基于軟件無線電的艦船通信系統(tǒng)集成設計研究*

范慧麗 吳有力

(中國艦船研究設計中心 武漢 430064)

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基于軟件無線電的艦船通信系統(tǒng)集成設計研究*

范慧麗 吳有力

(中國艦船研究設計中心 武漢 430064)

針對目前艦船通信系統(tǒng)電臺種類、數(shù)量繁多、功能單一,靈活性差,操作界面、接口標準不統(tǒng)一等問題,提出了基于軟件無線電的艦船通信系統(tǒng)集成化方案及逐步實現(xiàn)過程,并給出了艦用軟件無線電硬件平臺體系結(jié)構(gòu)。該集成化系統(tǒng)可覆蓋1MHz～4GHz頻率,不僅可前向兼容現(xiàn)有短波、超短波、UHF/S衛(wèi)星通信以及GPS/北斗衛(wèi)星導航定位等業(yè)務需求,還具有極強的后向擴展能力和協(xié)同作戰(zhàn)能力,可極大提高當前艦船通信系統(tǒng)的集成優(yōu)化水平和通信能力。

軟件無線電; 艦船通信系統(tǒng); 集成優(yōu)化; 體系結(jié)構(gòu)

Class Number TN915

1 引言

軟件無線電(Software Defined Radio,SDR)是一種多頻段、多模式、多功能的新的無線電系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),它以開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺為依托,通過實時動態(tài)加載可重構(gòu)、可升級的模塊化、標準化軟件來實現(xiàn)各種無線通信功能,能夠通過軟件更新和組裝配置改變硬件配置結(jié)構(gòu),通過編程來支持新的通信標準,具有高度的信息化和集成化水平[1～2]。美國在軍用軟件無線電電臺方面發(fā)展最快,1998年進入軟件無線電的第三階段,研制戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)(JTRS),希望用它替代當時使用的25種不同類型、32種波形的戰(zhàn)術(shù)無線電通信系統(tǒng),實現(xiàn)三軍互連互通并與其它系統(tǒng)兼容,目前,JTRS的裝備已進入全面部署階段。英國也已經(jīng)分別研制了艦載、星載和機載的軟件無線電電臺,45型“勇敢”級驅(qū)逐艦裝備了以軟件無線電系統(tǒng)為核心“完全集成通信系統(tǒng)”[3～4]。國內(nèi)前期主要方向是將獨立設備以板卡方式進行集成,目前,多個單位在積極開展軟件無線電的開發(fā)工作,以期用軟件實現(xiàn)來替代板卡集成,但鮮有軟件無線電電臺艦船裝備部署報道。

本文主要探討軟件無線電技術(shù)在艦船通信系統(tǒng)上的應用,分析了艦船通信系統(tǒng)對集成化、信息化以及能力擴展的需求,提出了基于軟件無線電的艦船通信系統(tǒng)集成化方案以及通用平臺體系結(jié)構(gòu),用以從設備小型化、規(guī)范化、標準化方面改善現(xiàn)有通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu),大幅提高通信系統(tǒng)集成優(yōu)化水平。

2 艦船用軟件無線電需求分析

隨著信息化時代的到來,海上戰(zhàn)爭樣式發(fā)生革命性變化。未來高技術(shù)條件下的海上局部戰(zhàn)爭,是以信息化為基本特征的戰(zhàn)爭。

1) 小型化、集成化設計需求

當前,我國現(xiàn)有艦船通信系統(tǒng)各個頻段以及各個功能的電臺數(shù)量繁多、功能單一,靈活性差,操作界面、接口標準不統(tǒng)一,系統(tǒng)連接復雜,不僅給船員操作使用、設備維護和管理帶來了困難,而且占用了大量艦船上寶貴的有限空間。

2) 信息化設計需求

設備眾多且接口標準不統(tǒng)一,會造成應用集中控制后,為適應各種設備不同的接口和協(xié)議,控制設計復雜,實現(xiàn)困難,資源浪費,降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可擴展性。

