基于軟件無線電的短波通信系統(tǒng)設(shè)計

楊益

摘要：隨著人們對通信的要求越來越高，各種新技術(shù)在通訊設(shè)計過程中的應(yīng)用也越來越廣泛。短波通信系統(tǒng)的設(shè)備繁多，操作比較復(fù)雜，而且升級成本高。隨著通信行業(yè)的不斷發(fā)展，未來其發(fā)展趨勢是集通信、導(dǎo)航一體化。對此，文章提出了在軟件無線電基礎(chǔ)上進(jìn)行短波通信系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，主要包括硬件平臺設(shè)計和軟件系統(tǒng)設(shè)計兩個方面。

關(guān)鍵詞：軟件無線電；短波通信系統(tǒng)；硬件設(shè)計；軟件設(shè)計

在短波通信系統(tǒng)的設(shè)計過程中可以考慮軟件無線電技術(shù)，對現(xiàn)有的業(yè)務(wù)波形進(jìn)行模塊化封裝，也可以對硬件模塊進(jìn)行升級，從而實現(xiàn)對通信系統(tǒng)功能的升級，在短波通信系統(tǒng)中加入這種新技術(shù)以及新體制波形，可以使得多個頻段的波形實現(xiàn)整合，比如可以將25kH寬帶波形、導(dǎo)航121等不同體制的波形進(jìn)行融合，獲得更加準(zhǔn)確的通信數(shù)據(jù)，為通信連接過程中的難題提供了一個有效的解決途徑。

1.基于軟件無線電的短波通信系統(tǒng)總體設(shè)計思路

軟件無線電技術(shù)是未來社會發(fā)展的一個必然產(chǎn)物，其具有很多優(yōu)良的特性，比如開放性、靈活性、擴(kuò)充性等都比較好，軟件無線電頂層設(shè)計規(guī)范對通信設(shè)備的軟件體系結(jié)構(gòu)、硬件體系結(jié)構(gòu)以及安全體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了確定，這種技術(shù)的應(yīng)用是為了實現(xiàn)各種無線通信設(shè)備之間的硬件模塊化以及軟件的可移植操作，采用了開放的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，通過各種共享的硬件組建以及軟件的連接，實現(xiàn)硬件維護(hù)以及軟件的功能升級，具體說來，其功能表現(xiàn)在兩個方面：第一，在硬件上具有互相連通的特性，第二，在軟件上可以實現(xiàn)多頻段、多模式、多通道的通信。

基于軟件無線電的短波通信系統(tǒng)的核心是軟件，作為一個信號處理平臺，其包括了3個重要的組成部分，分別是波形開發(fā)部署管理軟件、硬件平臺及軟件平臺。3個組成部分分別具有不同的功能，其中波形開發(fā)部署管理軟件，主要是對波形組件的功能進(jìn)行劃分、重用，并且還要控制物理層波形代碼的集成、波形分布的部署以及加載；硬件平臺則主要采用總線式結(jié)構(gòu)設(shè)計主要完成各種數(shù)據(jù)的收集、發(fā)出、模擬預(yù)處理等；軟件平臺則負(fù)責(zé)將各種硬件資源封裝和描述，在具體的描述過程中需要使用邏輯軟件，并且要在這些設(shè)備上加載一些不同的軟件，實現(xiàn)對多種波形的控制。

2.基于軟件無線電的短波通信系統(tǒng)的設(shè)計

2.1軟件無線硬件平臺架構(gòu)

電系統(tǒng)有一個顯著的特征，就是模塊化，無論是硬件平臺還是軟件系統(tǒng)，都是實現(xiàn)模塊化的，其中包括了很多個不同的功能模塊，這些模塊可以組合在一起成為一個整體的結(jié)構(gòu)，在硬件平臺設(shè)計中，各個模塊組織之間的組合與搭配，必須要以提高硬件的容量為前提，以便能夠滿足未來更加廣泛的信號覆蓋需求，延長設(shè)備的使用壽命。在軟件無線電系統(tǒng)的硬件平臺中，常見的硬件模塊組織有流水式、總線式、交換式結(jié)構(gòu)3種，各個結(jié)構(gòu)有其自身的特點，總線式結(jié)構(gòu)相對于流水式結(jié)構(gòu)，其功能模塊之間的耦合性較低，但是可擴(kuò)展能力較強(qiáng)。硬件平臺包括了主控制模塊、波形處理模塊、RF收發(fā)模塊，其中波形處理模塊和RF收發(fā)模塊還可以根據(jù)具體的配置情況，構(gòu)成多頻段、多通道的分布式信號平臺。

在硬件平臺系統(tǒng)中，其核心部位是波形處理模塊，波形處理模塊由AD/DA板和基帶處理板組成。其中AD/DA板的結(jié)構(gòu)是子板加載板，是為了對不同速率的波形進(jìn)行處理，也要對不同波形體制進(jìn)行支撐，基帶處理板則采用了多片DSP+FPGA架構(gòu)，可以與外界實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸，還能對傳輸情況進(jìn)行控制。

