力。本发明实施例中的时分频谱资源分析模块，用于根据所应用系统中波形在时域空间和频域空间的占用情况，动态的将波形分为多组，分组得到的波形组的数量小于或等于所述多通道设备的射频通道数量。
52.本发明实施例中的通用数模转换分配模块，用于实时的接收时分频谱资源分析模块动态产生的波形分组结果，根据各波形组的中心频点将各波形组分配到对应的数模转换通道上进行转换，并对多通道设备进行射频通道设置。
53.该数模转换分配模块在实现中，一方面，将波形分组分配到该模块的对应的数模转换通道上进行数模转换处理，另一方面，通过设置射频通道，将每个波形组对应一个射频通道。需要说明的是，每个波形组对应多通道设备的一个射频通道，但是可能分配1个或多个数模转换模块，即对1个波形组的射频处理是通过1个射频通道处理的，对1个波形组的数模转换处理可能需要多个数模转换通道的结合处理。
54.本发明实施例中的算法逻辑资源调度模块，用于根据根据波形分组结果和时域占用情况对各波形组分配cpu内核资源和fpga逻辑资源，并通过cpu和fpga将数字波形引入到多通道设备的对应射频通道上。
55.在本发明实施例中，所应用系统确定后，系统的波形也确定，例如所应用系统所提供的波形数量、波形类型(包括脉冲波形、时分波形、连续波形等)，以及各波形的时频特征。另外，多通道设备的射频通道数量可以是预先统计的，该射频通道数量即可以本设备可以支持的最大波形组数量，例如多通道设备的通道数量为n，n为正整数。
56.以下对多通道设备中上述模块的功能实现方式进行具体说明。
57.(1)时分频谱资源分析模块的主要功能是动态分组，即将系统的波形分为多各波形组；
58.图2为采用本发明实施例提供的多通道设备执行波形分组的流程示意图。时分频谱资源分析模块具体分组方式为：
59.基于预先统计的多通道设备的射频通道数量，首先根据波形特征依次对所有脉冲波形和时分波形中进行时域检测，因为波形特性，时域上有很大的空间可以利用；即可以根据波形时域占用分析结果进行初级分组。在初级分组过程中，具体对波形中的脉冲波形和时分波形进行分组，连续波形不参与分组。举例来说，若波形中包括脉冲波形、时分波形、连续波形；则初级分组结果的波形组的分组结果包括：多个脉冲波形分为一个波形组，多个时分波形分为一个波形组，脉冲波形和时分波形分为一个波形组，每个连续波形为一个波形组。
60.需要说明的是，基于所应用系统不同，系统中的波形也可以仅包括脉冲波形和连续波形；或者，仅包括时分波形和连续波形。初级分组的目标就是在时域上的分组。另外，波形中还可能包括突发波形，初级分组也可以对突发波形进行分组。
61.初级分组完成后，对比初级分组后的波形组数量与射频通道数量，具有以下情况：
62.(a)在初级分组得到的波形组数量小于或等于射频通道数量时，完成分组，初级分组得到的波形组即作为送入通用数模转换分配模块进行转换处理的波形组；
63.(b)在初级分组得到的波形组数量大于射频通道数量时，无法将每个波形组对应到1个视频通道中，此时，还需要进一步对初级分组后的波形组进行二次分组，二次分组的实施方式为：分析每个波形组占用的频段资源，基于每各波形组占用的频段资源进行第二次分组。
64.需要说明的是，二次分组主要是针对连续波形，对连续波形进行频域分析，因为波形特性在频域上占用带宽有限，进行数字综合分析。，
65.在本发明实施例中，二次分组的具体实现方式为：对每个波形组的中心频点及频段带宽进行分析，若两个波形组占用的频段资源不相互干扰，且频段带宽间距小于带宽阈值，进行两组合并，合并后形成的波形组的频段带宽为两组中心频点之差加上原有带宽的1/2。
66.在完成分组后，将动态分组得到的波形分组结果分配给通用数据转换分配模块
67.(2)通用数模转换分配模块的主要功能是对各个波形组进行数模转换，以及设置设备的射频通道参数；
68.图3为采用本发明实施例提供的多通道设备执行多波形射频资源分配的原理示意图；该通用数模转换分配模块，可以实时接收时分频谱资源分析模块动态的产生波形分组结果；该模块执行的两个功能为：
