軟件無線電技術(shù)具有使用靈活、保密性強(qiáng)、適應(yīng)廣泛、升級簡便的特 點，因而在軍用和民用無線通信中有著廣闊的應(yīng)用前景；研究軟件無線電技術(shù)在分析無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)信號、信道方面的應(yīng)用十分必要；通過對軟件無線電平臺、 關(guān)鍵技術(shù)和算法的介紹分析，結(jié)合基于R&S公司的SMU200構(gòu)建的無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈仿真系統(tǒng)，對無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸鏈路中不同樣式信號的采集、解調(diào)以及信道模型對傳輸?shù)挠绊戇M(jìn)行仿真分析，得出保證數(shù)據(jù)鏈路有效傳輸?shù)臈l件，同時驗證了數(shù)字仿真系統(tǒng)的可靠性 。

Application of Software Defines Radio Technology in UAV Data Link System

Fang Guo, Jin Tian, Shuxia Guo

(UAV Specialty Technique Key Labor at ory of National Defense Technology,

Northwestern Poly technical Uni versity, Xi'an 710065)

Abstract：The software defines radio technology has the advantage of flexibility, confidenti ality, and easily upgrade, and it was used widely at military and civilian wireless comm unications. It was necessary to study the software defines radio technology in the analysis of UAV data link system of signals and the research on channel. Theplat form, the key technolog and the algorithms of softw are define sradio were investigated. Based on the combination of R&S Construct- ion Company SMU200 simulation of UAV data link systems, the data trans missi on link to the UAV different style signal acquisition, demodula tion and channel model the impact of transmission was simulated. Atlast, the effective transmi ssion of data link conditions was discussed and the reliability of digital simulation system was verified-Key.

Key words: Software defines radio; datalink; channel model; SMU200A

1. 引言

無線通信的重要作用及廣泛應(yīng)用使得各種通信系統(tǒng)無法互通和兼容的缺點日益突出。為解決互通性問題，MILTRK公司的Jeo Mitola于1992年5月首次明確提出了軟件無線電 (softwared efines radio) 的概念，用以研制出具有高度靈活性、開放性的新一代無線通信系統(tǒng) 。

軟件無線電的各種功能是用軟件實現(xiàn)的[1]，由于這一概念所包含的靈活性、開放性等特點，使其不僅在軍、民無線通信中獲得了應(yīng)用、而且被推廣到諸如電子戰(zhàn)、雷達(dá)、信息化家電等其他領(lǐng)域。目前軟件無線電更多的是以一種概念和猜想的形式出現(xiàn)，具體定義和體系結(jié)構(gòu)尚無定論，而軟件無線電作為未來通信乃至未來無線電技術(shù)的發(fā)展方向，其研究應(yīng)用有著極具實際的意義和廣闊的前景。

2. 軟件無線電技術(shù)平臺關(guān)鍵技術(shù)

2.1 軟件無線電的結(jié)構(gòu)

軟件無線電的宗旨就是盡可能簡化射頻模擬前端，使A/D轉(zhuǎn)換盡可能靠近天線，以完成模擬信號的數(shù)字化，而數(shù)字化的信號則盡可能多地用軟件進(jìn)行處理，以實現(xiàn)各種功能和指標(biāo)，其標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軟件無線電的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)

軟件無線電具有整體的可編程性，因此它能夠在單一的結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)多模和自適應(yīng)工作；而開放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)則使得軟件無線電可以靈活配置系統(tǒng)，通過軟件的 適當(dāng)調(diào)整或具有開放互連結(jié)構(gòu) (總線接口) 的功能模塊的更改實現(xiàn)系統(tǒng)功能的改變，不需要重新設(shè)計系統(tǒng)，特別是硬件系統(tǒng)。在A/D變換后的所有處理都使用可編程芯片DSP由軟件編程實現(xiàn)。因此，這種體系結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的通用性，是實現(xiàn)多頻段、多工作模式和多用戶通信的最佳途徑[2] 。

實踐中，依A/D位置不同和采樣方式不同主要常采用三種基本結(jié)構(gòu)：射頻低通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)、射頻帶通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)和寬帶中頻帶通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 軟件無線電的常用基本結(jié)構(gòu)

