軟件無線電在民航領(lǐng)域的應(yīng)用分析

胡胤杰

摘? ?要：自20世紀80年代以來，傳統(tǒng)無線電技術(shù)開始向軟件無線電方向發(fā)展，并在近些年開始將其利用到民航領(lǐng)域的諸多方面。文章將以軟件無線電為重點，從應(yīng)用和展望等方面對其在民航領(lǐng)域的應(yīng)用進行詳細闡述，希望能夠為從事相關(guān)工作的人員提供一些工作思路，僅供參考。

關(guān)鍵詞：軟件無線電;民航領(lǐng)域;噪聲監(jiān)測;航空干擾快速識別;雷達系統(tǒng)

隨著我國科技水平和經(jīng)濟水平的不斷發(fā)展，我國航空領(lǐng)域發(fā)展也得到了長足的進步，國家“十三五”規(guī)劃明確指出，截至2020年年底，國內(nèi)民用機場總數(shù)將達到240余個，在這高速發(fā)展的背后，軟件無線電技術(shù)的應(yīng)用功不可沒，在噪聲監(jiān)測、干擾快速識別、雷達等方面都作出了突出貢獻。

1? ? 軟件無線電及其關(guān)鍵技術(shù)

軟件無線電是一個在開放的公共硬件平臺上利用不同可編程的軟件方法實現(xiàn)所需的無線電系統(tǒng)。

目前，軟件無線電所涉及的關(guān)鍵技術(shù)大致包括：（1）開放式總線結(jié)構(gòu)。由于軟件無線電的開放性特點，使得此項技術(shù)中的開放式總線結(jié)構(gòu)成了主要技術(shù)之一，這是由于開放式能夠保證標準化總線的先進性，使軟件無線電技術(shù)實現(xiàn)適應(yīng)性廣、升級換代便利等需求所決定。（2）寬帶/多頻段天線。軟件本身是無法直接運行的，必須依靠硬件為依托，否則難以實現(xiàn)其全部功能，而軟件無線電的主要硬件依靠就是寬帶/多頻段天線。在此部分中，主要實現(xiàn)了組合式多頻段天線及智能化天線技術(shù)、模塊化通用化收發(fā)雙工技術(shù)等。（3）模數(shù)轉(zhuǎn)換部分。速率與精度是模數(shù)轉(zhuǎn)換的主要內(nèi)容，在一般情況下，標準要求的速率是信號寬帶的2.5倍以上，而精度在80 dB的動態(tài)范圍下不能低于12位，多個模擬/數(shù)字（Analog to Digital，A/D）并聯(lián)是采樣時經(jīng)常使用的方法。（4）數(shù)字下變頻部分。此部分應(yīng)該在A/D變換后進行，包括數(shù)字下變頻、濾波和二次采樣等，是系統(tǒng)中數(shù)字處理運算量最大的部分。（5）高速信號處理部分。這是軟件無線電的核心，主要負責(zé)基帶處理、調(diào)制調(diào)節(jié)以及比特流處理等工作。（6）信令處理部分。在此部分中，需要把現(xiàn)有的各種信令劃分成不同標準、數(shù)個層次，研發(fā)出通用的信令框架[1]。

2? ? 軟件無線電在民航領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1? 民用機場航空器噪聲監(jiān)測硬件平臺

2.1.1? 民用機場航空器噪聲源

民用機場的航空器噪聲源主要是指航空器在起降、滑行和試車的過程中所產(chǎn)生的噪音與輻射等，主要可以分為兩類：機體噪聲、推進噪聲。就機體噪聲來說，是由飛機在起降、滑行的過程中空氣經(jīng)過機體表面產(chǎn)生巨大的氣流壓力擾動而造成的，并且機體表面的渦流也同時產(chǎn)生變化，在遠場便會出現(xiàn)多頻信號噪聲。就推進系統(tǒng)噪聲來說，是發(fā)動機在工作時由螺旋槳、風(fēng)扇、渦輪等機體結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生。對于這些噪聲，目前已經(jīng)可以應(yīng)用軟件無線電實時監(jiān)測，進行分析與處理，為民用航空的健康發(fā)展作出貢獻[2]。

2.1.2? 民用機場航空器監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

民用機場航空器監(jiān)測系統(tǒng)以噪聲監(jiān)控軟件為核心，以噪聲監(jiān)測終端、中央控制室、系統(tǒng)工作站等幾大部分為主要硬件。其中，中央控制室作為多個硬件設(shè)施的連接樞紐，能夠保證整個系統(tǒng)的完整運行，是重中之重。它的本質(zhì)是一個多通道的噪聲信號分析平臺，具有對噪聲信號進行檢測、分析和數(shù)據(jù)處理的功能。

2.1.3? 噪聲檢測硬件平臺架構(gòu)

