基于USRP的L-DACS1前向鏈路設計與實現

胡文博,李昊洋,劉海濤

(1.中國民航大學 電子信息與自動化學院，天津 300300；2.四川九洲空管科技有限責任公司，四川 綿陽 621000)

0 引言

L-band Digital Aeronautical Communications System 1(L-DACS1)[1-2]是一種基于OFDM多載波技術的未來寬帶航空通信系統，主要為陸地航路及終端區飛行的航空器提供數據及語音通信服務[3-4]。L-DACS1系統具有傳輸容量大、用戶數據吞吐量高和信息速率高等優點，更適用于航空信道傳輸[5]。因此，L-DACS1系統被視為未來民用航空領域移動通信的重要技術手段，并獲得學術界和業界的廣泛關注[6-7]。

為解決寬帶航空數據鏈系統的優化設計問題，德宇航(DLR)開展了寬帶航空數據鏈物理層傳輸方案的研究，提出了L-DACS1系統的技術規范(草案)[8-9]，并研制了L-DACS1原型系統[10]。

為解決L-DACS1高層協議的設計與優化問題，文獻[11]研究了L-DACS1系統數據鏈路層協議，文獻[12]研究了L-DACS1系統的移動切換問題。為解決測距儀(Distance Measure Equipment，DME)[13]干擾L-DACS1接收機的關鍵問題，文獻[14-15]提出了脈沖熄滅干擾抑制方法，文獻[16]提出了脈沖限幅干擾抑制方法，文獻[17]提出了基于脈沖重構的干擾抑制方法，文獻[18]提出了一種基于判決反饋脈沖噪聲估計的DME抑制方法。文獻[14-16]存在門限設置困難的問題，文獻[17-18]無法避免殘存的DME干擾降低接收機可靠性的問題。

為了便于開展L-DACS1系統受DME干擾抑制問題的研究，需要研制L-DACS1系統前向鏈路試驗測試系統。本文基于USRP軟件無線電平臺，利用LabVIEW設計實現了L-DACS1系統前向鏈路，并在實驗室環境下構建了L-DACS1系統前向鏈路測試系統，并基于測試系統開展了L-DACS1系統前向鏈路測試。

已有的關于L-DACS1系統物理層前向鏈路的研究大多是關于該系統發射過程、接收過程中的部分細節，本文的創新之處是利用USRP N210軟件無線電平臺搭建了完整的L-DACS1系統物理層前向鏈路系統原型，并利用該平臺測試驗證了收發過程的正確性。

1 L-DACS1系統的設計

1.1 系統技術參數

L-DACS1系統物理層的主要參數如表1所示。

表1 L-DACS1前向鏈路主要參數

OFDM系統有64個子載波數。其中，有效子載波數量為50個，直流子載波與虛擬子載波數量共14個，子載波間隔為9.765 kHz，傳輸帶寬為498.05 kHz，OFDM有效符號長度為102.4 μs，循環前綴長度為17.6 μs，OFDM符號總長度為120 μs[19-20]。其規范指出，為了提高系統的頻率利用率、降低子載波間干擾，數據子載波兩側插入空子載波，零頻處的子載波作為直流子載波，不攜帶信息。

1.2 前向鏈路幀結構

L-DACS1系統超幀結構如圖1所示。超幀是L-DACS1系統前向鏈路的基本單元，它的持續時間為240 ms，每個超幀可傳輸2 000個OFDM符號。在前向鏈路中，每個超幀結構由一個廣播(BC)幀和4個多幀組成[4]。其中，BC幀由3個連續的子幀組成，長度為6.72 ms，可傳輸56個OFDM符號，每個多幀包含2個數據(Data)子幀和一個控制(CC)子幀，長度為58.32 ms，進一步包含9個Data/CC子幀，多幀中Data和CC子幀的長度是可變的[19]。

