软件无线电在短波通信中的应用

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技术交流
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软件无线电在短波通信中的应用
林剑芳 (中国人民解放军 8415" 部队通信站,海南省海口市 6/7744)
摘 要 短波软件无线电是软件无线电技术在短波通信领域的应用,它不仅为短波通信 的 发 展 提 供 了 较 好 的 理 论 基 础 ,而 且 为 新 一 代 短 波 通 信 设 备 提 供 了 解 决 方 案 ,同 时 ,软 件 无 线 电 的 功 能 和 特 点 也 能 得 到 较 好 验 证 。 文 章 首 先 引 入 了 软 件 无 线 电 的 概 念 ,介 绍 了 自 适 应 短 波 通 信 的 发 展 情 况 ,阐 述 了 软 件 无 线 电 的 特 点 和 关 键 技 术 及 其 在 自 适 应 选 频 和 军 事通信上的应用。 关键词 软件无线电;短波通信;自适应频率选择
虚拟无线电的关键技术包括输入 " 输出(6D"D=) 系统和编程环境两部分。6D"D= 系统需要消除采样信 号和处理信号的不稳定性,满足软件无线电应用和
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!"#"$ 之间的高吞吐率,采用 %&’’( 接口能较好满 足这一要求。编程环境可采用 )&*+,-./ 系统,该编 程环境可以实现对实时数据的动态处理。
与硬件模块化相同,软件无线电也需要软件模 块化。由于缺乏标准的、应用级的软件到软件的应用 编 程 接 口(,%6),软 件 重 用 度 低 、花 费 大 、研 制 周 期 长,因而需要将软件按功能分成有清楚接口定义的 模 块 。 在 国 外 ,面 向 对 象 管 理 集 团(=(5)提 出 了 一 种 基 于 公 共 对 象 请 求 代 理 体 系 结 构(-=>;,)的 软 件协议和标准。该技术的核心内容就是提供了一种 标准的、开放的“软总线”结构,并能无缝地共享应用 数据。类似于硬件总线,软件无线电的每个软件包都 为 对 象 请 求 代 理(=>;)提 供 了 一 个 信 息 传 输 接 口 , 确 定 数 量 的 对 象 用 -=>;, 接 口 实 现 即 插 即 用 (%?@AB%?2C),发挥其开放性的特点。 !"& 虚拟无线电技术
传 统 的 短 波 通 信 ( 工 作 频 率 范 围 在 5<)A ! 5"<)A)为 克 服 通 信 容 量 有 限 、传 输 稳 定 性 差 和 抗 干 扰 性 能 差 的 缺 点 ,采 用 了 自 适 应Βιβλιοθήκη Baidu技 术 、宽 带 抗 干 扰等新技术。由于受传统短波通信体制和器件的限 制 ,这 些 新 技 术 的 性 能 和 技 术 指 标 难 以 提 高 。 将 软 件 无 线 电 技 术 的 思 想 运 用 在 短 波 频 段 上 ,形 成 短 波 软件无线电()23.,),一方面由于短波 通 信 的 工 作 频 段 较 低 ,容 易 利 用 现 有 器 件 实 现 射 频(,2)数 字 化 ,为 验 证 软 件 无 线 电 思 想 和 功 能 提 供 了 一 个 良 好 的 实 验 平 台 ;另 一 方 面 又 打 破 了 传 统 短 波 通 信 设 备 过 分 依 赖 硬 件 实 现 各 种 功 能 的 旧 体 制 ,研 制 出 了 一 种 多 功 能 、多 模 式 、可 编 程 的 短 波 电 台 ,这 种 电 台 是 可用软件控制和再定义的电台。选用不同软件模块 就 可 以 实 现 不 同 的 功 能 ,它 为 短 波 通 信 发 展 注 入 了 新的活力。
! 短波通信
