基于軟件無(wú)線電架構(gòu)的地面終端抗干擾技術(shù)研究

李軍峰，劉 進(jìn)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第20研究所 通信事業(yè)部，陜西 西安 710068)

?

基于軟件無(wú)線電架構(gòu)的地面終端抗干擾技術(shù)研究

李軍峰，劉 進(jìn)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第20研究所 通信事業(yè)部，陜西 西安 710068)

針對(duì)傳統(tǒng)硬件電路存在的設(shè)備研發(fā)周期長(zhǎng)、開發(fā)成本高的問(wèn)題，文中基于軟件無(wú)線電架構(gòu)設(shè)計(jì)了可配置、可重構(gòu)、可擴(kuò)展的地面終端系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上開展了抗干擾技術(shù)研究。通過(guò)設(shè)計(jì)快速跳變窄帶濾波器，采用跳頻、擴(kuò)頻相結(jié)合的混合抗干擾措施，使得該地面終端可有效對(duì)抗地面環(huán)境存在的多徑干擾、阻塞式及跟蹤式干擾。在實(shí)驗(yàn)室搭建的抗干擾測(cè)試環(huán)境，驗(yàn)證了該終端在跳頻模式下抗干擾容限優(yōu)于20 dB，能夠滿足其性能指標(biāo)要求。

軟件無(wú)線電；快速跳變窄帶濾波器；混合抗干擾；抗干擾容限

從20世紀(jì)70年代開始，隨著數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展和微電子技術(shù)的成熟，傳統(tǒng)的軍用無(wú)線電臺(tái)逐步實(shí)現(xiàn)了從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換[1-4]。近年來(lái)，隨著通信行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，市場(chǎng)要求不斷提高，新技術(shù)的研究、驗(yàn)證、投入周期縮短，開發(fā)成本逐步降低。同時(shí)，電子技術(shù)也在飛速發(fā)展，處理器性能不斷提高，制造成本逐步下降，許多由硬件實(shí)現(xiàn)的功能可以改由軟件方法獲得，使得復(fù)用性高、開放性好、生存周期長(zhǎng)的無(wú)線通信系統(tǒng)的建立成為可能[5-8]。

為克服傳統(tǒng)無(wú)線電臺(tái)功能、用途單一，系統(tǒng)開發(fā)成本大、周期長(zhǎng)、不易升級(jí)、不同產(chǎn)品之間無(wú)法互聯(lián)互通的問(wèn)題，1992年5月Joseph Mitola Ⅲ 博士在美國(guó)電信會(huì)議上首次提出軟件無(wú)線電的概念[9-13]。軟件無(wú)線電論壇對(duì)軟件無(wú)線電的定義為：軟件無(wú)線電是一種新型的無(wú)線電體系結(jié)構(gòu)，它通過(guò)硬件和軟件的結(jié)合使系統(tǒng)和用戶終端具有可重配置能力[14-16]。軟件無(wú)線電不僅可實(shí)現(xiàn)設(shè)備功能的可重構(gòu)，同時(shí)，通過(guò)軟件無(wú)線電技術(shù)的應(yīng)用可有效地解決模擬電路帶來(lái)的本振漂移、相位噪聲、混頻產(chǎn)生的虛假信號(hào)、放大時(shí)產(chǎn)生的諧波以及互調(diào)等問(wèn)題。

因此，新一代無(wú)線通信系統(tǒng)要求在射頻、中頻和基帶處理上，通過(guò)系統(tǒng)與終端的可重構(gòu)，以及軟件編程進(jìn)行聯(lián)合處理，在全面兼容現(xiàn)有的無(wú)線通信體制基礎(chǔ)上，做到對(duì)未來(lái)無(wú)線通信體制的良好適應(yīng)，從技術(shù)角度對(duì)軟件無(wú)線電產(chǎn)生了迫切的需求。

1 地面無(wú)線通信系統(tǒng)

地面無(wú)線通信系統(tǒng)主要應(yīng)用于解決地面復(fù)雜環(huán)境下的數(shù)據(jù)和話音業(yè)務(wù)通信需求，其中核心裝備為地面終端設(shè)備?？紤]到開發(fā)成本以及功能可升級(jí)等方面的因素，地面終端采用軟件無(wú)線電體系架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

地面終端主要由天線、射頻前端模塊及信號(hào)與信息處理模塊組成。射頻前端主要完成射頻信號(hào)預(yù)選、放大、濾波，發(fā)射信號(hào)的激勵(lì)、放大，并配合數(shù)控衰減器匹配ADC輸入電平及DAC輸出電平；信號(hào)與信息處理模塊完成模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的A/D、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)據(jù)及話音等業(yè)務(wù)消息處理功能。地面終端組成原理框圖如圖1所示。