3) 可靠性保障需求

由于設備功能單一,為保障設備可靠性,就需要對設備進行雙備份,這就直接增大了終端設備數(shù)量和重量以及系統(tǒng)連接復雜度。軟件無線電采用開放性的通用硬件平臺,設備之間完全互為備份,還可以通過簡單的重要板卡備份、通道熱備份等多種手段來保障通信的可靠性。

4) 未來信息化條件下對協(xié)同作戰(zhàn)能力的需求

未來的戰(zhàn)場是以數(shù)字化部隊為主導的數(shù)字化、網(wǎng)絡化戰(zhàn)場,戰(zhàn)場中的任何一個節(jié)點都需要滿足協(xié)同通信和作戰(zhàn)需求,配合其它作戰(zhàn)平臺進行信息交換,實現(xiàn)各軍用電臺的互連互通。

5) 能力擴展的需求

隨著未來信息化條件下海戰(zhàn)對寬帶業(yè)務的需求日益增長,未來勢必有更多新型、高效的抗干擾通信波形擴展和更高頻率擴展需求,所以通信設備應具有較強的后向可擴展性,滿足未來系統(tǒng)升級和擴充需求。

6) 技術(shù)進步推進設備向軟件無線電方向發(fā)展

高速數(shù)字信號處理、可編程器件技術(shù)以及新型軟件工程方法等技術(shù)的高速發(fā)展,要求通信系統(tǒng)具有強大的環(huán)境適應能力和后向演進能力以提高其生存周期,從而促進了通信系統(tǒng)向軟件無線電方向發(fā)展。

3 基于軟件無線電的艦船通信系統(tǒng)集成化設計

艦船通信系統(tǒng)的集成化主要在現(xiàn)有裝備儲備水平和軟件無線電技術(shù)發(fā)展情況基礎上分階段逐步推進。

1) 設備向板卡集成

采用開放式體系結(jié)構(gòu),將原來單一頻段基于硬件、面向用途、功能單一的若干終端設備以板卡方式集成在一個綜合化的設備內(nèi),實現(xiàn)單頻段、多功能集成。

2) 板卡向軟件集成

通過加載可重構(gòu)、可升級的模塊化、標準化軟件來實現(xiàn)各種無線通信功能,用以替代一個個功能板卡,實現(xiàn)多頻段、多功能集成。

3.1 基于軟件無線電思想的集成化數(shù)字終端

該集成化方案主要是將中頻和基帶部分進行綜合集成,射頻處理由獨立的模擬化射頻前端設備完成。該方式主要是在已有的以板卡方式單頻段設備集成的基礎上發(fā)展而來的一種多頻段、多模式的數(shù)字終端設備,技術(shù)成熟度較高,相比現(xiàn)有艦船通信系統(tǒng)設備,集成化程度也較好,易于實現(xiàn)。但由于射頻前端處理并未集成在該平臺上,所以并算不上真正意義上的軟件無線電通用平臺。根據(jù)射頻前端的不同集成化程度,模擬化射頻前端的實現(xiàn)可以采用如下兩種方式: 1) 獨立射頻前端; 2) 通用射頻前端。

3.1.1 獨立射頻前端

不同的天線信號送至不同的射頻前端進行處理后,再傳給統(tǒng)一的多頻段集成化數(shù)字終端進行中頻及基帶處理,如圖1所示。該方式對射頻前端設備的集成化水平較低,屬于點到點的煙囪式通信連接方式,天線共用性不高,但技術(shù)成熟度較高,易于實現(xiàn)。

圖1 基于獨立射頻前端的系統(tǒng)集成化示意圖

3.1.2 通用射頻前端

多頻段信號共用統(tǒng)一的綜合射頻前端設備,如圖2所示。不同的天線信號連接至同一個射頻前端,然后下變頻到同一個中頻,再送入統(tǒng)一的多頻段集成化數(shù)字終端完成中頻及基帶處理。該方式是集成化的進一步突破,信息控制和傳輸更簡潔,并且天線與終端設備之間不再是點對點連接方式,通信路由的選擇更加靈活,天線和設備的共用性更高,但與軟件無線電相比,其多頻段集成化數(shù)字終端只實現(xiàn)了中頻和基帶信號處理,與理想軟件無線電還有一定距離。