圖1 前向鏈路超幀結構

1.3 發射機與接收機結構

L-DACS1系統前向鏈路發射機結構示意如圖2所示。信源輸出的比特序列首先根據傳輸幀的類型選擇合適的編碼及調制方式，之后送入比特擾碼器進行添加比特擾碼，擾碼器輸出的比特序列依次通過RS編碼器、塊交織器、卷積編碼器和螺旋交織器完成信道編碼與交織，螺旋交織器輸出的比特序列進一步通過調制器完成符號映射，調制符號及生成的同步序列、導頻序列映射成幀，并在串并轉換后通過傅里葉逆變換(IFFT)完成OFDM調制，之后再添加循環前綴(CP)及加窗處理后通過并串轉換形成OFDM基帶信號，最后通過USRP轉換為射頻信號，經射頻天線送入信道傳輸。

圖2 發射機結構

文獻[19]指出，BC幀的RS碼字數量、每個交織塊的數量均為1；Data/CC幀的RS碼字數量為1，每個交織塊的數量為3，因此Data/CC幀成幀過程需要塊交織器，而BC幀不需要。

L-DACS1系統前向鏈路接收機結構示意圖如圖3所示。USRP完成射頻信號的接收、下變頻及A/D轉換，得到的數字基帶信號首先送入超幀同步器，確定超幀幀頭的大概位置，之后送入載波同步器，完成載波頻偏估計與校正，再送入精定時同步器，確定出超幀幀頭的準確位置并取出一個完整的超幀，然后對超幀進行拆分，在經過串并轉換及移除CP后通過傅里葉變換(FFT)完成OFDM解調，之后在移除虛子載波后送入信道估計器并利用得到的信道估計值進行迫零均衡，再移除導頻及并串轉換，并串轉換得到的串行信息進一步送入解調器進行符號解映射，解映射后的比特序列再送入解螺旋交織器、卷積譯碼器、解塊交織器、RS編碼器完成解交織和信道譯碼，RS譯碼器輸出的比特序列通過解擾器完成解擾，重建出所發射的信息。

圖3 接收機結構

2 L-DACS1前向鏈路的實現

2.1 USRP軟件無線電平臺

NI-USRP-N210(USRP N210)是美國國家儀器(NI)公司設計的產品，作為硬件前端與LabVIEW軟件配套使用，構成完整的軟件無線電平臺，能完成通信系統原型的快速搭建和算法驗證等科研工作。

當USRP N210作為發射機時，基帶信號在主機上產生，通過千兆網線傳送給USRP外設完成射頻信號的發射；當USRP N210作為接收機時，射頻信號的接收在USRP外設上完成，通過千兆網線傳送給主機完成基帶信號的后續處理。其中，發射機輸出、接收機輸入均為射頻信號。

LabVIEW是NI公司開發的一種圖形化編程環境，USRP N210平臺上所有功能組件都是在這個環境中定義的。LabVIEW和USRP N210所構成的軟件無線電平臺結合了軟件及硬件的優勢，同時回避了傳統的硬件實現方式所存在的靈活性差、開發周期長等缺點，因此無需考慮復雜的硬件實現，可以簡化算法的驗證過程[21]。USRP與PC機的連接關系如圖4所示。

圖4 USRP與PC機的連接關系

2.2 前向鏈路發射機

前向鏈路發射機基于LabVIEW的實現如圖5所示。發射機由發射機配置、基帶信號處理、OFDM調制和數據寫入4個單元構成。

圖5 發射機實現

發射機配置單元的技術參數包括I/Q采樣率、載波頻率和增益等；基帶信號處理單元完成擾碼、信道編碼、交織、調制和成幀的過程；OFDM調制單元將成幀的信號生成所需的OFDM信號；最后通過數據寫入單元將產生的基帶信號傳入USRP設備，實現信號的發射。

2.3 前向鏈路接收機

前向鏈路接收機基于LabVIEW的實現如圖6所示。接收機由15個單元構成：接收機配置、超幀同步、粗載波同步、精載波同步、精定時同步、拆分超幀、OFDM解調、信道估計、去除導頻、解調、解螺旋交織、卷積譯碼、解塊交織、RS譯碼和解擾碼。