RF接收模塊則采用了超外差二次變頻的分頻段接收方式，在對頻率進(jìn)行選擇的時候略有差異，第一中頻的頻率是80MHz，第二中頻的頻率是70MHz，其變頻方式有兩種，可以使得干擾信號與接收信號之間的頻率差增大，便于帶通濾波器濾除鏡頻干擾。在通信系統(tǒng)的電路上，可以對通信的通道進(jìn)行選擇，切換通道的時候所選擇的開關(guān)有一分六和一分三的寬帶高速射頻開關(guān)，在這類通信通道上可以兼容3-30MHz頻段內(nèi)的多種波形，比如3kHz，25kHz和1MHz的窄、寬帶業(yè)務(wù)波形，都可以在這個信號通道上進(jìn)行傳輸。

另外，對于控制單元中的FPGA可編程單元，作為控制單元的主控器，所承載的任務(wù)較多，需要完成對本振芯片的寄存器配置、鎖定檢測，還要根據(jù)頻率的變化進(jìn)行開關(guān)切換，通過對不同的開關(guān)進(jìn)行組合，實現(xiàn)不同信號之間的鏈接，還需要根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，對供電結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，對于一些耗電量較大的元件可以自行關(guān)閉。

2.2軟件平臺架構(gòu)的設(shè)計

隨著操作系統(tǒng)、中間件等計算機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)在軟件無線電領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，軟件無線電結(jié)構(gòu)的層次化現(xiàn)象也越來越明晰，其中無線電軟件平臺主要包括6個層次。分別是板級支持包、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和接口服務(wù)層、操作系統(tǒng)層、CORBA中間件層、核心框架層、應(yīng)用層。通過該軟件平臺的架構(gòu)，可以實現(xiàn)多種智能化控制功能，比如波形之間的互通互聯(lián)性更強(qiáng)，在開發(fā)波形的時候，不需要首先對底層數(shù)據(jù)交換過程進(jìn)行了解，直接利用現(xiàn)有的組件對波形進(jìn)行重構(gòu)，從而使得各種代碼之間可以移植、可以重復(fù)、可以重構(gòu)。

如圖1所示，為軟件平臺的組成結(jié)構(gòu)，在軟件開發(fā)的時候使用的是sCAOE操作環(huán)境，在這個軟件平臺上包括核心框架和波形開發(fā)部署軟件。主控制模塊上運行針對硬件板卡和操作系統(tǒng)的SCAOE，另外，在主控制模塊上運行的OE和上位機(jī)模塊上運行的OE都可以滿足SCA兼容的要求。

sCA波形集成開發(fā)環(huán)境采用基于模型的應(yīng)用波形設(shè)計流程，對應(yīng)用波形的可移植性和可重用性進(jìn)行了提升，針對不同的SCAOE可以實現(xiàn)代碼的自動生成，另外，在對波形邏輯代碼進(jìn)行編寫測試的時候，可以將通過DSP與FPGA編譯好的文件與框架容器代碼進(jìn)行有效的集成，生成符合具體規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的波形。但是，SCA并不是一種具體的波形的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，而是一種基于DTD和POSIX技術(shù)的框架結(jié)構(gòu)，主要用于對各種軟件無線電的管理和部署。

在軟件系統(tǒng)中還有一個重要的模塊，就是要實現(xiàn)對波形的組件化開發(fā)，在SCA波形集成開發(fā)環(huán)境中，可以將主控制模塊看成是一個節(jié)點，并且以這個節(jié)點為中心，運行相應(yīng)的操作系統(tǒng)，并且能夠在操作系統(tǒng)上加載SCA的操作環(huán)境。在對波形進(jìn)行開發(fā)的時候是采用組件化方式進(jìn)行的。以QPSK波形為例，在對這個波形進(jìn)行開發(fā)的時候，可以簡單地將其分為編碼和解碼兩個過程，編碼和解碼的組件可以通過設(shè)置不同的參數(shù)，如依賴屬性、吞吐量等，對所有待部署的芯片進(jìn)行選擇，比如FPGA和DSP都是可以選擇使用的芯片，編碼組件主要實現(xiàn)代碼的輸出功能，解碼組件則主要實現(xiàn)代碼的輸入功能，通過編碼和解碼的過程，可以將代碼傳入到主控制模塊中的相應(yīng)模塊，從而實現(xiàn)對波形的各個組件的有效控制。

3.結(jié)語

綜上所述，隨著通信行業(yè)的不斷發(fā)展，對通信能力的要求也越來越大，基于軟件無線電的短波通信系統(tǒng)可以實現(xiàn)中頻和基帶模塊的通用化目的，還可以完成短波QPSK波形的組件化封裝以及動態(tài)加載過程。在未來的發(fā)展過程中，還應(yīng)該實現(xiàn)大動態(tài)寬帶接收、高諧雜波控制等目的，使得通信技術(shù)不斷更新，為通信行業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支持。