一種寬帶組網(wǎng)波形的SDR平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

張 玲， 敖 佳， 蔣秦芹

（①保密通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041；②中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無(wú)線電系統(tǒng) (JTRS,Joint Tactical Radio System)是美國(guó)國(guó)防部在軟件無(wú)線電基礎(chǔ)上，為三軍研發(fā)的新一代無(wú)線電系統(tǒng)?？蔀榭罩?、地面、海上部隊(duì)提供2 MHz～2 GHz頻段的話音、視頻和數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)。未來(lái)的應(yīng)用中，利用軟件通信體系結(jié)構(gòu)(SCA,Software Communications Architechture)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)波形，即可達(dá)到聯(lián)合作戰(zhàn)電臺(tái)互通要求。

在JTRS所包括40多種波形中，寬帶組網(wǎng)波形(WNW，Wideband Networking Waveform)編號(hào) W5尤其引人關(guān)注。WNW 的波形技術(shù)體制的先進(jìn)性將引領(lǐng)數(shù)據(jù)鏈波形建設(shè)的發(fā)展。

為對(duì)美軍JTRS系統(tǒng)以及WNW波形進(jìn)行深入分析，掌握其波形特征和技術(shù)體制，本文在參考WNW波形的基礎(chǔ)上，在SFF SDR軟件無(wú)線電開(kāi)發(fā)平臺(tái)上，以MATLAB/Simulink軟件為主要開(kāi)發(fā)工具實(shí)現(xiàn)了一種基于正交頻分復(fù)用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplex）模式的寬帶組網(wǎng)波形。給出了波形仿真與實(shí)現(xiàn)結(jié)果，以期對(duì)美軍WNW波形研究起到借鑒作用。

1 WNW波形介紹

WNW是一種新的波形協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)話音、數(shù)據(jù)、視頻一體化無(wú)縫傳遞。具有針對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)惡劣條件而設(shè)計(jì)的自適應(yīng)寬帶數(shù)據(jù)傳輸能力，支持不低于2 Mb/s網(wǎng)絡(luò)吞吐量，預(yù)計(jì)達(dá)到5 Mb/s的端對(duì)端吞吐量，通信頻段范圍2 MHz～2 GHz。WNW網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)支持與地面和海上移動(dòng)平臺(tái)間的連接及地面與海上平臺(tái)之間的通信連接，平臺(tái)移動(dòng)速度大于 193.116 km/h。

WNW波形利用Reed-Solomon碼和Turbo-Code碼前向糾錯(cuò)技術(shù)，采用了單/多載波、糾錯(cuò)編碼(聯(lián)合編碼)、OFDM、交織、時(shí)分多址接入（TDMA, Time Division Multiple Address）、擴(kuò)頻等關(guān)鍵技術(shù)。

2 波形設(shè)計(jì)

美軍 JTRS波形的標(biāo)準(zhǔn)尚未公開(kāi)，但許多波形與802.X系列的組網(wǎng)波形（如802.11、802.16）相類似[1-2]。參照美軍WNW波形的OFDM模式，寬帶波形具體參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示，物理層幀格式參考802.11a 協(xié)議[3]。

表1 寬帶波形具體參數(shù)設(shè)計(jì)

3 波形仿真與實(shí)現(xiàn)

3.1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)

Lyrtech公司的 SFF SDR平臺(tái)整體框架如圖1所示。由3層板卡組成，分別為信號(hào)處理模塊，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊與射頻模塊。其中，信號(hào)處理模塊包括型號(hào)為DM6446的DSP和Virtex-4 SX35的FPGA，DSP與FPGA通過(guò)VPSS(VPFE和VPBE) 接口連接。數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊包括 TI公司 16位雙通道的DAC5687和14位單通道的ADS5500，信號(hào)處理模塊的FPGA與數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊相連。射頻模塊包括一對(duì)SMA接口的射頻天線負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收發(fā)，與數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊相連。

波形邏輯的開(kāi)發(fā)，以MATLAB/Simulink為主要的開(kāi)發(fā)工具。對(duì)于SCA兼容組件的開(kāi)發(fā)，主要是采用PRISMTECH公司的SPECTRA POWER TOOLS軟件進(jìn)行SCA兼容組件模型設(shè)計(jì)，它將邏輯模型生成的代碼封裝成與SCA兼容的組件。

3.2 MATLAB/Simulink建模

結(jié)合802.11a協(xié)議中關(guān)于OFDM技術(shù)的基帶調(diào)制算法描述，將收發(fā)系統(tǒng)按照模塊劃分如圖2所示。利用MATLAB的 Simulink模塊庫(kù)所帶的基礎(chǔ)模塊，通過(guò)相應(yīng)的組合與連接，封裝成子系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)各模塊功能，建模實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

數(shù)據(jù)處理由DSP與FPGA分工完成。在DSP部分完成信號(hào)的編碼、交織、QPSK調(diào)制映射以及導(dǎo)頻插入功能，在FPGA部分完成成形濾波、OFDM、上采樣、D/A轉(zhuǎn)換及相反過(guò)程。單平臺(tái)收發(fā)數(shù)據(jù)采用VPFE與VPBE模塊作為DSP與FPGA之間的交互接口，當(dāng)采用多平臺(tái)進(jìn)行傳輸時(shí)，使用前向接口VPBE或后置接口VPFE。