圖2 基于通用射頻前端的系統(tǒng)集成化示意圖

3.2 完全集成化的軟件無線電電臺

與集成化數(shù)字終端設備不同,軟件無線電通用平臺具有完全的集成化特點,不需要獨立的射頻前端設備,可與多頻段天線或不同頻段的多種天線單元進行連接,處理天線單元傳送的模擬射頻信號,并進行中頻及基帶的數(shù)字信號處理,如圖3所示。

圖3 基于軟件無線電電臺的系統(tǒng)集成化示意圖

基于軟件無線電的艦船通信系統(tǒng)集成化重點體現(xiàn)在在軟件無線電電臺上,可覆蓋短波、超短波、衛(wèi)星通信等多個頻段,兼容現(xiàn)有多種波形體制,并支持新體制波形的擴展能力。集成化的另一方面是綜合射頻分配和控制單元,它是軟件無線電設備與天線系統(tǒng)間的接口部件,提供艦船外部通信能力,主要負責提供射頻轉(zhuǎn)換和天線控制功能,完成不同天線的模式選擇、狀態(tài)報告和內(nèi)建測試功能,為系統(tǒng)綜合控制或系統(tǒng)監(jiān)視器提供遠程操控。它可取代目前點到點的射頻信號和控制線路,為系統(tǒng)簡單的擴展或修改提供模塊化的硬件和軟件結(jié)構(gòu)。另外,綜合控制和管理單元也對系統(tǒng)集成化貢獻很大,它能夠進行全面、自動、智能化的控制管理;能夠提供綜合多媒體綜合業(yè)務控制終端,滿足功能多樣、操作簡單的用戶需求,全面提高系統(tǒng)可視、可管、可控的綜合管控能力。

4 軟件無線電艦船通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

艦船用軟件無線電系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)順應技術(shù)的發(fā)展趨勢,符合JTRS的軟件通信體系結(jié)構(gòu)SCA規(guī)范,采用基于CORBA中間件的開放軟件結(jié)構(gòu),方便不斷更新和升級,最大限度地滿足未來無線通信系統(tǒng)多頻段、多模式的應用需求[5]。

硬件平臺結(jié)構(gòu)的核心思想:一是使A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線,二是用高速DSP、FPGA器件替代傳統(tǒng)的專用數(shù)字電路和低速DSP等做A/D后的一系列數(shù)字信號處理[6～7]。圖4給出了軟件無線電硬件平臺組成結(jié)構(gòu),其中RF發(fā)射模塊和RF接收模塊采用可編程的FPGA結(jié)構(gòu),主要用于實現(xiàn)1MHz～4GHz射頻信號與統(tǒng)一中頻之間的轉(zhuǎn)換。受限于器件工藝水平及技術(shù)儲備能力等原因,對于全帶寬內(nèi)信號的直接低通或帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu),工程上實現(xiàn)難度較大。所以采用較為可行的折中方案——寬帶中頻帶通采樣,射頻前端功能采用模擬部件完成,中頻及基帶為數(shù)字化實現(xiàn)。折中方案中保留軟件無線電的基本特點和優(yōu)勢,用于在后續(xù)的演進過程中,逐漸淘汰升級保守設計的軟硬件模塊,最終實現(xiàn)標準化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[8～9]。

1MHz～4GHz全帶寬射頻處理對硬件要求很高,但考慮到艦船上通信系統(tǒng)并不要求覆蓋整個帶寬,而僅需要占用不同頻率的幾個窗口,如HF頻段(2M～30MHz)、VHF頻段(30MHz～88MHz、108MHz～174MHz)、UHF頻段(225MHz～400MHz)。另外,衛(wèi)星通信,包括UHF衛(wèi)通,INMARSAT-C海事衛(wèi)星以及S衛(wèi)通等也都只占用三百多兆、1.5G以及2G頻率附近范圍內(nèi)的幾十兆的頻段寬度。所以射頻收發(fā)處理可以按照頻率段來分段完成,可降低單個通道的射頻指標需求。并且多通道分段處理中,可利用多片A/D并行時間交替采樣,且每個通道可采用非均勻采樣,可實現(xiàn)對頻率跨度較大信號的捕獲。該方式比較適合分段獨立天線,射頻分段后單獨送至天線端口,可避免造成電路冗余,設備連接結(jié)構(gòu)也更簡單。但即便是采用集成化的寬帶天線,也是可以采用多頻段分段處理技術(shù),用幾個倍程的組合式寬帶天線代替全頻段天線,更好實現(xiàn)和滿足使用需求。并且,就目前的技術(shù)而言,幾個倍頻程的寬帶功放也更易實現(xiàn)[10]。