噪聲檢測硬件平臺主要由幾部分設(shè)計組成，分別是信號板設(shè)計、交換板設(shè)計、中央控制室處理機以及一些其他較為細小的設(shè)計。就信號板設(shè)計來說，其前端有一個射頻前端部件，用來完成將射頻信號處理成中頻信號的工作，再對中頻信號進行采樣，并利用數(shù)字信號處理算法進行處理，通過接口傳給交換轉(zhuǎn)接板。就交換板設(shè)計來說，其上具有RapidIO交換芯片和PowerPC處理器。前者主要是將多個數(shù)據(jù)連接到同一塊交換轉(zhuǎn)接板上，使數(shù)據(jù)傳輸能夠?qū)崿F(xiàn)多對一的傳輸形式;后者則主要是為了實現(xiàn)對軟件指令在各部分之間實現(xiàn)互相通信，并將分析處理后的噪聲信號數(shù)據(jù)進行傳輸。

2.1.4? 平臺性能分析

由于國內(nèi)機場的噪聲監(jiān)測點多為陣列式，數(shù)量為幾十個，所以其監(jiān)測終端多具有泛網(wǎng)格化的特點，系統(tǒng)對噪聲的收集、分析、處理工作也多采用關(guān)聯(lián)分析算法或陣列信號處理算法，而利用基于軟件無線電的民用機場航空器噪聲監(jiān)測硬件平臺則能夠有效滿足其算法對傳輸速率的要求。另外，由于軟件無線電的寬帶中頻特性等特點，其對系統(tǒng)信號的處理分析能力相比于傳統(tǒng)民航噪聲檢測系統(tǒng)也更為優(yōu)良。

2.2? 航空干擾快速識別系統(tǒng)

2.2.1? 航空干擾源

目前，在民航飛機的搭載設(shè)備中，與無線電相關(guān)的兩大設(shè)備系統(tǒng)主要是導(dǎo)航設(shè)備與通信設(shè)備。其中，導(dǎo)航設(shè)備所采用的接收天線主要以方向性為主導(dǎo)，接收對象的信號頻率基本固定，為低頻信號且?guī)捳云淇垢蓴_能力較強。機載通信設(shè)備由于所接收的頻段為全頻段，并且其中的微帶天線為保障通信系統(tǒng)的應(yīng)用性而犧牲了部分天線性能，所以其整體設(shè)備的抗干擾能力較差，一旦有干擾信號落入通信頻段，這些信號就會對航空通信產(chǎn)生強干擾。其中，主要包括電網(wǎng)系統(tǒng)、信號線電磁以及電磁干擾設(shè)備等因素的干擾。

2.2.2? 航空干擾快速識別系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)整體架構(gòu)主要是分為3部分：信號采集模塊、信號分析模塊、統(tǒng)計和顯示模塊。（1）就信號采集模塊來說，主要分為硬件和軟件兩部分，由硬件部分組成前端接收機，收集信號并將射頻信號轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐盘?而軟件部分是通過對頻段內(nèi)的掃描工作計算出頻點的平均功率，并將計算結(jié)構(gòu)傳遞給信號分析模塊。（2）就信號分析模塊來說，在接收到來自信號采集模塊軟件部分傳遞過來的數(shù)據(jù)后，對頻點能量經(jīng)過一系列計算得出噪聲本底功率，并將其稱之為噪聲門限，以噪聲門限的數(shù)值為判定基礎(chǔ)，將頻點能量與其進行比較，若高出該門限數(shù)值，則認定存在信號。（3）就統(tǒng)計和顯示模塊來說，主要是將上述兩個部分所得出的數(shù)據(jù)以及其收集和判斷過程顯示到窗口中。

2.2.3? 系統(tǒng)性能分析

航空干擾快速識別系統(tǒng)在經(jīng)過多次測試后發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠有效識別出調(diào)頻廣播信號、AM信號和FM信號，使用此系統(tǒng)能夠監(jiān)控其干擾信號發(fā)射功率是否超出規(guī)范要求，一旦超出，便能夠發(fā)出警告消息，以此種方法幫助民用航空少受或者不受外界信號的不必要干擾。以深圳某民用航空公司為例，該公司秉承著“安全第一、預(yù)防為主、綜合治理”的安全工作方針，在民用客機上搭載了此種航空干擾快速識別系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)對干擾源的信息采集分析處理能力，降低干擾源對民用航空飛機的影響，努力提升風(fēng)險管理水平，有效保證了飛行安全，確保安全鏈的整體可靠性，為旅客提供最安心的飛行服務(wù)，使之相繼獲得了“深圳企業(yè)百強”“飛行安全一星獎”等榮譽稱號。

2.3? 雷達系統(tǒng)