4 仿真及性能

4.1 幀信號(hào)的檢測(cè)

幀信號(hào)的檢測(cè)依靠前十個(gè)時(shí)域訓(xùn)練序列，采用兩個(gè)相關(guān)量來(lái)檢測(cè)信號(hào)。第1個(gè)相關(guān)量為將接收的信號(hào)和延遲一個(gè)短前導(dǎo)字長(zhǎng)度即0.8μs的本身進(jìn)行相關(guān)：

第2個(gè)相關(guān)量為將接收的信號(hào)和本地已知的短前導(dǎo)字序列相關(guān)：

其中，N是短前導(dǎo)字的樣值點(diǎn)數(shù)16，假設(shè)r（i）為單倍采樣后的信號(hào)，c(n)為本地已知的前導(dǎo)字序列。采用橫向?yàn)V波器進(jìn)行相關(guān)。

仿真結(jié)果如圖4所示。SNR=0時(shí)，超過(guò)設(shè)定的相對(duì)門限0.5，且連續(xù)觀測(cè)十個(gè)符號(hào)周期，統(tǒng)計(jì)超過(guò)門限的相關(guān)峰數(shù)目?？梢?jiàn)，有10個(gè)峰值都超過(guò)門限概率為0.9，有9個(gè)峰值超過(guò)門限一個(gè)沒(méi)有的概率為0.1。經(jīng)仿真各信噪比下的峰值概率情況，曲線與上圖重合。判定連續(xù)2個(gè)超過(guò)門限即可認(rèn)為信號(hào)序列到來(lái)。

4.2 頻偏估計(jì)

頻偏估計(jì)分為粗頻偏估計(jì)和細(xì)頻偏估計(jì)。采用10個(gè)短前導(dǎo)字序列的最后兩個(gè)進(jìn)行粗頻偏估計(jì)[4]。項(xiàng)目中設(shè)置頻偏為200 kHz＝0.53個(gè)子載波間隔時(shí)，子載波粗估計(jì)后相對(duì)子載波間隔歸一化后的頻偏與 SNR關(guān)系如圖5?？梢?jiàn)，高斯信道下粗頻偏估計(jì)之后的殘留頻偏在信噪比大于等于5時(shí)小于8%子載波間隔。

細(xì)頻偏估計(jì)采用文獻(xiàn)[4]中提出的路徑延時(shí)估計(jì)算法。它在初始符號(hào)同步的基礎(chǔ)上，估計(jì)多徑信道中第一徑的延時(shí)，將同步誤差控制在一個(gè)OFDM采樣時(shí)鐘間隔內(nèi)，從而使得后續(xù)的采樣時(shí)鐘同步的反饋環(huán)路能夠鎖定在第一徑上。使用64點(diǎn)訓(xùn)練序列進(jìn)行頻偏估計(jì) 0.5子載波的頻偏偏差剩余頻偏與信噪比的關(guān)系如圖6所示。

圖5 粗頻偏估計(jì)性能曲線

圖6 細(xì)頻偏估計(jì)性能曲線

4.3 系統(tǒng)性能

高斯信道下，系統(tǒng)性能曲線如圖 7所示，其中1/2卷積碼采用生成多項(xiàng)式為（171,133）的（2,1,7）卷積碼。

4.4 業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)

測(cè)試環(huán)境由3個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，SFF SDR平臺(tái)實(shí)現(xiàn)寬帶組網(wǎng)波形物理信道，PC機(jī)實(shí)現(xiàn)了組網(wǎng)協(xié)議和數(shù)傳業(yè)務(wù)。圖8為組網(wǎng)后PC機(jī)主控程序收到的數(shù)據(jù)顯示。

圖8 組網(wǎng)后PC機(jī)主控程序收到的數(shù)據(jù)顯示

5 結(jié)語(yǔ)

本文在參考 WNW 波形的基礎(chǔ)上，基于 SFF SDR軟件無(wú)線電開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以 MATLAB/Simulink為主要的開(kāi)發(fā)工具實(shí)現(xiàn)了一種基于OFDM模式的寬帶組網(wǎng)波形，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，為研究美軍WNW波形起到借鑒作用。下一步將著重于寬帶波形在更先進(jìn)SDR平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)。[1] KEVIN M. Mapping Waveforms to Systems: What Would a Wildband Networking Waveform System Require?[J].Military embedded systems, 2005(10): 38-41.

[2] 周先軍,周丹,李利榮,等. IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)分析[J].通信技術(shù)，2009,42 (07):262-264.

[3] 陳月云,丁青子,鄧曉輝. 一種基于 IEEE 802.11a的PHY-MAC跨層設(shè)計(jì)[J]. 通信技術(shù), 2009,42(08):238-240.

[4] YANG Baoguo, LETAIEF K B, CHENG R S, et al.Timing Recovery for OFDM Transmission[J].IEEE Journal on Selected Areas in Commu, 2000(18):2278-2291.