一種寬帶組網波形的SDR平臺實現

張 玲， 敖 佳， 蔣秦芹

（①保密通信重點實驗室，四川 成都 610041；②中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

聯合戰術無線電系統 (JTRS,Joint Tactical Radio System)是美國國防部在軟件無線電基礎上，為三軍研發的新一代無線電系統。可為空中、地面、海上部隊提供2 MHz～2 GHz頻段的話音、視頻和數據通信業務。未來的應用中，利用軟件通信體系結構(SCA,Software Communications Architechture)平臺實現波形，即可達到聯合作戰電臺互通要求。

在JTRS所包括40多種波形中，寬帶組網波形(WNW，Wideband Networking Waveform)編號 W5尤其引人關注。WNW 的波形技術體制的先進性將引領數據鏈波形建設的發展。

為對美軍JTRS系統以及WNW波形進行深入分析，掌握其波形特征和技術體制，本文在參考WNW波形的基礎上，在SFF SDR軟件無線電開發平臺上，以MATLAB/Simulink軟件為主要開發工具實現了一種基于正交頻分復用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplex）模式的寬帶組網波形。給出了波形仿真與實現結果，以期對美軍WNW波形研究起到借鑒作用。

1 WNW波形介紹

WNW是一種新的波形協議標準，可實現話音、數據、視頻一體化無縫傳遞。具有針對戰場惡劣條件而設計的自適應寬帶數據傳輸能力，支持不低于2 Mb/s網絡吞吐量，預計達到5 Mb/s的端對端吞吐量，通信頻段范圍2 MHz～2 GHz。WNW網絡的設計支持與地面和海上移動平臺間的連接及地面與海上平臺之間的通信連接，平臺移動速度大于 193.116 km/h。

WNW波形利用Reed-Solomon碼和Turbo-Code碼前向糾錯技術，采用了單/多載波、糾錯編碼(聯合編碼)、OFDM、交織、時分多址接入（TDMA, Time Division Multiple Address）、擴頻等關鍵技術。

2 波形設計

美軍 JTRS波形的標準尚未公開，但許多波形與802.X系列的組網波形（如802.11、802.16）相類似[1-2]。參照美軍WNW波形的OFDM模式，寬帶波形具體參數設計如表1所示，物理層幀格式參考802.11a 協議[3]。

表1 寬帶波形具體參數設計

3 波形仿真與實現

3.1 開發平臺

Lyrtech公司的 SFF SDR平臺整體框架如圖1所示。由3層板卡組成，分別為信號處理模塊，數模轉換模塊與射頻模塊。其中，信號處理模塊包括型號為DM6446的DSP和Virtex-4 SX35的FPGA，DSP與FPGA通過VPSS(VPFE和VPBE) 接口連接。數模轉換模塊包括 TI公司 16位雙通道的DAC5687和14位單通道的ADS5500，信號處理模塊的FPGA與數模轉換模塊相連。射頻模塊包括一對SMA接口的射頻天線負責數據收發，與數模轉換模塊相連。

波形邏輯的開發，以MATLAB/Simulink為主要的開發工具。對于SCA兼容組件的開發，主要是采用PRISMTECH公司的SPECTRA POWER TOOLS軟件進行SCA兼容組件模型設計，它將邏輯模型生成的代碼封裝成與SCA兼容的組件。

3.2 MATLAB/Simulink建模

結合802.11a協議中關于OFDM技術的基帶調制算法描述，將收發系統按照模塊劃分如圖2所示。利用MATLAB的 Simulink模塊庫所帶的基礎模塊，通過相應的組合與連接，封裝成子系統以實現各模塊功能，建模實現如圖3所示。

數據處理由DSP與FPGA分工完成。在DSP部分完成信號的編碼、交織、QPSK調制映射以及導頻插入功能，在FPGA部分完成成形濾波、OFDM、上采樣、D/A轉換及相反過程。單平臺收發數據采用VPFE與VPBE模塊作為DSP與FPGA之間的交互接口，當采用多平臺進行傳輸時，使用前向接口VPBE或后置接口VPFE。

4 仿真及性能

4.1 幀信號的檢測

幀信號的檢測依靠前十個時域訓練序列，采用兩個相關量來檢測信號。第1個相關量為將接收的信號和延遲一個短前導字長度即0.8μs的本身進行相關：

第2個相關量為將接收的信號和本地已知的短前導字序列相關：

其中，N是短前導字的樣值點數16，假設r（i）為單倍采樣后的信號，c(n)為本地已知的前導字序列。采用橫向濾波器進行相關。

仿真結果如圖4所示。SNR=0時，超過設定的相對門限0.5，且連續觀測十個符號周期，統計超過門限的相關峰數目。可見，有10個峰值都超過門限概率為0.9，有9個峰值超過門限一個沒有的概率為0.1。經仿真各信噪比下的峰值概率情況，曲線與上圖重合。判定連續2個超過門限即可認為信號序列到來。

4.2 頻偏估計

頻偏估計分為粗頻偏估計和細頻偏估計。采用10個短前導字序列的最后兩個進行粗頻偏估計[4]。項目中設置頻偏為200 kHz＝0.53個子載波間隔時，子載波粗估計后相對子載波間隔歸一化后的頻偏與 SNR關系如圖5。可見，高斯信道下粗頻偏估計之后的殘留頻偏在信噪比大于等于5時小于8%子載波間隔。

細頻偏估計采用文獻[4]中提出的路徑延時估計算法。它在初始符號同步的基礎上，估計多徑信道中第一徑的延時，將同步誤差控制在一個OFDM采樣時鐘間隔內，從而使得后續的采樣時鐘同步的反饋環路能夠鎖定在第一徑上。使用64點訓練序列進行頻偏估計 0.5子載波的頻偏偏差剩余頻偏與信噪比的關系如圖6所示。

圖5 粗頻偏估計性能曲線

圖6 細頻偏估計性能曲線

4.3 系統性能

高斯信道下，系統性能曲線如圖 7所示，其中1/2卷積碼采用生成多項式為（171,133）的（2,1,7）卷積碼。

4.4 業務實現

測試環境由3個節點構成，SFF SDR平臺實現寬帶組網波形物理信道，PC機實現了組網協議和數傳業務。圖8為組網后PC機主控程序收到的數據顯示。

圖8 組網后PC機主控程序收到的數據顯示

5 結語

本文在參考 WNW 波形的基礎上，基于 SFF SDR軟件無線電開發平臺，以 MATLAB/Simulink為主要的開發工具實現了一種基于OFDM模式的寬帶組網波形，實現了數據傳輸業務，為研究美軍WNW波形起到借鑒作用。下一步將著重于寬帶波形在更先進SDR平臺上的實現。[1] KEVIN M. Mapping Waveforms to Systems: What Would a Wildband Networking Waveform System Require?[J].Military embedded systems, 2005(10): 38-41.

[2] 周先軍,周丹,李利榮,等. IEEE 802標準分析[J].通信技術，2009,42 (07):262-264.

[3] 陳月云,丁青子,鄧曉輝. 一種基于 IEEE 802.11a的PHY-MAC跨層設計[J]. 通信技術, 2009,42(08):238-240.

[4] YANG Baoguo, LETAIEF K B, CHENG R S, et al.Timing Recovery for OFDM Transmission[J].IEEE Journal on Selected Areas in Commu, 2000(18):2278-2291.