基于軟件無(wú)線(xiàn)電的機(jī)載射頻信號(hào)綜合處理技術(shù)

劉文學(xué), 韓 斌，馮 偉，李亞杰

（中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所,陜西西安,710065）

基于軟件無(wú)線(xiàn)電的機(jī)載射頻信號(hào)綜合處理技術(shù)

劉文學(xué), 韓 斌，馮 偉，李亞杰

（中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所,陜西西安,710065）

當(dāng)前飛機(jī)中通信、導(dǎo)航和監(jiān)視這些關(guān)鍵功能，例如VHF通信、VOR、ADF、DME、ILS、MKR、應(yīng)答機(jī)和ADS-B等，通常由獨(dú)立的機(jī)載設(shè)備實(shí)現(xiàn)，其體積、重量和功耗很大，成本也非常高，影響了這些功能在通用飛機(jī)上的應(yīng)用。解決這個(gè)問(wèn)題的有效方法就是將這些功能綜合到統(tǒng)一平臺(tái)上，本文提出了一種基于軟件無(wú)線(xiàn)電的射頻信號(hào)綜合處理技術(shù)，并建立仿真驗(yàn)證平臺(tái)進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了該方法的技術(shù)可行性。

空地通信；軟件無(wú)線(xiàn)電； 射頻綜合

0 引言

空地通信是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)和地面系統(tǒng)之間的信息交換基礎(chǔ)，在飛機(jī)飛行的各個(gè)階段，通過(guò)地面臺(tái)和機(jī)載設(shè)備之間不同的通信方式，可以提供所需的各種服務(wù)，VHF通信提供空管人員和飛行員之間通話(huà)或控制命令，VOR、ADF和DME提供飛行過(guò)程中的導(dǎo)航信息，ILS和MKR提供飛機(jī)降落過(guò)程中的導(dǎo)航信息，應(yīng)答機(jī)和ADS-B提供飛行過(guò)程中的監(jiān)視信息、空中交通信息、空中氣象情報(bào)信息和機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面信息。通過(guò)這些信息能夠有效的保證飛行能力、飛行安全性、飛行效率、空域的容量以及乘客的舒適性。

在傳統(tǒng)機(jī)載系統(tǒng)中，這些功能均通過(guò)獨(dú)立的設(shè)備實(shí)現(xiàn)，例如VHF電臺(tái)、VOR導(dǎo)航設(shè)備、機(jī)載應(yīng)答機(jī)等，這種獨(dú)立設(shè)備的構(gòu)成方式相對(duì)簡(jiǎn)單、成熟、可靠，但是體積、重量和功耗較大，并且成本也較高，因此在日益對(duì)環(huán)保重視的新機(jī)型設(shè)計(jì)中，以及對(duì)成本要求苛刻的通用飛機(jī)中，將這些空地通信功能進(jìn)行統(tǒng)一綜合的趨勢(shì)日益增加。國(guó)外主流航電供應(yīng)商Rockwell Collins、Honeywell和Tales公司都實(shí)現(xiàn)了不同程度的射頻綜合，并且得到了實(shí)際應(yīng)用。而國(guó)內(nèi)還沒(méi)有開(kāi)展相關(guān)的技術(shù)研究，本文通過(guò)對(duì)這些射頻信號(hào)的不同分析，提出了一種基于軟件無(wú)線(xiàn)電的民用機(jī)載射頻信號(hào)綜合處理技術(shù)。

圖1 機(jī)載無(wú)線(xiàn)電通信綜合示意圖

1 機(jī)載射頻信號(hào)綜合技術(shù)分析

機(jī)載航空電子發(fā)展的趨勢(shì)是綜合化、模塊化技術(shù)，采用通用的處理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用功能，極大的減少了系統(tǒng)的重量、體積和成本，同時(shí)增加了系統(tǒng)的可靠性和靈活性。同樣，如果針對(duì)每種通信方式，采用傳統(tǒng)的分布式架構(gòu)，需要設(shè)計(jì)一個(gè)單獨(dú)的LRU設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能，那么系統(tǒng)成本將會(huì)非常高，系統(tǒng)的體積、功耗、重量隨之增加，并且系統(tǒng)的靈活性也差，從而影響飛機(jī)的性能以及系統(tǒng)的應(yīng)用。因此在未來(lái)的機(jī)載空地通信應(yīng)用中，采用IMA的設(shè)計(jì)思想，通過(guò)構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的硬件模塊平臺(tái)，通過(guò)加載不同的通信軟件應(yīng)用功能來(lái)靈活的構(gòu)造所需的通信方式，目前實(shí)現(xiàn)這些功能的一種方式就是采用軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)。

