基于SCA射頻綜合的L波段波形組件研究

施曉穎

摘 ?要：文章研究在射頻綜合系統(tǒng)下傳統(tǒng)L波段功能應(yīng)用由單一應(yīng)用轉(zhuǎn)向射頻系統(tǒng)綜合化的設(shè)計(jì)方法。首先分析了傳統(tǒng)典型L波段塔康、ATC的工作原理，然后根據(jù)傳統(tǒng)超外差式的波形信號(hào)處理方法，提取了三種波形的共性并進(jìn)行小顆粒度組件化分析。同時(shí)，針對(duì)特定波形的特定功能模塊，進(jìn)行了特定波形組件分析。最后，根據(jù)軟件通信體系架構(gòu)（以下簡(jiǎn)稱SCA）設(shè)計(jì)約束對(duì)波形應(yīng)用進(jìn)行組件化設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)完成入波形組件庫(kù)的波形應(yīng)用組件，通過對(duì)組件管理與波形生成，得到了新的波形應(yīng)用。采用組件化后的設(shè)計(jì)，在未來(lái)的新波形體制生成、波形應(yīng)用管理等領(lǐng)域具有廣闊的前景，符合未來(lái)軟件無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：射頻綜合;SCA;波形組件化

中圖分類號(hào)：TN851 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）01-0056-02

Abstract： This paper studies the design method of changing the traditional L-band function application from single application to RF system integration in RF integrated system. Firstly， the working principle of traditional typical L-band Takang and ATC is analyzed， and then according to the traditional superheterodyne waveform signal processing method， the commonness of the three waveforms is extracted and analyzed by small granularity components. At the same time， the specific waveform components are analyzed for the specific functional modules of specific waveforms. Finally， according to the software communication architecture （hereinafter referred to as SCA） design constraints of the waveform application component-based design. According to the design and completion of the waveform application component into the waveform component library， a new waveform application is obtained through component management and waveform generation. The use of component-based design has a broad prospect in the future new waveform system generation， waveform application management and other fields， which is in line with the development of software radio technology in the future.

Keywords： RF synthesis; SCA; waveform componentization

引言

軟件無(wú)線電的核心部分是指導(dǎo)軟件無(wú)線電系統(tǒng)開發(fā)的一套獨(dú)立于具體實(shí)現(xiàn)的方法集合。JTRS發(fā)布的SCA規(guī)范是對(duì)軟件無(wú)線電系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)、軟件體系結(jié)構(gòu)、安全體系結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用程序接口（API）等四個(gè)方面進(jìn)行了規(guī)范。傳統(tǒng)的機(jī)載L波段波形設(shè)計(jì)都是采用單一模塊單獨(dú)設(shè)計(jì)的方法，波形之間采用獨(dú)立式開發(fā)。但通過分析可知，L波段波形的工作頻點(diǎn)相近，甚至有混疊的現(xiàn)象，在接收時(shí)，可以同時(shí)接收到其他功能波形的數(shù)據(jù)。因此，在軟件無(wú)線電體制下，可以通過統(tǒng)一、通用的模塊，對(duì)功能波形進(jìn)行SCA標(biāo)準(zhǔn)的組件化、綜合化設(shè)計(jì)。本文分析了L波段典型波形信號(hào)信息處理原理，并對(duì)其通用的部分進(jìn)行了分析，最后采用基于SCA的軟件通信體系架構(gòu)對(duì)波形進(jìn)行了組件化設(shè)計(jì)。

1 L波段波形分析

1.1 塔康波形分析

塔康接收機(jī)信號(hào)主要是通過包絡(luò)檢測(cè)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行低噪放，將信號(hào)幅度放大后進(jìn)入下變頻模塊。在收發(fā)端口，信號(hào)需要通過內(nèi)部混頻器，得到70M中頻信號(hào)以及其鏡像信號(hào)。進(jìn)入70M后的中頻信號(hào)，由40Mhz ADC進(jìn)行信號(hào)采樣后，得到離散信號(hào)。根據(jù)帶通采樣原理，信號(hào)可以得到。經(jīng)過數(shù)字下變頻器DDC得到中心頻率在零點(diǎn)的數(shù)字基帶信號(hào)，其中NCO本地載波頻率為10MHz。塔康信號(hào)采用ASK調(diào)制，用正交解調(diào)具有較強(qiáng)的抗載頻失配能力，不要求本地載波和信號(hào)載波之間嚴(yán)格的同頻同相。為了減輕后續(xù)信號(hào)處理的負(fù)擔(dān)，對(duì)信號(hào)采用一定的抽取系數(shù)進(jìn)行抽取。對(duì)同相、正交支路求平方和，再求平方根，得到TACAN高斯脈沖的幅度值，在下變頻處理和塔康系統(tǒng)中頻信號(hào)的解調(diào)以及15Hz和135Hz包絡(luò)提取過程中要用到數(shù)字濾波技術(shù)，濾波器性能的好壞直接影響到后續(xù)環(huán)節(jié)的工作效果。常用的數(shù)字濾波器含有限和無(wú)限脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器，恢復(fù)出的脈沖采樣頻率為對(duì)中頻采樣頻率40MHz20倍抽取后得到的2MHz采樣頻率。進(jìn)入基帶的塔康信號(hào)為兩種信號(hào)，即15Hz和135Hz的疊加信號(hào)以及輔助基準(zhǔn)信號(hào)。通過低通濾波，可以得到數(shù)字信號(hào)相應(yīng)的包絡(luò)以及相位點(diǎn)。通過與輔助基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解算得到相應(yīng)的方位信息。