圖1 地面終端組成原理框圖

參考軟件通信體系結(jié)構(gòu)規(guī)范(SCA)的思想，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的軟件無(wú)線電設(shè)計(jì)，應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)與通用平臺(tái)的開發(fā)相分離，軟件的設(shè)計(jì)獨(dú)立于硬件平臺(tái)，盡可能減少硬件平臺(tái)的具體結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的影響，有效提高軟件設(shè)計(jì)的可移植性、可重復(fù)性和互操作性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的可配置、可重構(gòu)、可擴(kuò)展性。

2 系統(tǒng)抗干擾技術(shù)分析

地面終端主要應(yīng)用于地面復(fù)雜環(huán)境，要求系統(tǒng)既能抗地面多徑干擾，同時(shí)能抗典型的針對(duì)通信系統(tǒng)的阻塞式、跟蹤式等人為干擾[17-18]。為方便全網(wǎng)用戶靈活組網(wǎng)，系統(tǒng)采用全向天線，同時(shí)由于用戶不可能有大的容納空間和大功率電源，因而也排除了系統(tǒng)采用大功率發(fā)射和空間分割的方法產(chǎn)生抗干擾性能的可能，因此綜合考慮系統(tǒng)的抗干擾方式主要采用跳擴(kuò)頻加糾錯(cuò)編碼體制。

為使終端具有較強(qiáng)的抗干擾能力，系統(tǒng)采用跳頻、擴(kuò)頻體制，跳頻的范圍應(yīng)均勻地占滿整個(gè)工作頻段，為躲避敵方的跟蹤干擾，需要高速跳頻。跳頻后的信號(hào)頻譜均勻地布滿了所占用的頻段，敵方只好在寬范圍內(nèi)采用梳狀式壓制干擾，這就使得敵方干擾機(jī)功率一定的條件下，單位頻帶內(nèi)的干擾功率減小，因而降低了干擾效能。

跟蹤式干擾分為兩種基本類型：波形跟蹤和轉(zhuǎn)發(fā)式跟蹤，前者從破譯跳頻圖案著手實(shí)現(xiàn)跟蹤，由于終端采用跳頻、擴(kuò)頻技術(shù)，終端頻率按照偽隨機(jī)序列跳變，重復(fù)的概率非常小，因此實(shí)現(xiàn)波形跟蹤的難度很大。

對(duì)于轉(zhuǎn)發(fā)式跟蹤干擾，由于終端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，干擾信號(hào)必須在信號(hào)駐留時(shí)間內(nèi)到達(dá)通信接收機(jī)，才有可能實(shí)現(xiàn)有效干擾。假如干擾機(jī)距離系統(tǒng)收發(fā)信機(jī)200 km，距離Rtr、Rjt、Rjr分別為干擾機(jī)到通信發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的距離，為確保系統(tǒng)不被轉(zhuǎn)發(fā)式跟蹤方式有效干擾，系統(tǒng)跳頻速率大于每秒2 000跳，則敵方很難實(shí)施跟蹤式干擾，干擾示意圖如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)發(fā)式干擾示意圖

如圖1所示，終端采用的軟件無(wú)線電體系架構(gòu)直接對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，是一個(gè)寬帶系統(tǒng)，即系統(tǒng)接收通道同時(shí)工作在整個(gè)射頻帶寬上，接收通道在接收有用信號(hào)的同時(shí)，也會(huì)同時(shí)接收工作頻段內(nèi)的干擾信號(hào)。因此，地面終端射頻前端模塊的設(shè)計(jì)將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性能影響非常大。射頻前端的主要功能是：盡可能多地濾除不需要的干擾信號(hào)，對(duì)接收有用信號(hào)進(jìn)行變換，使頻率、電平與后端ADC相匹配。

對(duì)于帶通采樣系統(tǒng)而言，射頻前端內(nèi)部預(yù)選濾波器起到濾除帶外干擾信號(hào)的作用，確保后端A/D器件不被干擾信號(hào)阻塞；另外，地面終端是一個(gè)高速跳頻系統(tǒng)，要求射頻前端預(yù)選濾波器在信號(hào)同步段能夠同時(shí)接收4個(gè)頻點(diǎn)的有用信號(hào)，并且工作頻點(diǎn)可高速跳變。因此將該濾波器定義為快速跳變窄帶濾波器，它的性能指標(biāo)對(duì)整個(gè)接收通道來(lái)說(shuō)都非常關(guān)鍵，不僅要求該濾波器工作帶寬寬，而且要求它具有較低的插損和高的選擇性。