69.a)，根据各波形组的中心频点将各波形组分配到对应的数模转换通道上进行数模转换；
70.b)，对多通道设备进行射频通道设置，例如设置射频通道的数模转换速率、中心频点、通道频谱带宽及滤波特性等；针对突发脉冲波形及时分波形，进行不同形式的通道设置：
71.当射频通道中分配的是脉冲波形组，根据不同的时域间隔进行转换，全频段内不进行滤波特性处理；
72.当射频通道中分配的波形组中包括：时分波形的组合，或，连续波形的组合，或时分波形和连续波形的组合，则根据波形组的频段进行滤波设置，并根据波形组对于转换速率的要求，取波形组内所有波形的最小公倍数进行数模转换设置。
73.(3)算法逻辑资源调度模块的主要功能是分配逻辑资源；
74.图4为采用本发明实施例提供的多通道设备执行多波形逻辑资源调度的原理示意图。算法逻辑资源调度模块，根据根据波形分组结果和时域占用情况对各波形组分配cpu内核资源和fpga逻辑资源，即将各波形组对应到相应的cpu内核资源和fpga逻辑资源中，随后，通过驻留在cpu和fpga中的内部交换单元将数字波形引入到多通道设备的对应射频通道上。
75.需要说明的是，本发明实施例中波形组的资源分配情况是根据波形组的实际空间占用情况确定的，包含：波形的占空比，频段带宽及检测响应网络节点数量；例如，占空比越少占用逻辑资源越少，频段越窄，检测数量响应数量越少对应的占用资源越少。
76.另外，该算法逻辑资源调度模块还具有实时监控波形组使用资源的功能，可以基于实时监控到的资源使用情况进行动态分配调整。具体实现中，实时监控每个波形组对所分配的cpu内核资源和fpga逻辑资源的使用情况，根据资源使用情况动态调整每个波形组所分配的cpu内核资源和fpga逻辑资源，还可以记录波形组的最大使用资源情况。
77.基于本发明上述实施例提供的多通道设备，本发明实施例还提供一种基于时分资源的多波形实现方法，由本发明上述实施例提供的基于综合无线电一体化的多通道设备执行基于时分资源的多波形实现方法，具体包括如下实施步骤：
78.步骤1，波形提交频谱特性及逻辑资源占用线程资源空间，所述频谱特性中心频点、波形特性，占用带宽、数模转换速率要求、滤波器特性等；
79.步骤2，采用时分频谱资源分析模块基于多通道设备的射频通道数量，根据波形特征依次对波形中的所有脉冲波形和时分波形进行时域检测，并根据波形时域占用分析结果进行初级分组；
80.步骤3，在初级分组得到的波形组数量大于射频通道数量时，分析每个波形组占用的频段资源，基于每个波形组占用的频段资源进行第二次分组；
81.该步骤中第二次分组的实施方式为：
82.对每个波形组的中心频点及频段带宽进行分析，若两个波形组占用的频段资源不相互干扰，且频段带宽间距小于带宽阈值，进行两组合并，合并后形成的波形组的频段带宽为两组中心频点之差加上原有带宽的1/2。
83.步骤4，采用通用数模转换分配模块根据动态产生的波形分组结果，根据各波形组的中心频点将各波形组分配到对应的数模转换通道上进行转换，并对多通道设备进行射频通道设置；
84.步骤5，采用算法逻辑资源调度模块根据根据波形分组结果和时域占用情况，对各波形组分配cpu内核资源和fpga逻辑资源，将波形组内各波形加载到所分配的cpu内核资源和fpga逻辑资源上，并通过驻留在cpu和fpga中的内部交换单元将数字波形引入到对应的射频通道上。
85.进一步地，还包括：
86.步骤6，采用算法逻辑资源调度模块实时监控每个波形组对所分配的cpu内核资源和fpga逻辑资源的使用情况，根据资源使用情况动态调整每个波形组所分配的cpu内核资源和fpga逻辑资源。
87.本发明实施例提供的多通道设备，通过时分频谱资源分析模块根据所应用系统中波形在时域空间和频域空间的占用情况，动态的将波形分为多组；通过通用数模转换分配模块基于各波形组的中心频点将各波形组分配到对应的数模转换通道上进行转换，并对多通道设备进行射频通道设置；并且通过算法逻辑资源调度模块基于波形分组结果和时域占用情况对各波形组分配cpu内核资源和fpga逻辑资源，并通过cpu和fpga将数字波形引入到多通道设备的对应射频通道上。本发明实施例提供的多通道设备以及采用该设备执行的基于时分资源的多波形实现方法具有以下有益效果：
