軟件無線電技術(shù)在直升機(jī)通信導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

余榮昌

摘 要：本文針對當(dāng)前直升機(jī)通信導(dǎo)航系統(tǒng)操作復(fù)雜、設(shè)備眾多、兼容性差、升級成本高等問題，設(shè)計(jì)了一種基于軟件無線電技術(shù)的直升機(jī)通信導(dǎo)航系統(tǒng)，并針對該系統(tǒng)的基本思想、系統(tǒng)特點(diǎn)和功能模塊進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，最后分析了該系統(tǒng)的核心技術(shù)。

關(guān)鍵詞：直升機(jī)；通信導(dǎo)航系統(tǒng)；軟件無線電；應(yīng)用

1 系統(tǒng)的基本思想及體系結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)的特點(diǎn)

整個(gè)系統(tǒng)具有高度的靈活性和開放性，并具有以下4大基本特征：1）充分?jǐn)?shù)字化的，即從信源基帶信號的處理到射頻信號的發(fā)送和接收都盡可能地實(shí)現(xiàn)數(shù)字化；2）可編程的，即與PC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似，基于相對通用的硬件平臺，通過更換程序和模塊插件來適應(yīng)多頻道和多種工作方式，包括可編程的射頻頻帶、信道接入模式和信道調(diào)制等；3）多頻是可以轉(zhuǎn)換的，即具有良好的多頻帶天線和寬帶的A/D/A轉(zhuǎn)換能力；4）系統(tǒng)總線是標(biāo)準(zhǔn)、高性能和開放式的結(jié)構(gòu)，即能支持多個(gè)CPU并行工作，支持流水線和不同種類的處理機(jī)，通用性好，支持模塊化設(shè)計(jì)。

1.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

基于軟件無線電的直升機(jī)通信導(dǎo)航系統(tǒng)主要由多頻段寬帶天線單元、射頻單元、模塊數(shù)字無線電、I/O單元等組成。射頻單元在發(fā)射時(shí)主要完成上變頻、濾波、功率放大等任務(wù)，接收時(shí)實(shí)現(xiàn)濾波、放大、下變頻等功能。在模塊數(shù)字無線電單元，模擬信號經(jīng)過寬帶A/D數(shù)字化后的處理任務(wù)全由DSP/FPGA軟件承擔(dān)，為了減輕通用DSP/FP-GA的處理壓力，通常將A/D數(shù)字化的信號經(jīng)過專用的數(shù)字下變頻器處理，降低數(shù)據(jù)流速率，并把信號變至中頻或基帶后，再把數(shù)據(jù)送給通用高速的DSP/FPGA進(jìn)行處理。通用高速的DSP/FPGA主要完成各種數(shù)據(jù)率相對較低信號的處理。由于模塊數(shù)字無線電單元使用了可編程能力強(qiáng)的DSP/FPGA芯片，使其硬件結(jié)構(gòu)與功能相對獨(dú)立，這樣就建立了基于一個(gè)相對通用的硬件平臺，通過軟件實(shí)現(xiàn)不同的通信功能，并可對工作頻率、系統(tǒng)頻寬、調(diào)制/解調(diào)方式、信源加/解密碼、各種抗干擾、抗衰落、自適應(yīng)均衡算法的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行編程控制，系統(tǒng)靈活性大大增強(qiáng)。I/O接口主要完成各種數(shù)據(jù)（如話音、數(shù)據(jù)、圖像、傳真）的輸入和輸出。

2 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 寬帶多頻段天線

基于軟件無線電的直升機(jī)通信導(dǎo)航系統(tǒng)能夠從短波通信到微波的相當(dāng)寬的頻段內(nèi)進(jìn)行工作，按目前應(yīng)用來說，系統(tǒng)的天線應(yīng)該覆蓋全頻段。這種天線應(yīng)該是一種新型的全向?qū)拵炀€，可以根據(jù)實(shí)際需要利用軟件智能地構(gòu)造其工作頻段和輻射特性，覆蓋所用常用的無線通信頻段，并且在整個(gè)頻段和方向上都具有近似相同的接收特性和很低的功率損耗。這是軟件無線電天線研制的最終目標(biāo)，以目前國內(nèi)外寬帶天線的技術(shù)水平和制造工藝，設(shè)計(jì)、制作全頻段全向天線是很不現(xiàn)實(shí)的。

2.2 寬帶A/D、D/A轉(zhuǎn)換器

數(shù)字化是系統(tǒng)靈活性的基礎(chǔ)。它不僅是決定無線收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)的最主要的因素之一，而且它的性能在很大程度上制約著收發(fā)信機(jī)的性能?；谲浖o線電的直升機(jī)通信導(dǎo)航系統(tǒng)是直接在射頻上進(jìn)行A/D、D/A變換，這要求A/D、D/A變換器必須具有足夠高的采樣速度。根據(jù)Nyquist采樣定理，要不失真的反映信號特征，采樣頻率fs至少是模擬信號帶寬Wa的兩倍。為保證性能，在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常進(jìn)行過采樣處理，要求fs>215Wa對于A/D、D/A轉(zhuǎn)換器件不但要求具有較高的采樣速率，還要保證較高的采樣精度，即采樣值的位數(shù)要求足夠多，盡量減少量化噪聲，決定A/D、D/A轉(zhuǎn)換器件技術(shù)特性的一些參數(shù)包括：量化信噪比、無雜散動(dòng)態(tài)范圍、噪聲功率比和全功率模擬輸入帶寬等。A/D、D/A器件在直升機(jī)通信系統(tǒng)中所處位置非常關(guān)鍵，它直接反映了系統(tǒng)的軟件化程度，隨著技術(shù)的發(fā)展，A/D、D/A器件的性能逐步提高，其位置越接近射頻前端，最終真正實(shí)現(xiàn)基于軟件無線電的直升機(jī)通信系統(tǒng)。

2.3 高速數(shù)字信號處理

數(shù)字信號處理器是基于軟件無線電的直升機(jī)通信導(dǎo)航系統(tǒng)的靈魂，理想的系統(tǒng)要求DSP/FPGA直接處理射頻端數(shù)字化的信號并完成通信所要求的各種功能，這對DSP/FPGA要求很高，短時(shí)間內(nèi)不能實(shí)現(xiàn)。要處理經(jīng)A/D變換后輸出的中頻高速數(shù)字信號，DSP芯片必須通過軟件程序完成中頻數(shù)字變頻、濾波、二次抽樣、基帶處理、信道調(diào)制、無線資源管理等過程，這就要求DSP芯片的處理速度至少要在1GFLOPS以上。從性價(jià)比和功耗上出發(fā)，目前有幾種較好的解決辦法：一是采用多DSP芯片并行處理以提高處理速度；二是采用專用可編程芯片，完成中頻下變頻，然后再進(jìn)行數(shù)字信號處理；FPGA也是一種解決方案，其優(yōu)點(diǎn)在于可以充分利用電路的并行性，處理速度快、功耗低。

3 結(jié)束語

軟件無線電能夠很好地滿足直升機(jī)通信導(dǎo)航系統(tǒng)的多通道、多業(yè)務(wù)、多用戶和綜合控制的技術(shù)。但射頻前端對系統(tǒng)的采樣速度和精度指標(biāo)有極高的要求，而現(xiàn)有處理器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器難以滿足，因此還不能射頻完全實(shí)現(xiàn)軟件化，目前只能在中頻實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。相信隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)模器件的性能逐步提高，其位置越來越接近射頻高端，最終真正實(shí)現(xiàn)基于軟件無線電的直升機(jī)通信導(dǎo)航系統(tǒng)。

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