1.2 ATC波形原理分析

對(duì)于二次雷達(dá)的發(fā)射和接受，相較于塔康的發(fā)射和接收，相對(duì)簡(jiǎn)單。ATC二次雷達(dá)的發(fā)射和接受分別工作在1030M和1090M兩點(diǎn)，因此采用點(diǎn)頻率信號(hào)進(jìn)行混頻濾波，下變頻到70M，然后通過數(shù)字ADC，低通濾波，得到中心頻率在10Mhz的數(shù)字信號(hào)。最后通過數(shù)字DDS，將信號(hào)變頻到基帶，恢復(fù)出包絡(luò)信號(hào)。最后通過對(duì)包絡(luò)信號(hào)脈沖的解算，從而得到詢問信號(hào)，對(duì)端飛機(jī)應(yīng)答信號(hào)等。對(duì)于二次雷達(dá)的發(fā)射，則和塔康一樣，通過生成脈沖，在中頻端控制中頻發(fā)射的時(shí)間間隔，從而得到脈沖發(fā)射信號(hào)。

2 L波段波形組件化分析

2.1 射頻端波形組件分析

通過對(duì)塔康、ATC波形原理的分析，可以發(fā)現(xiàn)在接收端，采用超外差信號(hào)的流向都為通過天線接口單元接收到信號(hào)進(jìn)行低噪放，進(jìn)行放大后經(jīng)過兩次變頻到70M信號(hào)。因此，可以綜合三種波形的接收體制，在射頻端對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行組件功能劃分，即分別為射頻通道接收發(fā)射組件、模擬一次變頻組件、模擬二次變頻組件、混頻器控制組件、混頻器生成組件，上變頻組件等。其中，混頻器控制組件主要用于頻點(diǎn)的控制，根據(jù)塔康頻點(diǎn)切換工作方式，混頻器控制組件具有提前接收頻點(diǎn)控制和頻率合成。接收收發(fā)組件主要完成對(duì)天線的工作模式的選擇，即控制天線的輸入和輸出?；祛l器控制組件完成對(duì)天線接口前端的提前與混頻頻率選取，主要配合混頻器生成組件的協(xié)同工作?；祛l器生成組件完成對(duì)混頻器頻率的生成，頻率時(shí)延的控制，頻率偏移的控制。變頻組件主要完成對(duì)頻點(diǎn)的下變頻處理。上變頻組件主要完成變頻控制器的上變頻處理。濾波器組件完成在混頻后，對(duì)帶通內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)的濾除與解決。上變頻觸發(fā)組件由對(duì)上變頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，對(duì)于ASK調(diào)制信號(hào)，即可以在此進(jìn)行信號(hào)的調(diào)制。

2.2 信息處理組件分析

塔康測(cè)距主要通過檢測(cè)出的詢問脈沖和應(yīng)答脈沖之間的時(shí)延，通過脈沖對(duì)的匹配，從而對(duì)距離解算。測(cè)向通過解算出包絡(luò)后以及輔助脈沖后，通過相位差的計(jì)算，可以計(jì)算出飛機(jī)相對(duì)于塔臺(tái)的方位角。然而，單點(diǎn)的解算很難達(dá)到位置和方位的精確解，因此采用有限時(shí)間推演法，通過采用一定的時(shí)間內(nèi)樣本數(shù)據(jù)的采集，進(jìn)行濾波處理，通過卡爾曼濾波對(duì)位置和方位進(jìn)行跟蹤處理，從而可以得到相應(yīng)的位置和方位的精確解。ATC波形即根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行波形的數(shù)據(jù)位進(jìn)行解算，詢問和應(yīng)答的解析方式相同，即通過制定的脈沖位，高電平為1，低電平為0，通過高低電平的組織，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)位的發(fā)送和接受。但是ATC波形不同模式下，具有相應(yīng)的組包方式，在不同的詢問方式下，具有相應(yīng)不同的詢問信號(hào)的解算方式。

3 基于SCA的波形組件設(shè)計(jì)

3.1 基于SCA的波形組件化技術(shù)