射頻低通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)最接近理想結(jié)構(gòu)，如 (a) 圖所示；但此結(jié)構(gòu)對ADC性能及DSP要求過高，受限于器件水平， 在相當(dāng)長時期內(nèi)非常難以實現(xiàn)。(b)圖為射頻帶通采樣結(jié)構(gòu)，盡管較前種結(jié)構(gòu)在A/D前先經(jīng)過窄帶濾波放大再帶通采 樣，對ADC和DSP的要求大幅降低，但仍然存在要求較高的 ADC性能，實現(xiàn)起來還是有相當(dāng)難度的；同時需要分頻段來 實現(xiàn)較寬的工作帶寬；此外多個采樣頻率也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。圖 (c) 寬帶中頻帶通采樣結(jié)構(gòu)與常規(guī)的超外差式接收機(jī)類似，但較常規(guī)接收機(jī)的窄帶，軟件無線電接收機(jī)使用寬帶中頻。這樣對比前兩種結(jié)構(gòu)，不僅不需要第一種結(jié)構(gòu)所要求的超高速采樣，也不要求第二種結(jié)構(gòu)所需的高精度、 高工作帶寬所要求的采樣保持放大器，使A/D大大簡化，這是射頻前端復(fù)雜性所帶來的好處。 在A/D器件無法滿足要求 的情況下，增加一點復(fù)雜性也是值得的。這種結(jié)構(gòu)將是近期軟件無線電一種可行的設(shè)計方案。

2.2 軟件無線電關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展

目前軟件無線電主要關(guān)注以下技術(shù)[3] :

(1)智能天線技術(shù)：智能天線技術(shù)具有自適應(yīng)、頻段選取、干擾對消和移動跟蹤等能力。其實質(zhì)是數(shù)字多波束形成天線、可以有效提高信噪比，提升通信質(zhì)量，緩解無線通信發(fā)展與頻譜資源不足的矛盾，降低系統(tǒng)造價，改善系統(tǒng)管理，因此必將成為未來無線通信的關(guān)鍵技術(shù)。

(2) RF前端技術(shù)：現(xiàn)有軟件無線電系統(tǒng)中需要使用一組RF 模塊覆蓋整個頻段，在支持多標(biāo)準(zhǔn)時還可能要求更換射頻模塊。而高度小型化的多頻段多模式 (MB/MM) RF芯片的投產(chǎn)、以及超導(dǎo)RF技術(shù)均有助于實現(xiàn)RF前端所需的性能。低損耗、體積小、高集成度的RF模塊可以顯著降低體積、重量、功耗及成本，并提高處理速度和處理能力，使數(shù)字信號處理器能夠完成調(diào)制解調(diào)功能 。

(3)A/D-D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)：A/D-D/A在軟件無線電中有著重要的作用，作為一個標(biāo)準(zhǔn)的接口，將天線RF部分和通用數(shù)字軟件部分連接起來，要求較高的采樣速度分辨率，以及較寬的輸入帶寬。靠近天線的A/D方案應(yīng)用于接收部分，而對應(yīng)的 D/A方案則應(yīng)用于發(fā)射部分。

(4) 數(shù)字下變頻(DDC)技術(shù)[4]：軟件無線電功能完全由軟件實現(xiàn)，需要很高的系統(tǒng)運算速度。因此在實際軟件無線電中，通過數(shù)字下變頻器技術(shù)，從輸入寬帶數(shù)字信號中提取所需的頻帶信號，并將其下變頻到基帶以滿足現(xiàn)行DSP的處理 能力。

(5) DSP技術(shù)：數(shù)字信號處理器 (DSP) 是軟件無線電的核心所在，靈活性、開放性、兼容性等特點主要通過數(shù)字信號處理器為中心的通用硬件平臺及DSP軟件來實現(xiàn)的，還要完成濾波、調(diào)制解調(diào)、信道編解碼、協(xié)議控制等中頻以后的所有功能，只有高速DSP以及多處理結(jié)構(gòu)才可能完成如此巨大的信號處理運算。目前采用的技術(shù)方案主要是數(shù)字信號處理技術(shù) (DSP)、專用集成電路 (ASIC)、現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 以及這幾種技術(shù)的結(jié)合。

(6) 互連技術(shù)：互連結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)中各單元實現(xiàn)互連，組成一個開放、可擴(kuò)展、標(biāo)準(zhǔn)、具有較高數(shù)據(jù)吞吐量的硬件 平臺。目前主要的互連結(jié)構(gòu)有總線結(jié)構(gòu)、交換網(wǎng)結(jié)構(gòu)和樹型結(jié)構(gòu)。近期軟件無線電系統(tǒng)不會鎖定在單一的互連結(jié)構(gòu)方案上 。

2.3 軟件無線電中的信號處理算法[5]

(1) 信號處理算法的重要性：軟件無線電的所有功能都是用軟件來實現(xiàn)，在所有軟件中，數(shù)字信 號處理軟件占據(jù)著重要的位置，例如編碼、解碼、譯碼、同步提取、頻譜分析、信號識別等等都可以采用信號處理算法來實現(xiàn) 。