由于在飛行中不可能同時(shí)采用所有的空地通信技術(shù)，因此借助于軟件無(wú)線(xiàn)電的思想，如圖1所示，采用統(tǒng)一的通用硬件處理平臺(tái)，根據(jù)飛機(jī)或者飛行過(guò)程的需求，通過(guò)軟件重構(gòu)，動(dòng)態(tài)建立所需的無(wú)線(xiàn)電通信鏈路應(yīng)用功能，使一個(gè)通用的設(shè)備代替原來(lái)需要多個(gè)獨(dú)立設(shè)備實(shí)現(xiàn)的功能，從而減少系統(tǒng)所需設(shè)備數(shù)量，降低系統(tǒng)成本、體積、功耗和重量。

圖1給出了機(jī)載無(wú)線(xiàn)電通信綜合的三個(gè)階段：第一階段的各個(gè)接收通道是相互獨(dú)立的；第二個(gè)階段綜合了后端的數(shù)字化處理部分，但各個(gè)系統(tǒng)的天線(xiàn)部分仍然是獨(dú)立的；第三個(gè)階段即是綜合的終極目標(biāo)：射頻前端采用全波段天線(xiàn)進(jìn)行發(fā)射和接收,

后端采用高性能AD/DA 模塊，將各個(gè)系統(tǒng)的功能盡可能用軟件實(shí)現(xiàn)。

1.1 軟件無(wú)線(xiàn)電

1992年，MILTRE公司的Joseph Mitola在美國(guó)電信系統(tǒng)會(huì)議上（IEEE National Telesystem Conference）首次提出“軟件無(wú)線(xiàn)電”的概念，它通過(guò)構(gòu)建一個(gè)具有開(kāi)放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái)，將各種功能如：工作頻段、調(diào)制解調(diào)類(lèi)型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，并使寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線(xiàn)，以研制出具有高度靈活性、開(kāi)放性的新一代無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)。軟件無(wú)線(xiàn)電大體上可以分為兩大部分，包括軟件無(wú)線(xiàn)電的前端部分和軟件無(wú)線(xiàn)電后端部分，如圖2所示。

圖2 軟件無(wú)線(xiàn)電經(jīng)典結(jié)構(gòu)

軟件無(wú)線(xiàn)電前端部分由三部分組成。分別是射頻信號(hào)變換，位于模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換之前的模擬射頻前端（又稱(chēng)模擬前端），A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，位于數(shù)模/模數(shù)與數(shù)字基帶處理之間的數(shù)字前端，數(shù)字基帶處理部分為軟件無(wú)線(xiàn)電后端。

圖2中的數(shù)字前端又分為數(shù)字接收前端和數(shù)字發(fā)射前端。產(chǎn)生數(shù)字前端這種結(jié)構(gòu)的主要原因是從天線(xiàn)發(fā)射出去的和從天線(xiàn)接收下來(lái)的射頻信號(hào)頻率很高，高達(dá)幾十個(gè)GHz、頻帶很寬，而當(dāng)天線(xiàn)與收發(fā)機(jī)之間距離比較遠(yuǎn)時(shí)，射頻信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸容易受各種干擾，如果將收發(fā)機(jī)中與天線(xiàn)相連的高頻電路移到天線(xiàn)段，而收發(fā)機(jī)只負(fù)責(zé)中頻信號(hào)，這樣天線(xiàn)和收發(fā)機(jī)的傳輸問(wèn)題就得到解決。另外，將數(shù)字前端獨(dú)立出來(lái)，更加有利于軟件的重用。數(shù)字前端的主要功能是降低或升高信號(hào)的頻率，并對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行濾波，以便數(shù)字后端方對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行處理。