88.(1)，提供了根据波形的时频特性的动态分组机制，充分的利用波形的时频空间特性，将多个波形在数字部分进行融合问题，降低了所应用系统对于射频通道的使用数量，并且降低了多通道设备的功耗及运行稳定度；
89.(2)，提供了射频通道的动态分配机制，根据每个波形组的波形特征动态的配置多通道设备中每个射频通道的带宽、转换速率和中心频点位置等，最大限度的降低了波形组对于射频通道的耦合度；
90.(3)，提供了逻辑资源动态调整机制，通过实时的监控每个波形组对于逻辑资源的使用情况，包含cpu内核资源及fpga逻辑资源，动态的监控每个波形组对于资源的使用情况，并且基于实际资源使用情况动态调整资源分配。
91.以下通过一个具体实施例对本发明实施例提供的多通道设备以及基于时分资源的多波形实现方法的具体实施方式进行示意性说明。
92.参照图1到图4所示。
93.该具体实施例提供的多通道设备为基于航电综合无线电一体化的多通道设备，主要根据波形时频特性将航电系统内无线电分组综合到不同的射频通道上，该多通道设备中包括时分频谱资源分析模块、通用数模转换分配模块和算法逻辑资源调度模块。该多通道设备所应用的系统中的波形可以包括：突发波形、脉冲波形、时分波形和连续波形。
94.以下对各模块所实现的功能进行详细说明。
95.(1)时分频谱资源分析模块：
96.为了实现所应用系统内无线电波形的合理分组，波形需要提供本身波形的波形特征和配置文件，波形特征包含中心频点、波形带宽、滤波特性、脉冲、突发等调制方式，配置文件中包含默认初始状态，波形通道等配置参数。
97.时分频谱资源分析模块，首先指定零点时刻，将每个突发波形、脉冲波形和时分波形根据占空比及动态退避算法打入到相应时刻上，形成时分多波形利用图，初步进行划分出多个波形组；对于连续波形单独分组，如果初级分组后的波形组数量大于多通道设备的射频通道数量，对于连续波形进行分组，首先根据波形的中心频点计算出相近的两个波形，合并后波形组带宽为中心频点之差加上1/2带宽；如果合并后带宽小于设备通道进行频域合并分组。
98.(2)通用数模转换分配模块：
99.根据波形分组结果，一方面，根据各波形组的中心频点将各波形组分配到对应的数模转换通道上进行转换；
100.另一方面，设置射频通道参数，包括配置如下参数：通用数模转换模块计算出每个波形组的最小转换速率，最小转换速率根据波形特性计算，连续波形的最小转换速率根据合并后波形最大带宽的计算。突发波形和脉冲波形为波形组内每个波形转换速率的最小公倍数。配置完成射频通道的数模转换速率，根据波形标识动态的配置中心频点，突发波形和脉冲波形根据时间动态的调整中心频点，连续波形根据合并后的中心频点进行配置。滤波器特性，连续波形为合并后的带宽滤波器特性最大带宽设置，脉冲和突发波形实时的时域按照每个波形进行调整。
101.(3)算法逻辑资源调度模块：
102.按照每个波形组配置完射频通道后，根据系统资源，将cpu内核和fpga逻辑资源分成相应数量的空间。射频配置完成后，将每个波形组加载到所分配的cpu内核资源和fpga逻辑资源空间上。并实施的监控波形组内对于fpga逻辑资源和cpu内核资源的使用情况。如果即将发生资源使用过满，将动态的分配空闲的fpga资源和cpu内核给相应的波形组使用。
103.综合无线电架构下波形对于设备使用情况，直接影响了系统的功耗和稳定度，除波形对于系统的要求外，最大程度的减少射频通道的使用数量和最大程度的增加波形的时频空间复用，对航电系统有重要的帮助。
104.虽然本发明所揭露的实施方式如上，但内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。