圖4 軟件無線電硬件平臺組成結(jié)構(gòu)

另外,北斗定位頻段1561MHz/1268MHz,GPS定位頻段1575MHz也在軟件無線電頻段覆蓋范圍內(nèi),其功能實現(xiàn)也可以使用軟件無線電來實現(xiàn)。

數(shù)字信號處理模塊負責70MHz中頻以及基帶信號處理,數(shù)字化接口由母板搭載的FMC(FPGA Mezzanine Card)采樣子卡提供,可實現(xiàn)250MHz A/D通道采樣率和1GHz D/A通道速率,并由模塊中的可編程單元DSP和FPGA來滿足采樣子卡的高速數(shù)據(jù)緩存與實時信號處理。根據(jù)具體使用需求,可配置多塊數(shù)字信號處理模塊。

主控制模板的核心是可編程的PowerPC單元,是平臺的核心控制單元。密碼模塊用于信息加密和解密。接口模塊則提供外部時統(tǒng)、時標以及頻標等接口。

最后,綜合考量艦船通信系統(tǒng)使用需求以及當前國內(nèi)軟件無線電技術(shù)繼承和發(fā)展情況,艦船軟件無線電硬件體系結(jié)構(gòu)采用先進的標準化總線結(jié)構(gòu)較為合適,不但可提供較高的通信處理能力,而且具備高可靠性、高密度的優(yōu)點,很多部件也容易實現(xiàn)模塊化、標準化和通用化,與軟件無線電的基本思想一致。CPCI并行總線通用的操作系統(tǒng)和支持熱插拔技術(shù)使其具有最廣泛的軟件適應性和最大的應用空間開發(fā)能力。MicroTCA串行總線是電信領(lǐng)域的基站、交換機等采用的總線標準,可擴展背板帶寬可達1～40Gb/s,支持多型拓撲結(jié)構(gòu),也支持熱插拔。國內(nèi)軟件無線電電臺的研究也主要采用這兩種總線,隨著未來總線技術(shù)的共性需求越來越多也越來越高,最終不可避免會走向統(tǒng)一。

5 結(jié)語

針對當前艦船通信系統(tǒng)集成化和信息化水平較低的缺點,本文提出了基于軟件無線電的艦船通信系統(tǒng)集成化方案及集成優(yōu)化逐步實現(xiàn)過程,并構(gòu)建了硬件平臺體系結(jié)構(gòu),其可覆蓋1MHz～4GHz頻率,可前向兼容現(xiàn)有通信體制,滿足各種通信、定位導航業(yè)務需求,同時還具有極強的后向擴展能力,極大提高艦船通信系統(tǒng)的綜合集成優(yōu)化水平。

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Integrated Design for Ship Communication System Based on Software Defined Radio

FAN Huili WU Youli

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064)

Aiming at the questions of various radios with simplex function, poor flexibility, non-uniform GUI and interface standard, an integrated optimization scheme and its realization process and hard platform architecture based on software defined radio for ship communication system is proposed, which covers with 1MHz～4GHz, can forward compatible to satisfy communication services of shortwave, ultra-short wave, UHF/S satellite communication and GPS/compass satellite navigation fixer system. In addition, the system is backward compatible with strong extension and cooperative engagement capability and can improve the level of integrated optimization and communication ability greatly.

software defined radio, ship communication system, integrated optimization, architecture

2014年11月13日,

2014年12月31日

范慧麗,女,博士研究生,工程師,研究方向:艦船通信系統(tǒng)。吳有力,男,工程師,研究方向:船舶設計。

TN915

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.019