短波通信利用电离层反射进行远距离信息传 输。电离层本身是一个时变、色散信道,随着季节、昼 夜和空间离子的变化而变化,起伏较大,是不稳定的 传输媒介。从 !" 年代开始,国外一些从事短波通信 研究的公司(如美国的 #$%%&’(、)*++&( 公 司 、德 国 的 ,-. 公司)针对短波通信的这种传输特点进行了研 究分析,提出了短波信道实时选频的方法。到了 /" 年代中期,人们已经能精确描述短波空间传输特性 的参数(多 径 时 延 、多 普 勒 效 应 、背 景 噪 声 、信 号 强 度、误码率等),并可以 用 0( 量 级 的 时 间 自 适 应 选 择最优工作频率,并自动处理信道参数。1" 年代初 期 出 现 了 美 国 )*++&( 公 司 的 ,23/4"" 和 ,2354"" 型、#$%%&’( 公司的 )231" 型系列以及德国 ,-. 公司 的 )2316" 型等高频自适应通信系统。目前,国内有 广州海格通信、南京熊猫通信等公司开发的自适应 通信系统。
利用自适应改变信道频率来适应电离层的实时 变化,确保短波信号在任何时刻都能保证在最佳信 道上,这是短波通信技术的一大进步。短波通信的中 继系统— ——电离层是大自然的产物,具有不可摧毁 性,加上短波通信的绕射功能,使短波通信更加可 靠、适用,采用现代技术的短波自适应系统能为用户 提供高质量、高可通率和价格低廉的通信方式。
!%! 软件技术 软件无线电的最大特点是通信功能的软件化,
所以软件技术是最重要的技术之一。软件无线电的 软件技术主要包括实现各种通信功能的软件模块及 软件无线电的标准和协议。
由于软件无线电的核心是数字信号处理,所以 它改变了以往依靠硬件电路实现特定通信功能的设 计方法,而是通过对进行数字信号处理的 #$% 等可 编程器件进行编程,把要实现的通信功能算法以软 件形式下载到可编程器件中,实现所需通信功能。在 后续的工作中只要下载新的算法软件或对算法进行 修改,就可以完成通信功能的升级,实现不同通信功 能的转换。
! 利用软件无线电技术实现自适应选频
短波自适应技术指实时或频繁地利用各种探测 技术,根据探测结果自动调整设备参数,达到最佳通 信效果。短波自适应通信的核心是自动选择最佳工 作频率,在有严重干扰时自动改变到最佳工作频率。
实时选频采用实时信道评估技术,探测电离层 传输和噪声干扰情况,即实时发射探测信号,根据接 收 端 对 收 到 的 探 测 信 号 处 理 结 果 进 行 信 道 评 估 ,实 现自动选择最佳工作频率。实时选频系统目前有两 类:0)自适应频率管理系统,它能在短时间内对全频 段快速扫描和探测,不断预报各频率可用情况。1)频 率自适应系统,它将探测与通信融为一体,采用收发 双 方 可 靠 呼 应 技 术 、线 路 质 量 分 析(23!)技 术 和 自 动 线 路 建 立(!24)技 术 ,使 短 波 通 信 频 率 随 信 道 条 件变化而自适应地改变,确保通信始终在质量最佳 的信道上进行。自适应选频能充分利用频率资源,降 低传输损耗,减少多径影响,避开强噪声和电台干 扰,提高通信链路的可靠性。
! 短波软件无线电的关键技术
工作在 ’()*!’+()* 频段上的短波通信频率 较低,目前的硬件水平已经能满足软件无线电对宽 带 ,#- 技术和宽带射频前端技术的要求,所以它 不是短波软件无线电的重点,主要有以下关键技术。 !"# 高速数字信号处理技术
数字信号处理是整个软件无线电系统的核心, 同样也是整个短波软件无线电的核心,主要完成电 台内部数据处理、调制解调和编码解码等工作。要对 这些数字信号进行实时、准确的处理,对 #$% 的运 算 速 度 、运 算 能 力 、数 据 存 储 容 量 、数 据 吞 吐 速 率 要 求非常高。在短波软件无线电电台中,一般 ,#- 器 件送入到 #$% 模块的数据速率高达上百 (./0"1,单 单完成滤波、变频就需要每秒几百兆次的运算能力 或更高,加上跳频、扩频、自适应等功能,使单片 #$% 很难完成。目前可行的方案有:2)采用 #$% 并 联技术,即使用多片 #$% 并联进行数据处理,提高 #$% 的处理能力。.)将一些功能交于特定的芯片完 成 ,如 使 用 专 用 的 直 接 数 字 化 控 制(##-)器 件 完 成 数字下变频的功能,从而减轻对 #$% 的压力。3)将 现 场 可 编 程 门 阵 列(4%5,)芯 片 引 入 硬 件 平 台 ,让 4%5, 与 #$% 一 起 进 行 信 号 处 理 也 是 当 前 软 件 无 线 电 硬 件 发 展 的 一 个 趋 势 。 由 于 4%5, 具 有 低 功 耗、小尺寸、高现场可编程能力等优点,让 #$% 以软 件方式,4%5, 以硬件方式实现数字信号处理算法, 正好充分发挥了软件无线电可编程能力强,易于升 级的特点。