軟件無(wú)線(xiàn)電的主要優(yōu)點(diǎn)是：具有多頻段、多功能通信能力和很強(qiáng)的靈活性，可以通過(guò)增加軟件模塊，很容易地增加新的功能；它在射頻端將射頻信號(hào)下變頻到中頻（包括零中頻），降低了對(duì)硬件元件的要求，增強(qiáng)了工程實(shí)現(xiàn)性；它可以與其它任何體制電臺(tái)實(shí)現(xiàn)空中接口、進(jìn)行不同制式間的通信，并可以作為其它電臺(tái)的射頻中繼；還可通過(guò)無(wú)線(xiàn)加載來(lái)改變軟件模塊或更新軟件；亦可以根據(jù)所需功能的強(qiáng)弱，取舍選擇軟件模塊，降低系統(tǒng)成本，節(jié)約費(fèi)用開(kāi)支。

1.2 軟件無(wú)線(xiàn)電航空中的應(yīng)用

從目前查閱的文獻(xiàn)上，國(guó)內(nèi)軟件無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)還沒(méi)有實(shí)際用于民用機(jī)載航電系統(tǒng)中，只有一些大學(xué)和研究所在進(jìn)行方案研究和部分試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如西北工業(yè)大學(xué)宋東教授和中航工業(yè)計(jì)算所合作對(duì)基于軟件無(wú)線(xiàn)電的小型飛機(jī)綜合CNS系統(tǒng)進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證試驗(yàn)；西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院李勇教授設(shè)計(jì)了基于軟件無(wú)線(xiàn)電的羅盤(pán)激勵(lì)器系統(tǒng)；電子科技大學(xué)文光俊教授對(duì)基于軟件無(wú)線(xiàn)電的數(shù)字化無(wú)線(xiàn)電羅盤(pán)進(jìn)行了研究；西南電子技術(shù)研究所以軟件無(wú)線(xiàn)電理論為指導(dǎo)，進(jìn)行了基于FPGA的羅蘭C信號(hào)源設(shè)計(jì)等。

1.3 基于軟件無(wú)線(xiàn)電的機(jī)載射頻信號(hào)綜合

為了對(duì)機(jī)載射頻信號(hào)進(jìn)行綜合，首先要分析機(jī)載無(wú)線(xiàn)電設(shè)備所使用的頻段。圖3給出了當(dāng)前民用飛機(jī)機(jī)載無(wú)線(xiàn)電設(shè)備的發(fā)送和接收使用的頻段。

由圖3可見(jiàn)，當(dāng)前機(jī)載無(wú)線(xiàn)電設(shè)備的頻段范圍大致為200k~1.2GHz,而且不同的系統(tǒng)的頻段占用也是有重疊的部分。在這個(gè)頻段范圍內(nèi)，對(duì)射頻前端進(jìn)行綜合是可行的，現(xiàn)如今已有覆蓋70M~6GHz的高性能射頻處理芯片問(wèn)世，這就為機(jī)載射頻綜合技術(shù)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。因此結(jié)合實(shí)際機(jī)載應(yīng)用情況，采用軟件無(wú)線(xiàn)電方法對(duì)機(jī)載射頻信號(hào)進(jìn)行綜合的思想如下。

（1）受限于當(dāng)前的天線(xiàn)理論和技術(shù)，“全波段”的天線(xiàn)目前還難以實(shí)現(xiàn)，要在整個(gè)波段用一副天線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且又要有較高的天線(xiàn)效率，其難度是非常大的，甚至是不可能的。同時(shí)，通用飛機(jī)的有很大的成本限制，而且民機(jī)適航對(duì)機(jī)載天線(xiàn)性能也有很高的要求，鑒于這些原因，在現(xiàn)階段，在通用飛機(jī)上還無(wú)法做到圖1所示第三階段的射頻綜合。因此本文涉及的射頻綜合技術(shù)為圖1的第二階段,對(duì)各個(gè)系統(tǒng)的天線(xiàn)進(jìn)行合理地復(fù)用，但無(wú)法做到用單一天線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)所有系統(tǒng)的發(fā)射和接收。