(2) 軟件無線電中的調(diào)制算法：軟件無線電中的各種調(diào)制信號基于同一個通用數(shù)字信號處理平臺，利用各種軟件來產(chǎn)生，每種調(diào)制算法都做成軟件模塊，要產(chǎn)生某種調(diào)制信號只需調(diào)用相應(yīng)的模塊即可。而各種調(diào)制完全可以基于數(shù)字信號處理技術(shù)來實現(xiàn)；從理論上來說，正交調(diào)制可以實現(xiàn)各種通信信號。

(3) 軟件無線電中的解調(diào)算法：調(diào)制實質(zhì)上是用調(diào)制信號控制載波的某個或幾個參數(shù)，使載波參數(shù)按調(diào)制信號的規(guī)律變化。而根據(jù)獲得的同相分量XI (n) 和正交分量XQ (n) 就可以對各種調(diào)制樣式進(jìn)行解調(diào)，使得數(shù)字正交解調(diào)在軟件無線電中易于實現(xiàn) 。

3. 軟件無線電在無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈仿真系統(tǒng)中的實驗應(yīng)用

3.1 實驗裝置

無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈仿真系統(tǒng)采用R&S公司的矢量信號發(fā)生器 SMU200A產(chǎn)生一組調(diào)制信號，由射頻輸出至軟件無線電平臺的信道1輸入，采用軟件無線電平臺進(jìn)行信號采集，最后在計算機(jī)上對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。 圖3給出了SMU200A的設(shè)置界面以及軟件無線電平臺控制界面 。

圖3 實驗系統(tǒng)設(shè)置與相關(guān)設(shè)備

實驗中所使用的德國R&S公司的矢量信號發(fā)生器SMU200A (頻率范圍100 kHz～6 GHz；高輸出功率電平+19 dBm；功率重復(fù)性0.05 dB；低相位噪聲133 dBc)，能夠提供AM/FM/ PM/pulse調(diào)制，其內(nèi)部80 MHz (射頻) I/Q任意波形發(fā)生器， 外部200 MHz (射頻) I/Q模擬調(diào)制以及加性高斯噪聲。利用 SMU200A可以設(shè)置載波頻率、碼元速率、調(diào)制方式、數(shù)據(jù)流的類型 (Pattern、Datalist、ARB等模式)、編碼類型 (Off、 Gray、Differential、GSM等)、濾波器類型、信道參數(shù) (包括信噪比、載噪比、多徑衰落信道的傳輸損耗和延遲)，提供畫圖 (包括眼圖、I/Q等) 和計算誤碼率等功能。

而軟件無線電平臺是一個高速的數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng)，含有多塊采集卡 (ADC板卡ICS-652，寬帶數(shù)字解調(diào)子卡DC-50-W，高速DSP板卡TMS320C6201 EVM板SCSI磁盤陣列RAID，采樣率1~64 MHz)，采用開放的標(biāo)準(zhǔn)PC體系結(jié)構(gòu)和Windows2000操作系統(tǒng)以及運行于Lab View下的控制與顯示軟件，能夠提供大于200 MB/s的持續(xù)存儲速度，允許用戶控制采集過程的各個方面，例如采集的通道數(shù)、采樣率、 觸發(fā)源、采集時間等。

為更便捷地進(jìn)行處理，用VB6.0制作了一 個基于 軟件無線電平臺的信號解調(diào)系統(tǒng)的用戶操作界面，該界面與Matlab直接連接，點擊按鈕可直接運行程序，實現(xiàn)調(diào)制方式的選擇，并進(jìn)行相應(yīng)的處理和顯示。

3.2 單路BPSK信號的實驗

信源為Q=[11001010]，信號載頻fc=24 MHz，采樣頻率 fs=32 MHz，碼元速率fd=8 MHz；采用數(shù)字下變頻技術(shù)對信號做相關(guān)處理后進(jìn)行相干解調(diào)；對解調(diào)后的信號進(jìn)行判決，得到解調(diào)信息為 [11001010]，與原信號Q相同，即為正確解調(diào) 。

進(jìn)行單路BPSK信號采集、解調(diào)時，采用矢量信號發(fā)生器SMU200A產(chǎn)生一路調(diào)制信號，由射頻輸出至軟件無線電平臺的信道1輸入，使用軟件無線電平臺進(jìn)行信號采集。分別對表1中的5種情況進(jìn)行實驗。

表1 單路BPSK信號實驗

對情況5所采集到的信號頻譜及經(jīng)過DDC處理得到的解調(diào)信號如圖4所示。

而通過對圖4 (b)進(jìn)行抽樣判決可知，解調(diào)信號信息為[11001010]，與信號源Q相同[6]。同樣情形，所有5種情況都能夠得到可靠解調(diào)，由此驗證了單路BPSK信號采集、調(diào)制解調(diào)數(shù)字仿真的可靠性。

