軟件無線電技術(shù)具有使用靈活、保密性強(qiáng)、適應(yīng)廣泛、升級(jí)簡(jiǎn)便的特 點(diǎn)，因而在軍用和民用無線通信中有著廣闊的應(yīng)用前景；研究軟件無線電技術(shù)在分析無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)信號(hào)、信道方面的應(yīng)用十分必要；通過對(duì)軟件無線電平臺(tái)、 關(guān)鍵技術(shù)和算法的介紹分析，結(jié)合基于R&S公司的SMU200構(gòu)建的無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈仿真系統(tǒng)，對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸鏈路中不同樣式信號(hào)的采集、解調(diào)以及信道模型對(duì)傳輸?shù)挠绊戇M(jìn)行仿真分析，得出保證數(shù)據(jù)鏈路有效傳輸?shù)臈l件，同時(shí)驗(yàn)證了數(shù)字仿真系統(tǒng)的可靠性 。

Application of Software Defines Radio Technology in UAV Data Link System

Fang Guo, Jin Tian, Shuxia Guo

(UAV Specialty Technique Key Labor at ory of National Defense Technology,

Northwestern Poly technical Uni versity, Xi'an 710065)

Abstract：The software defines radio technology has the advantage of flexibility, confidenti ality, and easily upgrade, and it was used widely at military and civilian wireless comm unications. It was necessary to study the software defines radio technology in the analysis of UAV data link system of signals and the research on channel. Theplat form, the key technolog and the algorithms of softw are define sradio were investigated. Based on the combination of R&S Construct- ion Company SMU200 simulation of UAV data link systems, the data trans missi on link to the UAV different style signal acquisition, demodula tion and channel model the impact of transmission was simulated. Atlast, the effective transmi ssion of data link conditions was discussed and the reliability of digital simulation system was verified-Key.

Key words: Software defines radio; datalink; channel model; SMU200A

1. 引言

無線通信的重要作用及廣泛應(yīng)用使得各種通信系統(tǒng)無法互通和兼容的缺點(diǎn)日益突出。為解決互通性問題，MILTRK公司的Jeo Mitola于1992年5月首次明確提出了軟件無線電 (softwared efines radio) 的概念，用以研制出具有高度靈活性、開放性的新一代無線通信系統(tǒng) 。

軟件無線電的各種功能是用軟件實(shí)現(xiàn)的[1]，由于這一概念所包含的靈活性、開放性等特點(diǎn)，使其不僅在軍、民無線通信中獲得了應(yīng)用、而且被推廣到諸如電子戰(zhàn)、雷達(dá)、信息化家電等其他領(lǐng)域。目前軟件無線電更多的是以一種概念和猜想的形式出現(xiàn)，具體定義和體系結(jié)構(gòu)尚無定論，而軟件無線電作為未來通信乃至未來無線電技術(shù)的發(fā)展方向，其研究應(yīng)用有著極具實(shí)際的意義和廣闊的前景。

2. 軟件無線電技術(shù)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 軟件無線電的結(jié)構(gòu)

軟件無線電的宗旨就是盡可能簡(jiǎn)化射頻模擬前端，使A/D轉(zhuǎn)換盡可能靠近天線，以完成模擬信號(hào)的數(shù)字化，而數(shù)字化的信號(hào)則盡可能多地用軟件進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)各種功能和指標(biāo)，其標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軟件無線電的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)

軟件無線電具有整體的可編程性，因此它能夠在單一的結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)多模和自適應(yīng)工作；而開放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)則使得軟件無線電可以靈活配置系統(tǒng)，通過軟件的 適當(dāng)調(diào)整或具有開放互連結(jié)構(gòu) (總線接口) 的功能模塊的更改實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的改變，不需要重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)，特別是硬件系統(tǒng)。在A/D變換后的所有處理都使用可編程芯片DSP由軟件編程實(shí)現(xiàn)。因此，這種體系結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的通用性，是實(shí)現(xiàn)多頻段、多工作模式和多用戶通信的最佳途徑[2] 。