（2）對(duì)于無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的射頻前端部分，采用軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，將數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換盡量靠近天線(xiàn)，將射頻模擬硬件功能盡量用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。剩下不能夠用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的模擬部分則采用模塊化、開(kāi)放式、可重構(gòu)的射頻傳感器系統(tǒng)體系架構(gòu)，并結(jié)合資源管理調(diào)度和功能控制算法、軟件，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的功能。

圖3 民用飛機(jī)機(jī)載無(wú)線(xiàn)電射頻頻段示意圖

（3）對(duì)于綜合無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的數(shù)字部分，采用片上系統(tǒng)(SoC,system on chip)實(shí)現(xiàn)。軟件無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的目的是在軟件和可重復(fù)編程邏輯中部署盡可能多的調(diào)制/解調(diào)和數(shù)據(jù)處理算法，以便通信系統(tǒng)能夠僅通過(guò)更新軟件和可重復(fù)編程邏輯而輕松進(jìn)行再配置，并且無(wú)需更改硬件平臺(tái)。 片上系統(tǒng) (SoC) 可以集CPU的靈活性與FPGA的處理能力于一體（例如Xilinx 公司的Zynq系列SoC），設(shè)計(jì)人員可以將數(shù)據(jù)調(diào)制/解調(diào)算法等處理密集型任務(wù)分流至片上可編程邏輯（PL， Programmable Logic）中實(shí)現(xiàn)，而數(shù)據(jù)編解碼、系統(tǒng)監(jiān)控和診斷以及任務(wù)調(diào)度等在運(yùn)行了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的處理器（PS，Processing System）中進(jìn)行。

(4)對(duì)于機(jī)載無(wú)線(xiàn)電設(shè)備的射頻綜合，還需要結(jié)合各系統(tǒng)的實(shí)際使用情況，明確各系統(tǒng)在飛機(jī)起飛、巡航、降落等階段的工作狀態(tài)，不能因?yàn)椴缓侠淼膹?fù)用和綜合導(dǎo)致在某一時(shí)刻設(shè)備無(wú)法同時(shí)使用或者出現(xiàn)干擾。

基于以上思想，給出一種民用機(jī)載射頻綜合設(shè)計(jì)方案，如圖4所示。

在硬件設(shè)計(jì)方面，射頻信號(hào)通過(guò)天線(xiàn)連接到射頻前端處理，射頻前端采用了5塊AD93XX系列射頻處理芯片，其工作頻率范圍可以達(dá)到70MHz至6.0GHz。該芯片被稱(chēng)為SDR應(yīng)用領(lǐng)域的革命性解決方案，采用了零中頻的結(jié)構(gòu)，將整個(gè)射頻處理以及AD/DA模塊集中到一個(gè)芯片中，結(jié)構(gòu)包括射頻放大器、模擬濾波器、混頻器、可變FIR濾波器，12位ADC和DAC。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)FMC接口將射頻前端和數(shù)據(jù)處理后端進(jìn)行連接。數(shù)據(jù)處理后端采用XC7000 系列SOC芯片，該芯片集成FPGA和ARM9處理器核，在FPGA實(shí)現(xiàn)PL的濾波和調(diào)制解調(diào)，ARM9的處理器集成嵌入式linux操作系統(tǒng)進(jìn)行軟件數(shù)據(jù)解析，PL和PS之間采用高速的AXI接口進(jìn)行通信。通過(guò)在SOC中進(jìn)行軟件編碼實(shí)現(xiàn)了VHF、VOR、LOC、GS、MKR、DME、ADS-B多種射頻功能的綜合。

