2021.14科学技术创新基于LRM 模式的高集成综合通信设备设计研究
黄博闻
（上海瀚讯信息技术股份有限公司，
上海200035）伴随着硬件技术和芯片行业的发展以及高速信号总线的产生，通信设备的体制和标准不断完善，设备朝着标准化、模块化、小型化演进。各种国际组织不断完善推出了多种计算机标准，并在通信行业广泛使用。对于特种通信行业而言，需要应对高
湿、盐雾、越野等特殊环境的能力。
采用全密闭的LRM 模式的机箱架构，在能够支持便捷地设备维护的同时，
也具备良好的环境适应能力。
1LRM 标准及特点
LRM 模块是标准化可便捷替换的通用设计单元的统称。各
类LRM 模式通信产品的设计均基于某项通信标准，
在特种通信行业还会根据需求进行融合或定制化提升。
1.1LRM 标准
1994年，美国航空无线电通信公司（ARINC,Aeronautical Radio Inc ）发布了ARINC650标准，提出了LRM 模块的标准和
概念，定义了模块和机箱的标准[1]
。美军参照ARINC650标准，改进定义了MIL-STD-1389D 标准[2]。
欧洲联合标准航电体系委员会（ASAAC,Allied Standards Avionics Architecture Council ）于2005年开始推行自定义的LRM 模块标准[3]。
VITA （VMEBUS International Trade Association ，VME 贸易协会组织）提出了VITA 系列标准，包括了结构、健康管理、高速总线等，具备完善的整机规范细节。其中，最广泛使用的就是
VPX 架构，
在VITA 46规范中提出，使用MultiGig RT2连接器，这是一种基于PCB 板卡的金手指模式连接器，
replaceable
如图1。VITA 48规范进一步给出了散热设计的标准。VITA 65规范结合前序标准提出了更完善的OpenVPX 标准，满足通信行业对机箱通信速率的不断提升的需求。VPX 规范规定了3U 和6U 两种尺寸标准，以及风冷和导冷两种结构设计方式。
图1VPX 连接器
VITA58标准则规范了另外一种LRM 模块，可以配合
ARINC 600和MIL-DTL-83527连接器，实现单模块全密闭设计，能够有效对抗盐雾、淋雨环境，且全密闭方式更利于电磁兼
容设计。VPX 标准由于连接器是板载压接连接器，
无法做到单模块全密闭，三防和电磁兼容的设计压力需要由机箱分担。
1.2LRM 模式特点
LRM 模式的通信产品遵循统一的标准化设计，通常具备以下特点。
1.2.1模块标准化设计，机箱功能可定制：
各个功能模块采用统一设计规范，均可以插入通用的机箱槽位。可以根据机箱
的功能需求，灵活地配置不同的模块，
快速形成新的功能组合样式。
1.2.2维修便捷：功能模块以插卡的方式与机箱结合，
无需线缆连接，对于功能异常的模块可以快速插拔更换。
1.2.3快速的故障定位：具备标准的机箱管理模块，
能够通过机箱管理总线和协议，检测板卡的健康状态，
及时捕获和定位故障到单个LRM 模块。
2LRM 综合通信设备设计2.1总体设计
特种通信行业通常需要为客户提供多种通信手段和数据服务，如多媒体集、LTE 、WIFI 等。无线传输设备搭载平台呈现了通信手段的多样性、生产厂家的多样性、信道数量多样性等特点。因此，需要在现有的多种技术体制以及搭载平台等方面进行充分考虑的基础上，打破原有不同类型的无线设备在
设备形态、甚至硬件平台的设计思想，将设备形态和软硬件平台规范到
统一的技术标准中，提高设备的通用性、
现场可更换性和可维护性，降低特种通信产品定制化设计的难度，实现组合式快速设
计。LRM 综合通信设备，由机箱、LRM 信道模块、LRM 交换控制
模块构成。如图2所示，给出了整机架构示意，
对外功能接口均在设备后部背板区域。模块由前向后插入，便于拆装更换。
2.2结构设计2.2.1尺寸规范
机箱结构采用VITA 58技术规范要求[4]，LRM 模块和机箱之间的连接器采用ARINC 600SIZE 2/3射频数字混合连接
器，如图3所示。LRM 模块尺寸有1H1\2到8H2\2共16种，
这里选择的尺寸为1H2和2H2，如表1所示。
图4是以LRM 信道模块为例的尺寸示意图，图5为LRM
作者简介：黄博闻（1989，4-），男，学历：全日制硕士研究生，
职称：工程师，研究方向：信息与通信工程。摘要：随着通信技术的不断发展，衍生出各类不同通信体制的设备。
对于特种通信行业，通常需要车载或机载集成多种体制或多路通信链路。通信设备的单体体积累加对于设备集成造成了极大困难，
采用高性能的处理器和高速的通信总线技术，利用现场可更换模块（LRM ）的模式，可以将通信设备模块化分解、标准化、小型化，
有效提升集成度和可替换性，可根据不同集成要求定义通信机箱中装载的链路体制和数量。本文提出了一种LRM 模式高集成综合通信设备的设计方法，分析了主要设计要素，具备工程可行性。
关键词：特种通信；现场可更换模块；VITA ；软件定义无线电中图分类号:TP274文献标识码:A 文章编号:2096-4390(2021)
14-0073-0373--
科学技术创新
2021.14
图4LRM 信道模块尺寸示意
