基于通用軟件無線電平臺的信號級航空電子原理演示系統(tǒng)

羅明超 蔣曉松 劉笑

摘 要： 利用軟件無線電技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、信號處理技術(shù)、虛擬測試技術(shù)，開發(fā)以無線電信號產(chǎn)生模塊、調(diào)制解調(diào)模塊、數(shù)字信號處理模塊、電磁傳播環(huán)境仿真模塊、電子干擾產(chǎn)生模塊、電子偵察仿真模塊在內(nèi)的航空電子原理演示系統(tǒng)，用于課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)員通過參與電子對抗的主要過程，感知電子對抗的主要內(nèi)容，建立對電子對抗的直觀認(rèn)知，提高對電子對抗技術(shù)的掌握水平。

關(guān)鍵詞： 軟件無線電 信號航空及電子原理 演示系統(tǒng)

一、背景

軟件無線電這一概念自上世紀(jì)末提出以來至2010年前，尚未有真正的、實(shí)用的軟件無線電平臺問世。直到最近幾年USRP的問世，才使得軟件無線電技術(shù)趨于成熟，并逐步得到各領(lǐng)域的關(guān)注。

本系統(tǒng)以新興的通用軟件無線電平臺為依托，開發(fā)信號級的電子對抗原理仿真系統(tǒng)，在國內(nèi)屬于尚屬首創(chuàng)，該平臺可以開展以雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、電子對抗為主的軍事無線電技術(shù)研究，因此本課題對于開展軍用無線電技術(shù)的研究具有重要意義。

通過本項(xiàng)目的研制，構(gòu)建的信號級航空電子原理演示系統(tǒng)，可滿足航電專業(yè)裝備維修及運(yùn)用專業(yè)的培訓(xùn)需要，提高培訓(xùn)對象的專業(yè)基礎(chǔ)知識水平。

另外，以軟件無線電平臺為依托，既可以作為接收機(jī)接收各種頻段、樣式的射頻信號，又可以作為信號發(fā)生器產(chǎn)生各種頻段和樣式的射頻信號。因此，軟件無線電平臺可以用于電子設(shè)備的功能和性能測試。

二、系統(tǒng)方案

1.硬件設(shè)計(jì)

信號級航空電子原理演示系統(tǒng)采用積木式設(shè)計(jì)思想，最小功能模塊為可配置單元，通過配置不同功能單元形成不同的電子場景，以適應(yīng)復(fù)雜多變的電子對抗環(huán)境需求。信號級航空電子原理演示系統(tǒng)的最小單元（以下簡稱實(shí)驗(yàn)單元）在邏輯上由硬件層、驅(qū)動層和軟件層組成，如圖1所示。

圖1 USRP實(shí)驗(yàn)單元構(gòu)成圖

通過配置主機(jī)上的軟件，可以利用圖2中所給出的試驗(yàn)單元實(shí)現(xiàn)接收空中電磁信號，或者向空中發(fā)射電磁信號的功能。因此，軟件無線電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)就是利用通用的硬件平臺，通過開發(fā)靈活多變的軟件，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)功能的配置。

信號級電子對抗原理仿真軟件實(shí)現(xiàn)本課程中各種實(shí)驗(yàn)科目的功能仿真和配置。軟件功能包含信號處理、無線電調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）、PSK收發(fā)機(jī)，無線視頻實(shí)時傳輸，無線擴(kuò)頻/跳頻收發(fā)，通信信號偵收、通信信號干擾、雷達(dá)信號偵收、雷達(dá)信號干擾等功能。

從實(shí)體角度看，實(shí)驗(yàn)單元也可以看做是由一個帶有收發(fā)天線的USRP和一臺能驅(qū)動USRP且裝有信號級電子對抗原理仿真軟件的電腦組成。通過配置不同的實(shí)驗(yàn)單元，就能模擬不同電子對抗環(huán)境，構(gòu)建所需要的實(shí)驗(yàn)科目條件。

圖2 實(shí)驗(yàn)單元硬件組成圖

本系統(tǒng)中由于每個實(shí)驗(yàn)單元均可以發(fā)射或者接收。在航空電子裝備原理實(shí)驗(yàn)中，1發(fā)1收構(gòu)成最基本的樣式，如圖3所示。因此，利用10套實(shí)驗(yàn)單元通過不同的組合實(shí)現(xiàn)5發(fā)5收、1發(fā)9收、1收9發(fā)等多個模式的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

圖3 由兩組實(shí)驗(yàn)單元構(gòu)成的基本實(shí)驗(yàn)樣式

2.軟件設(shè)計(jì)

軟件包含的內(nèi)容如圖4所示。

圖4 軟件開發(fā)內(nèi)容

軟件的仿真采用C++和MATLAB進(jìn)行開發(fā)。為了提高軟件運(yùn)行速度，在仿真時采用中頻和基帶仿真結(jié)合的方法，降低算法的運(yùn)算量。

三、系統(tǒng)演示

下面結(jié)合AM調(diào)制信號的產(chǎn)生說明系統(tǒng)的工作過程。首先設(shè)置USRP的IP地址，也就是主機(jī)向哪個USRP發(fā)送控制命令。然后設(shè)置IQ的速率、載波頻率、增益、發(fā)射天線和樣點(diǎn)數(shù)。調(diào)制類型這里選擇AM_DSB，調(diào)制系數(shù)取0.5。設(shè)置完參數(shù)后，產(chǎn)生的波形如圖5所示。

圖5 AM調(diào)制演示

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