在軟件設(shè)計(jì)方面，主要采用基于模型的開(kāi)發(fā)方法進(jìn)行各種功能的開(kāi)發(fā)，首先通過(guò)simulink完成各個(gè)子功能軟件模型開(kāi)發(fā)和仿真驗(yàn)證，然后使用Matlab中的HDL coder和Embedded Coder的基于模型的代碼生成功能，結(jié)合Xilinx 的vivado和SDK集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)從仿真建模到代碼生成的自動(dòng)化操作。在該方案中基于模型化開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵是模塊功能的劃分，要提前明確模塊中哪些子功能用PL實(shí)現(xiàn)、哪些子功能用PS實(shí)現(xiàn)。通常當(dāng)需要以采樣速率實(shí)時(shí)運(yùn)行的計(jì)算密集型組件（如數(shù)據(jù)調(diào)制/解調(diào)算法），這些子功能在PL中實(shí)現(xiàn)；計(jì)算量相對(duì)較少的處理任務(wù)（如數(shù)據(jù)編解碼和渲染，以及系統(tǒng)監(jiān)視和診斷）通過(guò)PS實(shí)現(xiàn)。基于這個(gè)原則，在圖4的PL和PS框圖中進(jìn)行了不同子功能的分配。目前基于該方案已經(jīng)搭建了系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺(tái)，并且已在實(shí)驗(yàn)室成功實(shí)現(xiàn)ADS-B in、VOR等系統(tǒng)的功能驗(yàn)證。

2 總結(jié)

實(shí)現(xiàn)機(jī)載無(wú)線(xiàn)電設(shè)備射頻綜合的思想是：在通用的硬件平臺(tái)上，采用軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)、對(duì)工作于不同頻段、不同方式無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)進(jìn)行綜合。它主導(dǎo)著硬件盡量軟件化，在標(biāo)準(zhǔn)化的通用模塊上通過(guò)加載與硬件無(wú)關(guān)的軟件，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)不同通信技術(shù)的無(wú)縫切換，可在不同的飛行階段加載不同的功能單元軟件，從而實(shí)現(xiàn)硬件單元的分時(shí)復(fù)用，以很小的成本完成所需的功能。

除可應(yīng)用于綜合現(xiàn)階段的機(jī)載無(wú)線(xiàn)電設(shè)備射頻信號(hào)綜合外，針對(duì)能夠應(yīng)用于航空的空地寬帶通信技術(shù)，例如VDL2、 LDACS、AeroMACS、基于機(jī)載以太網(wǎng)的空地通信等，采用軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)其機(jī)載端系統(tǒng)的功能也具有得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)的發(fā)展中，具有很大的潛力。

[1] 孫歡慶，民用飛機(jī)綜合航電系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展研究[J]，航空科學(xué)技術(shù)，2010年,第3期，6-8.

[2]徐科華. 基于射頻綜合的綜合航電系統(tǒng)介紹[J]. 民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究, 2008年,第4期，42-48.

[3]文延?xùn)|, 文雙春, 劉昱,等. 基于軟件無(wú)線(xiàn)電的通信信號(hào)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與科學(xué), 2016年, 38(9):1769-1775.

劉文學(xué),男，1973年出生，陜西蒲城人，碩士研究生畢業(yè)，高級(jí)工程師。長(zhǎng)期從事航空電子系統(tǒng)及設(shè)備的研發(fā)，主要負(fù)責(zé)機(jī)載綜合顯示系統(tǒng)、通信、導(dǎo)航和監(jiān)視系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)研究。

Airborne RF integrated processing technology based on software radio

Liu Wenxue, Han Bin, Feng Wei, Li Yajieg
（Avic xi 'an aviation institute of computing technology, Xi'an Shanxi,710065）

The key functions of aircraft communications, navigation and surveillance, such as VHF communication, VOR , ADF, DME, ILS, MKR, transponder and ADS-B, usually are achieved by independent equipment, which size, weight and power consumption is very big, cost is very high also. It is difficult to use these equipment in general aircraft. The effective method to solve this problem is to integrate these functions into a unified platform, this paper proposes a RF signal processing technology based on software radio, and the simulation platform is established and those functions are verified, proved the technical feasibility of the method.

air-ground communication; software radio; RF integrate

圖4 一種機(jī)載射頻信號(hào)綜合方案