基于軟件無線電的短波通信系統設計

楊益

摘要：隨著人們對通信的要求越來越高，各種新技術在通訊設計過程中的應用也越來越廣泛。短波通信系統的設備繁多，操作比較復雜，而且升級成本高。隨著通信行業的不斷發展，未來其發展趨勢是集通信、導航一體化。對此，文章提出了在軟件無線電基礎上進行短波通信系統的優化設計，主要包括硬件平臺設計和軟件系統設計兩個方面。

關鍵詞：軟件無線電；短波通信系統；硬件設計；軟件設計

在短波通信系統的設計過程中可以考慮軟件無線電技術，對現有的業務波形進行模塊化封裝，也可以對硬件模塊進行升級，從而實現對通信系統功能的升級，在短波通信系統中加入這種新技術以及新體制波形，可以使得多個頻段的波形實現整合，比如可以將25kH寬帶波形、導航121等不同體制的波形進行融合，獲得更加準確的通信數據，為通信連接過程中的難題提供了一個有效的解決途徑。

1.基于軟件無線電的短波通信系統總體設計思路

軟件無線電技術是未來社會發展的一個必然產物，其具有很多優良的特性，比如開放性、靈活性、擴充性等都比較好，軟件無線電頂層設計規范對通信設備的軟件體系結構、硬件體系結構以及安全體系結構進行了確定，這種技術的應用是為了實現各種無線通信設備之間的硬件模塊化以及軟件的可移植操作，采用了開放的標準結構，通過各種共享的硬件組建以及軟件的連接，實現硬件維護以及軟件的功能升級，具體說來，其功能表現在兩個方面：第一，在硬件上具有互相連通的特性，第二，在軟件上可以實現多頻段、多模式、多通道的通信。

基于軟件無線電的短波通信系統的核心是軟件，作為一個信號處理平臺，其包括了3個重要的組成部分，分別是波形開發部署管理軟件、硬件平臺及軟件平臺。3個組成部分分別具有不同的功能，其中波形開發部署管理軟件，主要是對波形組件的功能進行劃分、重用，并且還要控制物理層波形代碼的集成、波形分布的部署以及加載；硬件平臺則主要采用總線式結構設計主要完成各種數據的收集、發出、模擬預處理等；軟件平臺則負責將各種硬件資源封裝和描述，在具體的描述過程中需要使用邏輯軟件，并且要在這些設備上加載一些不同的軟件，實現對多種波形的控制。

2.基于軟件無線電的短波通信系統的設計

2.1軟件無線硬件平臺架構

電系統有一個顯著的特征，就是模塊化，無論是硬件平臺還是軟件系統，都是實現模塊化的，其中包括了很多個不同的功能模塊，這些模塊可以組合在一起成為一個整體的結構，在硬件平臺設計中，各個模塊組織之間的組合與搭配，必須要以提高硬件的容量為前提，以便能夠滿足未來更加廣泛的信號覆蓋需求，延長設備的使用壽命。在軟件無線電系統的硬件平臺中，常見的硬件模塊組織有流水式、總線式、交換式結構3種，各個結構有其自身的特點，總線式結構相對于流水式結構，其功能模塊之間的耦合性較低，但是可擴展能力較強。硬件平臺包括了主控制模塊、波形處理模塊、RF收發模塊，其中波形處理模塊和RF收發模塊還可以根據具體的配置情況，構成多頻段、多通道的分布式信號平臺。

在硬件平臺系統中，其核心部位是波形處理模塊，波形處理模塊由AD/DA板和基帶處理板組成。其中AD/DA板的結構是子板加載板，是為了對不同速率的波形進行處理，也要對不同波形體制進行支撐，基帶處理板則采用了多片DSP+FPGA架構，可以與外界實現高速的數據傳輸，還能對傳輸情況進行控制。

RF接收模塊則采用了超外差二次變頻的分頻段接收方式，在對頻率進行選擇的時候略有差異，第一中頻的頻率是80MHz，第二中頻的頻率是70MHz，其變頻方式有兩種，可以使得干擾信號與接收信號之間的頻率差增大，便于帶通濾波器濾除鏡頻干擾。在通信系統的電路上，可以對通信的通道進行選擇，切換通道的時候所選擇的開關有一分六和一分三的寬帶高速射頻開關，在這類通信通道上可以兼容3-30MHz頻段內的多種波形，比如3kHz，25kHz和1MHz的窄、寬帶業務波形，都可以在這個信號通道上進行傳輸。

另外，對于控制單元中的FPGA可編程單元，作為控制單元的主控器，所承載的任務較多，需要完成對本振芯片的寄存器配置、鎖定檢測，還要根據頻率的變化進行開關切換，通過對不同的開關進行組合，實現不同信號之間的鏈接，還需要根據系統的工作狀態，對供電結構進行優化，對于一些耗電量較大的元件可以自行關閉。

2.2軟件平臺架構的設計

隨著操作系統、中間件等計算機領域的技術在軟件無線電領域中的應用越來越廣泛，軟件無線電結構的層次化現象也越來越明晰，其中無線電軟件平臺主要包括6個層次。分別是板級支持包、網絡協議棧和接口服務層、操作系統層、CORBA中間件層、核心框架層、應用層。通過該軟件平臺的架構，可以實現多種智能化控制功能，比如波形之間的互通互聯性更強，在開發波形的時候，不需要首先對底層數據交換過程進行了解，直接利用現有的組件對波形進行重構，從而使得各種代碼之間可以移植、可以重復、可以重構。

如圖1所示，為軟件平臺的組成結構，在軟件開發的時候使用的是sCAOE操作環境，在這個軟件平臺上包括核心框架和波形開發部署軟件。主控制模塊上運行針對硬件板卡和操作系統的SCAOE，另外，在主控制模塊上運行的OE和上位機模塊上運行的OE都可以滿足SCA兼容的要求。

sCA波形集成開發環境采用基于模型的應用波形設計流程，對應用波形的可移植性和可重用性進行了提升，針對不同的SCAOE可以實現代碼的自動生成，另外，在對波形邏輯代碼進行編寫測試的時候，可以將通過DSP與FPGA編譯好的文件與框架容器代碼進行有效的集成，生成符合具體規范標準的波形。但是，SCA并不是一種具體的波形的規范標準，而是一種基于DTD和POSIX技術的框架結構，主要用于對各種軟件無線電的管理和部署。

在軟件系統中還有一個重要的模塊，就是要實現對波形的組件化開發，在SCA波形集成開發環境中，可以將主控制模塊看成是一個節點，并且以這個節點為中心，運行相應的操作系統，并且能夠在操作系統上加載SCA的操作環境。在對波形進行開發的時候是采用組件化方式進行的。以QPSK波形為例，在對這個波形進行開發的時候，可以簡單地將其分為編碼和解碼兩個過程，編碼和解碼的組件可以通過設置不同的參數，如依賴屬性、吞吐量等，對所有待部署的芯片進行選擇，比如FPGA和DSP都是可以選擇使用的芯片，編碼組件主要實現代碼的輸出功能，解碼組件則主要實現代碼的輸入功能，通過編碼和解碼的過程，可以將代碼傳入到主控制模塊中的相應模塊，從而實現對波形的各個組件的有效控制。

3.結語

綜上所述，隨著通信行業的不斷發展，對通信能力的要求也越來越大，基于軟件無線電的短波通信系統可以實現中頻和基帶模塊的通用化目的，還可以完成短波QPSK波形的組件化封裝以及動態加載過程。在未來的發展過程中，還應該實現大動態寬帶接收、高諧雜波控制等目的，使得通信技術不斷更新，為通信行業的發展提供技術支持。