實(shí)踐中，依A/D位置不同和采樣方式不同主要常采用三種基本結(jié)構(gòu)：射頻低通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)、射頻帶通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)和寬帶中頻帶通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 軟件無線電的常用基本結(jié)構(gòu)

射頻低通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)最接近理想結(jié)構(gòu)，如 (a) 圖所示；但此結(jié)構(gòu)對(duì)ADC性能及DSP要求過高，受限于器件水平， 在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)非常難以實(shí)現(xiàn)。(b)圖為射頻帶通采樣結(jié)構(gòu)，盡管較前種結(jié)構(gòu)在A/D前先經(jīng)過窄帶濾波放大再帶通采 樣，對(duì)ADC和DSP的要求大幅降低，但仍然存在要求較高的 ADC性能，實(shí)現(xiàn)起來還是有相當(dāng)難度的；同時(shí)需要分頻段來 實(shí)現(xiàn)較寬的工作帶寬；此外多個(gè)采樣頻率也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。圖 (c) 寬帶中頻帶通采樣結(jié)構(gòu)與常規(guī)的超外差式接收機(jī)類似，但較常規(guī)接收機(jī)的窄帶，軟件無線電接收機(jī)使用寬帶中頻。這樣對(duì)比前兩種結(jié)構(gòu)，不僅不需要第一種結(jié)構(gòu)所要求的超高速采樣，也不要求第二種結(jié)構(gòu)所需的高精度、 高工作帶寬所要求的采樣保持放大器，使A/D大大簡(jiǎn)化，這是射頻前端復(fù)雜性所帶來的好處。 在A/D器件無法滿足要求 的情況下，增加一點(diǎn)復(fù)雜性也是值得的。這種結(jié)構(gòu)將是近期軟件無線電一種可行的設(shè)計(jì)方案。

2.2 軟件無線電關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展

目前軟件無線電主要關(guān)注以下技術(shù)[3] :

(1)智能天線技術(shù)：智能天線技術(shù)具有自適應(yīng)、頻段選取、干擾對(duì)消和移動(dòng)跟蹤等能力。其實(shí)質(zhì)是數(shù)字多波束形成天線、可以有效提高信噪比，提升通信質(zhì)量，緩解無線通信發(fā)展與頻譜資源不足的矛盾，降低系統(tǒng)造價(jià)，改善系統(tǒng)管理，因此必將成為未來無線通信的關(guān)鍵技術(shù)。

(2) RF前端技術(shù)：現(xiàn)有軟件無線電系統(tǒng)中需要使用一組RF 模塊覆蓋整個(gè)頻段，在支持多標(biāo)準(zhǔn)時(shí)還可能要求更換射頻模塊。而高度小型化的多頻段多模式 (MB/MM) RF芯片的投產(chǎn)、以及超導(dǎo)RF技術(shù)均有助于實(shí)現(xiàn)RF前端所需的性能。低損耗、體積小、高集成度的RF模塊可以顯著降低體積、重量、功耗及成本，并提高處理速度和處理能力，使數(shù)字信號(hào)處理器能夠完成調(diào)制解調(diào)功能 。

(3)A/D-D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)：A/D-D/A在軟件無線電中有著重要的作用，作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的接口，將天線RF部分和通用數(shù)字軟件部分連接起來，要求較高的采樣速度分辨率，以及較寬的輸入帶寬?？拷炀€的A/D方案應(yīng)用于接收部分，而對(duì)應(yīng)的 D/A方案則應(yīng)用于發(fā)射部分。

(4) 數(shù)字下變頻(DDC)技術(shù)[4]：軟件無線電功能完全由軟件實(shí)現(xiàn)，需要很高的系統(tǒng)運(yùn)算速度。因此在實(shí)際軟件無線電中，通過數(shù)字下變頻器技術(shù)，從輸入寬帶數(shù)字信號(hào)中提取所需的頻帶信號(hào)，并將其下變頻到基帶以滿足現(xiàn)行DSP的處理 能力。