3 快速跳變窄帶濾波器

為確保地面終端的性能，提高接收通道對(duì)有用信號(hào)的選擇性，保證天線接收進(jìn)來(lái)的強(qiáng)干擾信號(hào)不會(huì)阻塞后端A/D器件，要求快速跳頻窄帶濾波器的跳頻速率≤10 μs，信號(hào)3 dB帶寬≥13 MHz，插入損耗≤6 dB，信號(hào)選擇性40 dBc@F0±45 MHz，通過(guò)信號(hào)控制該濾波器最多可同時(shí)工作在4個(gè)頻率點(diǎn)上，且中心頻率點(diǎn)每1 MHz連續(xù)可調(diào)。濾波器實(shí)際測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 快速跳變窄帶濾波器實(shí)際測(cè)試結(jié)果

4 抗干擾試驗(yàn)

如圖4所示，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建地面終端抗干擾測(cè)試環(huán)境，按照單頻點(diǎn)和跳頻兩種工作模式分別測(cè)試了地面終端的抗干擾能力。

圖4 干擾試驗(yàn)測(cè)試環(huán)境原理框圖

4.1 單頻點(diǎn)工作模式

(1)同頻單音頻干擾。如圖5所示，終端以點(diǎn)頻方式工作，耦合輸入的干擾信號(hào)是有效信號(hào)射頻載波，無(wú)調(diào)制，理論帶寬0 Hz，通過(guò)信號(hào)源產(chǎn)生，功率電平可控制。此項(xiàng)測(cè)試主要驗(yàn)證終端對(duì)抗單音頻干擾信號(hào)的能力；

圖5 同頻單音頻干擾示意圖

(2)臨近信道多頻率信號(hào)干擾。如圖6所示，終端以點(diǎn)頻方式工作，耦合輸入的干擾信號(hào)是有效信號(hào)射頻載波的左右頻偏，無(wú)調(diào)制，理論帶寬0 Hz，連續(xù)波，通過(guò)信號(hào)源產(chǎn)生，功率電平可控制。此項(xiàng)測(cè)試主要驗(yàn)證終端對(duì)抗臨道多頻點(diǎn)干擾信號(hào)的能力；

圖6 臨近信道多頻率信號(hào)干擾示意圖

(3)同頻單載波同帶寬干擾信號(hào)。如圖7所示，終端以點(diǎn)頻方式工作，耦合輸入的干擾信號(hào)是有效信號(hào)射頻載波，信號(hào)帶寬與載波調(diào)制信號(hào)一致，理論帶寬5 MHz，連續(xù)波，通過(guò)信號(hào)源產(chǎn)生，功率電平可控。此項(xiàng)測(cè)試主要驗(yàn)證終端對(duì)抗同頻同帶寬信號(hào)干擾信號(hào)的能力；

圖7 同頻單載波同帶寬干擾示意圖

(4)多路徑干擾信號(hào)。如圖8所示，多路徑干擾信號(hào)通過(guò)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行A/D采樣延遲后和采樣數(shù)據(jù)代數(shù)相加產(chǎn)生，其時(shí)延和功率電平精確可控。其中時(shí)延控制精度達(dá)到10 ns級(jí)，最大延遲量3 μs；功率控制精度1 dB，最大10 dB。

圖8 多徑干擾試驗(yàn)示意圖

4.2 跳頻工作方式

如圖9所示，終端工作在跳頻模式下，通過(guò)耦合輸入多個(gè)帶內(nèi)射頻載波信號(hào)，測(cè)試終端對(duì)譜線干擾信號(hào)對(duì)抗能力。干擾譜線數(shù)最多不超過(guò)40%。干擾信號(hào)功率電平可控，多譜線干擾信號(hào)分梳妝譜、連續(xù)譜及隨機(jī)譜3種分布方式輸入。

圖9 跳頻工作方式下多普線干擾試驗(yàn)示意圖

按照單頻點(diǎn)和跳頻兩種方式分別在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下開展抗干擾測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果表明，在單頻點(diǎn)工作模式下，同頻單音頻干擾在信干比優(yōu)于-5 dB條件下信道接收指標(biāo)符合要求；臨近信道單載波信號(hào)干擾方式下，在干擾信頻率偏離射頻載波5 MHz以上，信干比優(yōu)于-60 dB時(shí)信道接收指標(biāo)符合要求；同頻單載波同帶寬干擾方式下，信干比優(yōu)于2 dB時(shí)信道接收指標(biāo)符合要求；在多徑干擾方式下，主徑干擾信號(hào)延遲大于0.4 μs的情況下信道接收指標(biāo)符合要求。在跳頻模式下，設(shè)備抗干擾容限優(yōu)于20 dB。綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，該地面終端能夠有效地對(duì)抗多徑及人為阻塞式、跟蹤式干擾。