研究軟件無(wú)線電基本應(yīng)用接口及其功能與行為是進(jìn)行波形設(shè)計(jì)的首要前提?；緫?yīng)用接口在軟件無(wú)線電核心框架（CF）中具體定義，CF是軟件無(wú)線電體系結(jié)構(gòu)的核心內(nèi)容，是實(shí)現(xiàn)對(duì)硬軟件資源的管理、波形應(yīng)用的加卸載以及一系列基礎(chǔ)服務(wù)而定義的一套標(biāo)準(zhǔn)的API接口。SCA規(guī)范要求波形開發(fā)采用模型驅(qū)動(dòng)架構(gòu)（MDA）的開發(fā)模式，MDA是對(duì)象管理組織提出的軟件開發(fā)框架，使得波形應(yīng)用的開發(fā)過程通過對(duì)軟件系統(tǒng)的建模行為驅(qū)動(dòng)。在基于MDA的波形開發(fā)中，核心的概念是平臺(tái)無(wú)關(guān)模型（PIM）和平臺(tái)相關(guān)模型（PSM）。通過對(duì)象描述語(yǔ)言IDL，用來(lái)抽象出接口，以IDL語(yǔ)言定義的文件具有強(qiáng)通用性、可移植性和高度抽樣性，在具體使用時(shí)，需要將其按照PSM映射規(guī)則以某種程序語(yǔ)言進(jìn)行映射，將IDL接口模型轉(zhuǎn)換為與軟件運(yùn)行平臺(tái)相關(guān)的軟件代碼。在對(duì)L波段波形進(jìn)行組件化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按照高內(nèi)聚松耦合的原則，對(duì)波形組件的通信接口組件明確定義，保證平臺(tái)的可移植性和通用性，組件對(duì)外暴露的應(yīng)是外部接口（包括接口和端口），而封裝的是具體的功能實(shí)現(xiàn)，其中組件接口繼承自基本應(yīng)用接口，實(shí)現(xiàn)組件初始化與釋放、啟動(dòng)與停止、查詢與配置、連接與斷開等用于核心框架管理與控制的操作;輸入輸出端口實(shí)現(xiàn)組件與其他組件或者設(shè)備、服務(wù)等的數(shù)據(jù)交互。

3.2 L波段波形組件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

通過對(duì)各個(gè)波形組件的分析，可以對(duì)波形組件的對(duì)外部關(guān)系、組件所完成的功能進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)。其中，混頻器控制組件主要完成射頻前端接收過來(lái)信號(hào)的混頻控制，主要由一塊硬件電路實(shí)現(xiàn)，混頻器的輸入。數(shù)字低通濾波器組件主要完成數(shù)字下采樣后低通濾波功能，主要由FPGA的IP和來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過Matlab，可以仿真出一條有效的濾波器參數(shù)。由于每個(gè)應(yīng)用波形使用的低通濾波器參數(shù)不盡相同，因此，對(duì)于每個(gè)波形都有一套相應(yīng)的濾波參數(shù)對(duì)濾波器進(jìn)行配置。參數(shù)配置后可以通過IP核的生成來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波器的。

3.3 L波段波形組件化下波形裝配

經(jīng)過波形組件化設(shè)計(jì)后的波形應(yīng)用組件需要經(jīng)過SCA符合性驗(yàn)證，從而進(jìn)入到波形組件應(yīng)用庫(kù)。在波形組件庫(kù)中找到相應(yīng)的波形功能應(yīng)用組件，根據(jù)事先開發(fā)好的波形組件裝配環(huán)境，以鼠標(biāo)拖拽的方式拖至波形編輯透視圖，將波形組件下發(fā)至各個(gè)功能硬件器件，通過調(diào)用結(jié)構(gòu)進(jìn)行總線連接，從而進(jìn)行功能驗(yàn)證。根據(jù)塔康和ATC在信號(hào)處理過程中的流程，通過波形組件化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)波形組件應(yīng)用裝配功能。如圖1所示：

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了在射頻綜合條件下基于SCA的L波段波形組件化設(shè)計(jì)與應(yīng)用。通過對(duì)L波段典型波形的原理分析，在超外差典型波形應(yīng)用產(chǎn)品設(shè)計(jì)下，提出了一種基于波形組件的設(shè)計(jì)方法。在波形組件設(shè)計(jì)上，提取L波段波形組件的通用部分，采用SCA的波形組件設(shè)計(jì)方法，將L波段的波形組件劃分為射頻前端波形組件、信號(hào)處理波形組件、波形解算波形組件。設(shè)計(jì)的基于SCA的波形應(yīng)用組件，通過SCA波形部署軟件，部署在各自的功能應(yīng)用平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)無(wú)特定關(guān)系波形組件之間的有效結(jié)合，達(dá)到波形應(yīng)用的生成。采用基于SCA的波形組件化設(shè)計(jì)方法，適用于未來(lái)軟件無(wú)線電系統(tǒng)的波形之間的協(xié)同開發(fā)、功能共用以及新波形生成。

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