(5) DSP技術(shù)：數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 是軟件無線電的核心所在，靈活性、開放性、兼容性等特點(diǎn)主要通過數(shù)字信號(hào)處理器為中心的通用硬件平臺(tái)及DSP軟件來實(shí)現(xiàn)的，還要完成濾波、調(diào)制解調(diào)、信道編解碼、協(xié)議控制等中頻以后的所有功能，只有高速DSP以及多處理結(jié)構(gòu)才可能完成如此巨大的信號(hào)處理運(yùn)算。目前采用的技術(shù)方案主要是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù) (DSP)、專用集成電路 (ASIC)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 以及這幾種技術(shù)的結(jié)合。

(6) 互連技術(shù)：互連結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)中各單元實(shí)現(xiàn)互連，組成一個(gè)開放、可擴(kuò)展、標(biāo)準(zhǔn)、具有較高數(shù)據(jù)吞吐量的硬件 平臺(tái)。目前主要的互連結(jié)構(gòu)有總線結(jié)構(gòu)、交換網(wǎng)結(jié)構(gòu)和樹型結(jié)構(gòu)。近期軟件無線電系統(tǒng)不會(huì)鎖定在單一的互連結(jié)構(gòu)方案上 。

2.3 軟件無線電中的信號(hào)處理算法[5]

(1) 信號(hào)處理算法的重要性：軟件無線電的所有功能都是用軟件來實(shí)現(xiàn)，在所有軟件中，數(shù)字信 號(hào)處理軟件占據(jù)著重要的位置，例如編碼、解碼、譯碼、同步提取、頻譜分析、信號(hào)識(shí)別等等都可以采用信號(hào)處理算法來實(shí)現(xiàn) 。

(2) 軟件無線電中的調(diào)制算法：軟件無線電中的各種調(diào)制信號(hào)基于同一個(gè)通用數(shù)字信號(hào)處理平臺(tái)，利用各種軟件來產(chǎn)生，每種調(diào)制算法都做成軟件模塊，要產(chǎn)生某種調(diào)制信號(hào)只需調(diào)用相應(yīng)的模塊即可。而各種調(diào)制完全可以基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)；從理論上來說，正交調(diào)制可以實(shí)現(xiàn)各種通信信號(hào)。

(3) 軟件無線電中的解調(diào)算法：調(diào)制實(shí)質(zhì)上是用調(diào)制信號(hào)控制載波的某個(gè)或幾個(gè)參數(shù)，使載波參數(shù)按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化。而根據(jù)獲得的同相分量XI (n) 和正交分量XQ (n) 就可以對(duì)各種調(diào)制樣式進(jìn)行解調(diào)，使得數(shù)字正交解調(diào)在軟件無線電中易于實(shí)現(xiàn) 。

3. 軟件無線電在無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈仿真系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈仿真系統(tǒng)采用R&S公司的矢量信號(hào)發(fā)生器 SMU200A產(chǎn)生一組調(diào)制信號(hào)，由射頻輸出至軟件無線電平臺(tái)的信道1輸入，采用軟件無線電平臺(tái)進(jìn)行信號(hào)采集，最后在計(jì)算機(jī)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。 圖3給出了SMU200A的設(shè)置界面以及軟件無線電平臺(tái)控制界面 。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置與相關(guān)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中所使用的德國R&S公司的矢量信號(hào)發(fā)生器SMU200A (頻率范圍100 kHz～6 GHz；高輸出功率電平+19 dBm；功率重復(fù)性0.05 dB；低相位噪聲133 dBc)，能夠提供AM/FM/ PM/pulse調(diào)制，其內(nèi)部80 MHz (射頻) I/Q任意波形發(fā)生器， 外部200 MHz (射頻) I/Q模擬調(diào)制以及加性高斯噪聲。利用 SMU200A可以設(shè)置載波頻率、碼元速率、調(diào)制方式、數(shù)據(jù)流的類型 (Pattern、Datalist、ARB等模式)、編碼類型 (Off、 Gray、Differential、GSM等)、濾波器類型、信道參數(shù) (包括信噪比、載噪比、多徑衰落信道的傳輸損耗和延遲)，提供畫圖 (包括眼圖、I/Q等) 和計(jì)算誤碼率等功能。