圖6 接收機實現

接收機配置單元的技術參數與發射機相同。接收到的信號經過超幀同步可以確定超幀中各子幀可能的起始位置，經過粗、精載波同步完成載波頻偏估計與校正，隨后拆分超幀，對各子幀完成解調、解交織、信道譯碼，經過解擾碼實現接收信號的還原。

3 實驗室測試結果

3.1 測試系統

L-DACS1系統前向鏈路測試環境如圖7所示，從左到右依次是PC前向鏈路發射機(USRP N210)2臺、信道模擬器(NI 5791)1臺和PC前向鏈路接收機(USRP N210)。

圖7 測試系統組成

發射機、接收機和信道模擬器的連接示意圖如圖8所示。

圖8 測試系統示意

3.2 發射機結果

L-DACS1前向鏈路發射機測試結果如圖9所示，包括USRP參數設置、各子幀傳輸的文本、L-DACS1功率譜圖和時域波形圖。

圖9 L-DACS1前向鏈路發射機測試結果

從功率譜圖中可以看出，信號帶寬接近0.5 MHz，零頻處為直流，不傳輸信息，符合L-DACS1協議標準。從L-DACS1信號時域波形圖可以看出，在數據符號前有4個重復的短同步符號及2個重復的長同步符號。

3.3 接收機結果

L-DACS1前向鏈路接收機測試結果(噪聲功率為零)如圖10所示，包含USRP硬件參數、信道參數的設置、每個子幀接收到的文本、功率譜圖、超幀同步圖、精定時同步圖、各子幀星座圖及時域波形圖。

圖10 L-DACS1前向鏈路接收機測試結果

從功率譜圖和時域波形圖可以看出，接收信號的波形與發射機完全一致。從超幀同步圖和精定時同步圖中可以看出部分子幀的起始位置。從各子幀星座圖可以看出，當噪聲功率為零時，星座圖收斂性很好。

3.4 BER性能

3.4.1 仿真參數設置

部分仿真參數如表2所示(其余參數如表1所示)。

表2 仿真參數

3.4.2 軟件仿真與硬件實測

軟件仿真：假定L-DACS1物理層前向鏈路接收機已經正確地完成了同步過程(包括定時同步、載波同步)。

硬件實測：針對接收機超幀同步門限值的合理取值問題，國內外有關接收機的研究沒有給出具體的定量公式，實測過程不能確保接收機每次都能絕對正確地完成同步過程。

3.4.3 AWGN信道

Data/CC子幀在AWGN信道下的BER性能曲線如圖11所示。信噪比(SNR)取值范圍0～5 dB，圖中“◇”曲線代表設備實測結果，“﹡”曲線代表仿真結果。仿真和實測的BER均隨著SNR的增加而降低，實測過程存在接收機未能正確同步的問題，會造成信宿出現錯誤，導致實測的BER性能略高于仿真得到的BER性能，2條曲線基本平行，驗證了所設計系統的正確性。

圖11 AWGN信道下的BER性能

3.4.4 多徑信道

Data/CC子幀在多徑信道(2徑信道：時延分別為0，2.06 μs)下的BER性能曲線如圖12所示。

圖12 多徑信道下的BER性能

SNR取值范圍0～14 dB，圖中“□”曲線代表設備實測結果，“﹡”曲線代表仿真結果。仿真和實測的BER均隨著SNR的增加而降低，實測的BER性能略高于仿真得到的BER性能(同3.4.3節)，2條曲線基本平行，驗證了所設計系統的正確性。

3.5 實驗改進

由于實驗室條件有限，所用射頻收發儀適配器模塊(型號：NI 5791)不能模擬最大時延超過2.06 μs的多徑信道，但是沒有信道徑數的限制。

為了改進本文所開展的傳輸實驗，采用徑間延遲分別為d1=0，0

4 結束語

本文基于USRP N210軟件無線電平臺設計實現了L-DACS1物理層前向鏈路發射機和接收機，并在實驗室環境下開展了L-DACS1系統前向鏈路傳輸試驗。試驗測試結果與計算機仿真結果完全一致，驗證了研制的L-DACS1前向鏈路發射機與接收機的正確性。未來將基于研制的系統開展L-DACS1前向鏈路測距儀干擾抑制的研究。