为了提升抗湿热、盐雾和电磁兼容能力，
设计时在结构结合面需要使用屏蔽导电胶条。这里选用复合双峰导电橡胶条，
将导电橡胶与普通高抗撕硅橡胶复合在一起，
形成外侧为普通硅橡胶，内侧为导电橡胶的复合双峰设计，
兼具耐盐雾腐蚀和电磁屏蔽的功能（图6）。
图6双峰导电胶条
2.2.2设计效果图
LRM 信道模块如图7所示，包括数字基带处理和射频单元，
采用1H2尺寸。后端为背板连接器，
前面板包括指示灯、射频BNC 接头、调试接头等。
图7LRM 信道模块示意
LRM 交换控制模块如图8所示，
采用2H2尺寸。图8LRM 交换控制模块示意
图2整机架构
图3ARINC600连接器表1LRM 模块
尺寸
SIZE Wide (mm) Depth (mm)
Height (mm)
1H1 225 1H2 50±0.5
318
194.06 2H1 225 2H2
100±0.5
318
194.06
图5LRM 模块与机箱的安装
结构
模块与机箱的安装结构示意。
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机箱如图9所示，主要由结构件、背板、电源等构成。可以配合减震架安装，提升抗震和越野性能。
图9机箱示意
2.3硬件设计
机箱背板总线借鉴OpenVPX标准[5]，如图10所示，采用配置（Control Plane）、业务（Data Plane）、机箱管理（Management Plane）三总线架构，Expansion Plane为可选的扩展总线，实现相邻模块之间的自定义通信，通常由4对高速差分对构成。配置和业务总线采用1000base-X，机箱管理总线为I2C硬件总线配合“Intelligent Platform Management Interface，IPMI”2.0协议。基于总线交互式的结构可以通过标准的协议将各功能单元连接起来，系统整体上模块化程度高，具有良好的开放性、扩展性和通用性。由于一般芯片都具有常用标准总线接口，也有利于芯片的选择。
图10OpenVPX背板总线
交换控制模块由通用处理器“General Processing Unit，GPU”、多口交换芯片和单片机等构成，两个交换芯片分别实现配置和业务总线。图11给出了各个核心模块的数据总线关系。
图11交换控制模块数据关系
信道模块采用经典的CPU+FPGA软件无线电架够，核心处理器选择xilinx公司的FPGA Soc芯片。ADDA模块可以选用高集成宽带RFADC，单片实现ADDA所有功能，例如ADI公司的AD9361。可以通过加载不同的通信软件实现3G、4G、集等不同通信体制。图12给出了各个核心模块与数据总线之间的关系情况。
图12通用信道模块数据关系
2.4健康管理
参考VITA46.11标准[6]。交换控制模块的单片机作为机箱管理控制器通过I2C总线与各通用LRM模块的单片机交互，实现机箱管理，构成智能平台管理总线（IPMB）。全系统运行IPMI2.0协议[7]，能够监控配置各模块电压、电流、温度、网口状态、告警等信息，实现通用化的模块管理。从而，不同功能的模块只要符合协议要求就可以纳入统一管理。
3结论
本文针对特种通信行业通信手段多样化并存，使用环境要求高的需求，提出了一种LRM模式的综合通信设备的设计框架，采用了标准化、通用化、模块化的思想，能够灵活搭配设备的通信以及数据处理功能。整体设计参考VITA58机箱标准和OpenVPX硬件总线标准，建议采用经典的软件无线电架构，进一步实现LRM模块整体的通用化。后续将结合实物样机的研制，进一步细化完善设计框架规范，形成符合特种通信行业需求的通信产品规范。
参考文献
[1]闫迎军.综合模块化航空电子设备结构设计[C].西安：西安电子科技大学,2006.
[2]曾锐，平丽浩，梅源.LRM模块及其相关标准[J].电子机械工程, 2007,23(4):1-5.
[3]NATO.STANAG4626(DRAFT1)-Modular and open avionics architecture PARTIV[M].Packaging.Military Agency for Standardization,2005.
[4]ANSI/VITA58.0.Line Replaceable Integrated Electronics Chassis Standard[M],2009.
[5]ANSI/VITA65.OpenVPXTM System Specification[M].2010.
[6]VITA46.11.System Management on VPX[M].2013.
[7]Tomasz Kozak,PaweL Predki,Dariusz Makowski.Real-Time IPMI Protocol Analyzer[J].IEEE Transactions on Nuclear Science,2011,58(4):1857-1863.
[8]张冰洁.基于IPMI的智能平台管理系统设计[D].广州：中山大学
,2014.
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