軟件無線電技術在直升機通信導航系統中的應用研究

余榮昌

摘 要：本文針對當前直升機通信導航系統操作復雜、設備眾多、兼容性差、升級成本高等問題，設計了一種基于軟件無線電技術的直升機通信導航系統，并針對該系統的基本思想、系統特點和功能模塊進行了詳細的闡述，最后分析了該系統的核心技術。

關鍵詞：直升機；通信導航系統；軟件無線電；應用

1 系統的基本思想及體系結構

1.1 系統的特點

整個系統具有高度的靈活性和開放性，并具有以下4大基本特征：1）充分數字化的，即從信源基帶信號的處理到射頻信號的發送和接收都盡可能地實現數字化；2）可編程的，即與PC的系統結構相似，基于相對通用的硬件平臺，通過更換程序和模塊插件來適應多頻道和多種工作方式，包括可編程的射頻頻帶、信道接入模式和信道調制等；3）多頻是可以轉換的，即具有良好的多頻帶天線和寬帶的A/D/A轉換能力；4）系統總線是標準、高性能和開放式的結構，即能支持多個CPU并行工作，支持流水線和不同種類的處理機，通用性好，支持模塊化設計。

1.2 系統體系結構

基于軟件無線電的直升機通信導航系統主要由多頻段寬帶天線單元、射頻單元、模塊數字無線電、I/O單元等組成。射頻單元在發射時主要完成上變頻、濾波、功率放大等任務，接收時實現濾波、放大、下變頻等功能。在模塊數字無線電單元，模擬信號經過寬帶A/D數字化后的處理任務全由DSP/FPGA軟件承擔，為了減輕通用DSP/FP-GA的處理壓力，通常將A/D數字化的信號經過專用的數字下變頻器處理，降低數據流速率，并把信號變至中頻或基帶后，再把數據送給通用高速的DSP/FPGA進行處理。通用高速的DSP/FPGA主要完成各種數據率相對較低信號的處理。由于模塊數字無線電單元使用了可編程能力強的DSP/FPGA芯片，使其硬件結構與功能相對獨立，這樣就建立了基于一個相對通用的硬件平臺，通過軟件實現不同的通信功能，并可對工作頻率、系統頻寬、調制/解調方式、信源加/解密碼、各種抗干擾、抗衰落、自適應均衡算法的實現進行編程控制，系統靈活性大大增強。I/O接口主要完成各種數據（如話音、數據、圖像、傳真）的輸入和輸出。

2 系統的關鍵技術

2.1 寬帶多頻段天線

基于軟件無線電的直升機通信導航系統能夠從短波通信到微波的相當寬的頻段內進行工作，按目前應用來說，系統的天線應該覆蓋全頻段。這種天線應該是一種新型的全向寬帶天線，可以根據實際需要利用軟件智能地構造其工作頻段和輻射特性，覆蓋所用常用的無線通信頻段，并且在整個頻段和方向上都具有近似相同的接收特性和很低的功率損耗。這是軟件無線電天線研制的最終目標，以目前國內外寬帶天線的技術水平和制造工藝，設計、制作全頻段全向天線是很不現實的。

2.2 寬帶A/D、D/A轉換器

數字化是系統靈活性的基礎。它不僅是決定無線收發信機結構的最主要的因素之一，而且它的性能在很大程度上制約著收發信機的性能?；谲浖o線電的直升機通信導航系統是直接在射頻上進行A/D、D/A變換，這要求A/D、D/A變換器必須具有足夠高的采樣速度。根據Nyquist采樣定理，要不失真的反映信號特征，采樣頻率fs至少是模擬信號帶寬Wa的兩倍。為保證性能，在實際應用中經常進行過采樣處理，要求fs>215Wa對于A/D、D/A轉換器件不但要求具有較高的采樣速率，還要保證較高的采樣精度，即采樣值的位數要求足夠多，盡量減少量化噪聲，決定A/D、D/A轉換器件技術特性的一些參數包括：量化信噪比、無雜散動態范圍、噪聲功率比和全功率模擬輸入帶寬等。A/D、D/A器件在直升機通信系統中所處位置非常關鍵，它直接反映了系統的軟件化程度，隨著技術的發展，A/D、D/A器件的性能逐步提高，其位置越接近射頻前端，最終真正實現基于軟件無線電的直升機通信系統。

2.3 高速數字信號處理

數字信號處理器是基于軟件無線電的直升機通信導航系統的靈魂，理想的系統要求DSP/FPGA直接處理射頻端數字化的信號并完成通信所要求的各種功能，這對DSP/FPGA要求很高，短時間內不能實現。要處理經A/D變換后輸出的中頻高速數字信號，DSP芯片必須通過軟件程序完成中頻數字變頻、濾波、二次抽樣、基帶處理、信道調制、無線資源管理等過程，這就要求DSP芯片的處理速度至少要在1GFLOPS以上。從性價比和功耗上出發，目前有幾種較好的解決辦法：一是采用多DSP芯片并行處理以提高處理速度；二是采用專用可編程芯片，完成中頻下變頻，然后再進行數字信號處理；FPGA也是一種解決方案，其優點在于可以充分利用電路的并行性，處理速度快、功耗低。

3 結束語

軟件無線電能夠很好地滿足直升機通信導航系統的多通道、多業務、多用戶和綜合控制的技術。但射頻前端對系統的采樣速度和精度指標有極高的要求，而現有處理器和數模轉換器難以滿足，因此還不能射頻完全實現軟件化，目前只能在中頻實現數字化。相信隨著技術的發展，數模器件的性能逐步提高，其位置越來越接近射頻高端，最終真正實現基于軟件無線電的直升機通信導航系統。

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