而軟件無線電平臺(tái)是一個(gè)高速的數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)，含有多塊采集卡 (ADC板卡ICS-652，寬帶數(shù)字解調(diào)子卡DC-50-W，高速DSP板卡TMS320C6201 EVM板SCSI磁盤陣列RAID，采樣率1~64 MHz)，采用開放的標(biāo)準(zhǔn)PC體系結(jié)構(gòu)和Windows2000操作系統(tǒng)以及運(yùn)行于Lab View下的控制與顯示軟件，能夠提供大于200 MB/s的持續(xù)存儲(chǔ)速度，允許用戶控制采集過程的各個(gè)方面，例如采集的通道數(shù)、采樣率、 觸發(fā)源、采集時(shí)間等。

為更便捷地進(jìn)行處理，用VB6.0制作了一 個(gè)基于 軟件無線電平臺(tái)的信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)的用戶操作界面，該界面與Matlab直接連接，點(diǎn)擊按鈕可直接運(yùn)行程序，實(shí)現(xiàn)調(diào)制方式的選擇，并進(jìn)行相應(yīng)的處理和顯示。

3.2 單路BPSK信號(hào)的實(shí)驗(yàn)

信源為Q=[11001010]，信號(hào)載頻fc=24 MHz，采樣頻率 fs=32 MHz，碼元速率fd=8 MHz；采用數(shù)字下變頻技術(shù)對(duì)信號(hào)做相關(guān)處理后進(jìn)行相干解調(diào)；對(duì)解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行判決，得到解調(diào)信息為 [11001010]，與原信號(hào)Q相同，即為正確解調(diào) 。

進(jìn)行單路BPSK信號(hào)采集、解調(diào)時(shí)，采用矢量信號(hào)發(fā)生器SMU200A產(chǎn)生一路調(diào)制信號(hào)，由射頻輸出至軟件無線電平臺(tái)的信道1輸入，使用軟件無線電平臺(tái)進(jìn)行信號(hào)采集。分別對(duì)表1中的5種情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

表1 單路BPSK信號(hào)實(shí)驗(yàn)

對(duì)情況5所采集到的信號(hào)頻譜及經(jīng)過DDC處理得到的解調(diào)信號(hào)如圖4所示。

而通過對(duì)圖4 (b)進(jìn)行抽樣判決可知，解調(diào)信號(hào)信息為[11001010]，與信號(hào)源Q相同[6]。同樣情形，所有5種情況都能夠得到可靠解調(diào)，由此驗(yàn)證了單路BPSK信號(hào)采集、調(diào)制解調(diào)數(shù)字仿真的可靠性。

3.3 雙路BPSK信號(hào)的采集、分離和解調(diào)

SMU200A無法產(chǎn)生雙路信號(hào)，但R&S公司的Win IQ SIM軟件提供了這一功能，不但可以產(chǎn)生多路信號(hào)，而且可以在被 SMU200A作為任意波形識(shí)別。因此利用該軟件產(chǎn)生兩路信號(hào)疊加，生 成一 個(gè)＊.wv形文件，由SMU200A以任意波形文件發(fā)出。

圖4 情況5得到的相關(guān)信號(hào)圖形

(1) 信號(hào)帶寬為12.5 kHz時(shí)：實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置與數(shù)字仿真參數(shù)相同。兩路信號(hào)信息分別為Q=[001101] ，Q=[111010]。 兩路信號(hào)載頻分別為fc1=1.5 MHz，fc2=1.625 MHz；碼元速率fd=12.5 kHz；采用Nyquist采樣，采樣頻率fs=32 MHz，采樣點(diǎn)N=65536。