5 結(jié)束語(yǔ)

為解決傳統(tǒng)通信系統(tǒng)開發(fā)成本大、周期長(zhǎng)、不易升級(jí)等問(wèn)題，本文基于軟件無(wú)線電架構(gòu)對(duì)地面終端的抗干擾技術(shù)進(jìn)行了研究，針對(duì)該系統(tǒng)技術(shù)體制設(shè)計(jì)了快速跳變窄帶濾波器，通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)室抗干擾測(cè)試環(huán)境，模擬外場(chǎng)實(shí)際多徑、阻塞式、跟蹤式等多種干擾方式，驗(yàn)證了該地面無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)上述干擾方式的抗干擾性能。

[1] 高西全,丁玉美.數(shù)字信號(hào)處理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2010.

[2] 黃日新,陳芬,黃勇,等.基于MDS數(shù)字無(wú)線電臺(tái)的電力應(yīng)急通信系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)通信,2012(5):89-93.

[3] 陳雷亮,張仁杰,劉虎,等.基于MSP430單片機(jī)的無(wú)線信號(hào)采集系統(tǒng)[J].電子科技,2015,28(8):39-42.

[4] 李鵬.基于新形勢(shì)下的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展研究[J].電子測(cè)試,2016(6):76-77.

[5] 張健,干星君,徐懷志.基于FPGA的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)[J].信息技術(shù)與信息化,2016(1):114-116.

[6] 常濤.基于FPGA+DSP的基帶數(shù)字信號(hào)處理平臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué),2016.

[7] 桑亞樓,阮鄭興.無(wú)線電數(shù)字信號(hào)處理與軟件無(wú)線電技術(shù)綜述[J].電子科技,2012,25(6):155-157.

[8] 周杰.一種低功耗軟件無(wú)線電信號(hào)處理平臺(tái)[J].電子科技,2013,26(8):53-56.

[9] 楊小牛,樓才義,徐建良.軟件無(wú)線電原理與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001.

[10] 吳啟暉.軟件無(wú)線電在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用與新進(jìn)展[J].電信科學(xué),2000(7):159-162.

[11] Mitola J.The software radio architecture[J].IEEE Communications Magazine,1995(7):336-341.

[12] 姜宇柏,游思晴.軟件無(wú)線電原理與工程應(yīng)用[J].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[13] Srikanteswara S,Neel J,Reed J H.Soft radio implementations for 3G and future high data rate systems[C].Newzealand:Global Telecommunications Conference,2001.

[14] 王磊. FPGA陣列軟件無(wú)線電硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué),2014.

[15] 覃武凌.基于多天線軟件無(wú)線電的WLAN自優(yōu)化算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京:北京郵電大學(xué),2015.

[16] 胥嘉佳,許鳴.一種基于軟件無(wú)線電的中頻BPSK信號(hào)解調(diào)算法[J].電子科技,2014,27(7):30-32.

[17] 李彥栓,潘理剛.基于DRFM的欺騙干擾與壓制干擾技術(shù)研究[J].電子科技,2015,28(6):158-161.

[18] 孫文超.導(dǎo)航接收機(jī)的空時(shí)抗干擾研究及實(shí)現(xiàn)[J].電子科技,2016,29(6):138-142.

Research on Anti-jamming Technology for Ground Terminals Based on Software Defined Radio Architecture

LI Junfeng，LIU Jin

(Communications Division,20th China Electronics Technology Group Corporation Institute,
Xi’an 710068,China)

Aiming at the long research cycle and high cost shortcomings of the traditional hardware circuits, the anti-jamming technology for the ground terminals based on software defined radio architecture is proposed in this paper. The fast hopping narrow band filter is designed, which adopts the multipath anti-jamming measure combining frequency hopping and spread-spectrum technique. The ground terminals have the countermeasure ability to cope with the existing multipath interference, block type and tracking interference of the ground environment. Finally, it is proved that better than 20dB anti-jamming margin performance can be obtained through the laboratory anti-jamming environments.

software defined radio;multipath anti-jamming measure;fast hopping narrow band filter;anti-jamming margin

2017- 03- 21

國(guó)家自然科學(xué)基金(61372067,91338108)

李軍峰(1978-)，男，碩士。研究方向：衛(wèi)星通信。劉進(jìn)(1986-)，男，博士。研究方向：衛(wèi)星通信。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.06.019

TN929.5

A

1007-7820(2017)06-069-04