!"$ 标准化总线技术 软件无线电的开放性决定其硬件必将采用总线
结构,便于系统的升级和更新。现有工业控制总线有 6$,、%-6、76$,、87$,、8(7 等总线标准,其 中 6$, 总线和 8(7 总线在目前的数字信号处理和工业控 制中用得较多,而 8(7 总线比 6$, 总线更有优势。 6$, 总线的数据为 !9 位,地址总线为 &: 位,地址空 间 !9(;,其总线带宽仅有几 ()*。而 8(7 总线数 据宽度为 ’& 位,地址线共有 ’& 位, 地址空间有 :5;,总线带宽为几十 ()*。另外,8(7 总线结构 支持多机并行处理,支持多个不同 -%< 之间的协调 工 作 ,共 享 系 统 资 源 ,而 6$, 总 线 是 单 处 理 器 系 统 总线,处理调度能力较低,所以 8(7 总线是短波软 件无线电的首选总线。
" 结束语
短波软件无线电的应用在军事通信上尤为突
出。过去由于体制结构的限制,我军曾装备了大量不 同类型的短波电台,随着新时期军事变革又出现了许 多先进的短波电台,因而形成了军用短波电台类型众 多且不能互通的局面,严重制约着各军兵种的协同通 信和联合作战能力。短波软件无线电技术可以实现这 些电台的互连互通。例如,美军的*5.06.0,+(易通话) 战术通信系统计划就是一个成功典范,它的主要目 标是研制三军通用的多频段多功能无线电台,工作 频段为 789:!7;;;89:,兼容现有 <= 种军用电台, 且能同时与其中 > 种电台通信。目前,国内生产的各 种自适应通信系统及各种短波终端设备都是对软件 无线电理论的初步应用,较好地实现了三军通、扰中 通的功能,达到较为先进的水平,是可靠、灵活、业务 升级便捷的多功能短波通信装备。
" 软件无线电的核心思想和特点
78849 年,:;9<&=$%* 首次提出了软件无线电,它
通过构造一个开放式的通用硬件平台,使尽可能多 的通信功能能用软件加以实现,这是一种新的通信 方式,直接将射频信号进行数字化,并在数字信号处 理 器 (>.?) 中 使 用 相 应 的 软 件 进 行 后 续 的 信 号 处 理。软件无线电对模数变换器(@>#)器件和 >.?9 器件提出了很高的要求,它们已成为实现软件无线 电技术的主要瓶颈。
参考文献
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技术交流
无线通信新系统,通过软件更新改变硬件配置结构 等方式,实现不同的通信功能,所以具有高度灵活 性、开放性的特点。
!)很强的灵活性 软件无线电电台上所有的信号处理 (放大、变 频 、滤 波 、调 制 、信 道 编 译 码 、信 源 编 译 码 、信 道 和 接 口的协议 " 信令处理 、加 " 解 密 、抗 干 扰 处 理 、网 络 监控管理等)都以数字信号的形式在 #$% 中完成, 它不受硬件设备的规格、结构等因素的限制,其性能 主要由数字信号处理部分的软件决定,所以具有可 编程的能力,系统也就有了很强的灵活性和通用性。 &)较强的开放性 软件无线电硬件采用模块化结构和总线式结 构,可以随着器件和技术的发展更新或扩展,其软件 采用各种功能模块,可根据需要不断替换和升级。
软件无线电技术的核心思想是:构造一个标准 化 、模 块 化 的 通 用 硬 件 平 台 ,将 各 种 功 能( 如 工 作 频 段、调 制 解 调 类 型 、数 据 格 式 、加 密 模 式 、通 信 协 议 等)用软件实现,并使宽带模拟 - 数字(@9-9>)和数字模拟(>9-9@)转 换 器 尽 可 能 靠 近 天 线 。 这 种 由“@9-9 >3>.?3>9-9@”硬件平台和各种功能软件模块组成的
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