經(jīng)過一系列的濾波與抽取之后，本實(shí)例中總共需要4次抽 取[7]和4次濾波。解調(diào)出的第一、二路信號(hào)如圖5中(a)和(b)所示、并可由圖中信號(hào)判決，解調(diào)正確。

圖5 帶寬12.5 kHz時(shí)解調(diào)出的信號(hào)

(2) 信號(hào)帶寬為2 MHz時(shí)：兩路信號(hào)信息分別為Q1=[001101]，Q2=[111010]。兩路信號(hào)載頻分別為fc1=17 MHz，fc2=23 MHz；碼元速率fd=2 MHz；使用帶通采樣定理，采樣頻率fs=32 MHz，采樣點(diǎn)N=512。解調(diào)出的第 一、二路信號(hào)如下圖6中(a)、(b)所示，并可由圖中信號(hào)判決，解調(diào)正確。

圖6 帶寬2 MHz時(shí)解調(diào)出的信號(hào)

3.4 信道的影響

系統(tǒng)測(cè)試中需要檢測(cè)接收端信號(hào)，以判斷信號(hào)在信道中的傳播情況，對(duì)進(jìn)一步評(píng)估無人機(jī)通信提供依據(jù)。這里，提供了 兩個(gè)信道模型，分別對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

圖7 信道不同位置的頻譜圖和眼圖

(1) 信道模型：信道1: f=1.2 GHz ，fd=1 Mbps；BPSK調(diào)制；包含2條路徑，第一條是直達(dá)路徑，即相對(duì)衰減和相對(duì)時(shí)延都是0；第二條相對(duì)衰減3.996 dB，相對(duì)時(shí)延0.626 μs。信道2: f=1.2 GHz，fd=1 Mbps；BPSK調(diào)制；包含2條路徑，第一條是直達(dá)路徑；第二條相對(duì)衰減6.025 dB，相對(duì)時(shí)延1.198 μs。

(2) 結(jié)果與分析：圖7分別給出了上述兩種信道模型下發(fā)射端和不同接收端頻譜圖、眼圖的比較：對(duì)比信號(hào)經(jīng)過信道前、后的頻譜圖和時(shí)域圖可以看到，經(jīng)過多徑信道后，接收端頻譜圖出現(xiàn)了畸變，眼圖變壞。

經(jīng)過分析可以得出如下結(jié)論：如果傳輸信號(hào)的頻譜寬于多徑傳輸媒質(zhì)的相關(guān)帶寬，則該信號(hào)將產(chǎn)生明顯的頻率選擇性衰落。為了不引起明顯的選擇性衰落，傳輸 信號(hào)的頻帶必須小于多徑傳輸媒質(zhì)的相關(guān)帶寬。數(shù)字信號(hào)在多徑媒質(zhì)中傳 輸時(shí)，容易因存在選擇性衰落現(xiàn)象而引起嚴(yán)重的碼間干擾。為了減小碼間干擾的影響，通常要限制數(shù)字信號(hào)的傳輸速率。

4. 總結(jié)

軟件無線電是當(dāng)代無線電的發(fā)展趨勢(shì)，具有傳統(tǒng)無線電所不具備的更大的使用靈活性、更強(qiáng)的保密功能、更好的適應(yīng)性，以及方便的升級(jí)換代和強(qiáng)大的應(yīng)用前景，是用于各種要求的軍用和民用通信。

軟件無線電的主要功能由軟件完成，它需要有一個(gè)通用的平臺(tái)來支持。這個(gè)平臺(tái)一般由RF模塊、數(shù)據(jù)采集與合成模塊、 DSP處理模塊、接口模塊等組成。ICS提供的軟件包在硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上為高速、有效地開發(fā)各種軟件無線電軟件提供了良好的條件。

將軟件無線電技術(shù)應(yīng)用于無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，驗(yàn)證了整個(gè)無線通信鏈路數(shù)字仿真系統(tǒng)的可靠性 。