3.3 雙路BPSK信號的采集、分離和解調(diào)

SMU200A無法產(chǎn)生雙路信號，但R&S公司的Win IQ SIM軟件提供了這一功能，不但可以產(chǎn)生多路信號，而且可以在被 SMU200A作為任意波形識別。因此利用該軟件產(chǎn)生兩路信號疊加，生 成一 個＊.wv形文件，由SMU200A以任意波形文件發(fā)出。

圖4 情況5得到的相關(guān)信號圖形

(1) 信號帶寬為12.5 kHz時：實驗參數(shù)設(shè)置與數(shù)字仿真參數(shù)相同。兩路信號信息分別為Q=[001101] ，Q=[111010]。 兩路信號載頻分別為fc1=1.5 MHz，fc2=1.625 MHz；碼元速率fd=12.5 kHz；采用Nyquist采樣，采樣頻率fs=32 MHz，采樣點N=65536。

經(jīng)過一系列的濾波與抽取之后，本實例中總共需要4次抽 取[7]和4次濾波。解調(diào)出的第一、二路信號如圖5中(a)和(b)所示、并可由圖中信號判決，解調(diào)正確。

圖5 帶寬12.5 kHz時解調(diào)出的信號

(2) 信號帶寬為2 MHz時：兩路信號信息分別為Q1=[001101]，Q2=[111010]。兩路信號載頻分別為fc1=17 MHz，fc2=23 MHz；碼元速率fd=2 MHz；使用帶通采樣定理，采樣頻率fs=32 MHz，采樣點N=512。解調(diào)出的第 一、二路信號如下圖6中(a)、(b)所示，并可由圖中信號判決，解調(diào)正確。

圖6 帶寬2 MHz時解調(diào)出的信號

3.4 信道的影響

系統(tǒng)測試中需要檢測接收端信號，以判斷信號在信道中的傳播情況，對進(jìn)一步評估無人機(jī)通信提供依據(jù)。這里，提供了 兩個信道模型，分別對試驗結(jié)果進(jìn)行分析。

圖7 信道不同位置的頻譜圖和眼圖

(1) 信道模型：信道1: f=1.2 GHz ，fd=1 Mbps；BPSK調(diào)制；包含2條路徑，第一條是直達(dá)路徑，即相對衰減和相對時延都是0；第二條相對衰減3.996 dB，相對時延0.626 μs。信道2: f=1.2 GHz，fd=1 Mbps；BPSK調(diào)制；包含2條路徑，第一條是直達(dá)路徑；第二條相對衰減6.025 dB，相對時延1.198 μs。

(2) 結(jié)果與分析：圖7分別給出了上述兩種信道模型下發(fā)射端和不同接收端頻譜圖、眼圖的比較：對比信號經(jīng)過信道前、后的頻譜圖和時域圖可以看到，經(jīng)過多徑信道后，接收端頻譜圖出現(xiàn)了畸變，眼圖變壞。

經(jīng)過分析可以得出如下結(jié)論：如果傳輸信號的頻譜寬于多徑傳輸媒質(zhì)的相關(guān)帶寬，則該信號將產(chǎn)生明顯的頻率選擇性衰落。為了不引起明顯的選擇性衰落，傳輸 信號的頻帶必須小于多徑傳輸媒質(zhì)的相關(guān)帶寬。數(shù)字信號在多徑媒質(zhì)中傳 輸時，容易因存在選擇性衰落現(xiàn)象而引起嚴(yán)重的碼間干擾。為了減小碼間干擾的影響，通常要限制數(shù)字信號的傳輸速率。

4. 總結(jié)

軟件無線電是當(dāng)代無線電的發(fā)展趨勢，具有傳統(tǒng)無線電所不具備的更大的使用靈活性、更強(qiáng)的保密功能、更好的適應(yīng)性，以及方便的升級換代和強(qiáng)大的應(yīng)用前景，是用于各種要求的軍用和民用通信。

軟件無線電的主要功能由軟件完成，它需要有一個通用的平臺來支持。這個平臺一般由RF模塊、數(shù)據(jù)采集與合成模塊、 DSP處理模塊、接口模塊等組成。ICS提供的軟件包在硬件平臺基礎(chǔ)上為高速、有效地開發(fā)各種軟件無線電軟件提供了良好的條件。

將軟件無線電技術(shù)應(yīng)用于無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的相關(guān)實驗中，驗證了整個無線通信鏈路數(shù)字仿真系統(tǒng)的可靠性 。