2.3.1? 雷達與軟件無線電

雷達利用無線電波對周圍環(huán)境進行探測，得出周圍環(huán)境地形以及物體的形狀和距離，具有探測和測距的功能，利用雷達系統(tǒng)能夠有效幫助民航飛機探測航線上的不明飛行物體，及早進行航線清理或者規(guī)避，是民航飛機安全性的重要保證。在雷達技術(shù)中，信號處理是其核心技術(shù)，是雷達性能的重要保障，在傳統(tǒng)的雷達系統(tǒng)中，其性能主要被硬件所限制而發(fā)展緩慢，但是利用軟件無線電技術(shù)使雷達系統(tǒng)對于硬件設(shè)施的要求以及依賴程度大大降低，有效提高了系統(tǒng)對于信號的處理效率以及精度[3]。

2.3.2? 軟件無線電雷達系統(tǒng)架構(gòu)

由于目前將軟件無線電應(yīng)用到雷達系統(tǒng)中還處于探索階段，所以還沒有出現(xiàn)固定的架構(gòu)體系。不同設(shè)計者設(shè)計出的軟件無線電雷達系統(tǒng)由于其設(shè)計目的、應(yīng)用需求不同均會導(dǎo)致不同系統(tǒng)的架構(gòu)產(chǎn)生巨大差異，并且受到數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）和A/D轉(zhuǎn)換等期間制約，系統(tǒng)的實用性還不算太高，亟待相關(guān)技術(shù)人員加大對其研究力度，使之能夠發(fā)揮出更大作用。就目前來講，雖然各系統(tǒng)之間存在較大差異，但由于為了實現(xiàn)對模塊結(jié)構(gòu)的修改更為便利和更好地升級系統(tǒng)功能，還是有部分和模塊設(shè)計是大體相同的，例如對射頻前端的設(shè)計。該設(shè)計是一種通用化設(shè)計，頻率范圍較廣，使噪聲放大和混頻得以實現(xiàn)。

2.3.3? 軟件無線電雷達系統(tǒng)優(yōu)勢

利用軟件無線電能夠使雷達系統(tǒng)更具有靈活性，并且由于軟件無線電的軟件模塊化開發(fā)技術(shù)使得模塊開發(fā)更加便利，只需要對主程序進行修改而無需改變硬件結(jié)構(gòu)，減少了對硬件更換的損耗，極大提高了開發(fā)效率的同時，還降低了開發(fā)成本，使系統(tǒng)的性能得到穩(wěn)步提高。

3? ? 軟件無線電在民航領(lǐng)域的展望

雖然目前無線電在我國的民航領(lǐng)域已經(jīng)有了諸多應(yīng)用，但是其可發(fā)展空間仍然是無比巨大的，主要的發(fā)展趨勢有以下幾個方面：（1）體系結(jié)構(gòu)分層化和軟件模塊化。（2）軟件無線電結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)分析化。（3）認知化和智能化。通過對以上3個方面的發(fā)展，將會使軟件無線電在民航領(lǐng)域的應(yīng)用范圍擴大，如正在探索階段的雷達系統(tǒng)使用的正是軟件模塊化開發(fā)技術(shù)，還有正在研發(fā)的機載信號寬頻帶接收機，此種接收機相較于傳統(tǒng)硬件電路接收機，除改變了傳統(tǒng)的接收機以硬件為主的固定接收模式、使大部分操作均通過軟件來完成外，還具備以下幾點優(yōu)勢：（1）具有可編程性，在接收工作中，能夠通過設(shè)計核心組件以適應(yīng)不同基站具有的不同接收標準要求，使接收更加方便。（2）接收機升級更加便捷，在升級中只需要對程序模塊進行修改，能夠有效提高升級效率并減少升級成本。通過以上幾種方向和具體應(yīng)用方法能夠?qū)⒚窈筋I(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)水平不斷提升，更好地為廣大民眾服務(wù)。

4? ? 結(jié)語

總而言之，自軟件無線電在我國發(fā)展以來，在20余年間已經(jīng)能夠?qū)⑵鋺?yīng)用到通信等各個領(lǐng)域，發(fā)展?jié)摿薮?，且民航領(lǐng)域?qū)ζ湟蕾囆暂^強。因此，在民航領(lǐng)域中，相關(guān)技術(shù)人員要將軟件無線電技術(shù)重視起來，提高研究效率與成果質(zhì)量，使其能夠更好地為民航領(lǐng)域作出貢獻。

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Hu Yinjie

（Rockwell Collins CETC Avionics Co.， Ltd.（RCCAC）， Chengdu 610000， China）

Abstract：Since 1980s， traditional radio technology has begun to develop in the direction of software radio， and in recent years， it has been used in many aspects of civil aviation. This paper will focus on software radio， from the application and prospect of its application in the field of civil aviation in detail， hoping to provide some working ideas for the personnel engaged in related work， only for reference.

Key words：software radio; civil aviation; noise monitoring; rapid identification of air interference; radar system