基于軟件無線電的艦船通信系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)研究*

范慧麗 吳有力

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430064)

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基于軟件無線電的艦船通信系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)研究*

范慧麗 吳有力

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430064)

針對(duì)目前艦船通信系統(tǒng)電臺(tái)種類、數(shù)量繁多、功能單一,靈活性差,操作界面、接口標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等問題,提出了基于軟件無線電的艦船通信系統(tǒng)集成化方案及逐步實(shí)現(xiàn)過程,并給出了艦用軟件無線電硬件平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)。該集成化系統(tǒng)可覆蓋1MHz～4GHz頻率,不僅可前向兼容現(xiàn)有短波、超短波、UHF/S衛(wèi)星通信以及GPS/北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位等業(yè)務(wù)需求,還具有極強(qiáng)的后向擴(kuò)展能力和協(xié)同作戰(zhàn)能力,可極大提高當(dāng)前艦船通信系統(tǒng)的集成優(yōu)化水平和通信能力。

軟件無線電; 艦船通信系統(tǒng); 集成優(yōu)化; 體系結(jié)構(gòu)

Class Number TN915

1 引言

軟件無線電(Software Defined Radio,SDR)是一種多頻段、多模式、多功能的新的無線電系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),它以開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái)為依托,通過實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)加載可重構(gòu)、可升級(jí)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化軟件來實(shí)現(xiàn)各種無線通信功能,能夠通過軟件更新和組裝配置改變硬件配置結(jié)構(gòu),通過編程來支持新的通信標(biāo)準(zhǔn),具有高度的信息化和集成化水平[1～2]。美國(guó)在軍用軟件無線電電臺(tái)方面發(fā)展最快,1998年進(jìn)入軟件無線電的第三階段,研制戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)(JTRS),希望用它替代當(dāng)時(shí)使用的25種不同類型、32種波形的戰(zhàn)術(shù)無線電通信系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)三軍互連互通并與其它系統(tǒng)兼容,目前,JTRS的裝備已進(jìn)入全面部署階段。英國(guó)也已經(jīng)分別研制了艦載、星載和機(jī)載的軟件無線電電臺(tái),45型“勇敢”級(jí)驅(qū)逐艦裝備了以軟件無線電系統(tǒng)為核心“完全集成通信系統(tǒng)”[3～4]。國(guó)內(nèi)前期主要方向是將獨(dú)立設(shè)備以板卡方式進(jìn)行集成,目前,多個(gè)單位在積極開展軟件無線電的開發(fā)工作,以期用軟件實(shí)現(xiàn)來替代板卡集成,但鮮有軟件無線電電臺(tái)艦船裝備部署報(bào)道。

本文主要探討軟件無線電技術(shù)在艦船通信系統(tǒng)上的應(yīng)用,分析了艦船通信系統(tǒng)對(duì)集成化、信息化以及能力擴(kuò)展的需求,提出了基于軟件無線電的艦船通信系統(tǒng)集成化方案以及通用平臺(tái)體系結(jié)構(gòu),用以從設(shè)備小型化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化方面改善現(xiàn)有通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu),大幅提高通信系統(tǒng)集成優(yōu)化水平。

2 艦船用軟件無線電需求分析

隨著信息化時(shí)代的到來,海上戰(zhàn)爭(zhēng)樣式發(fā)生革命性變化。未來高技術(shù)條件下的海上局部戰(zhàn)爭(zhēng),是以信息化為基本特征的戰(zhàn)爭(zhēng)。

1) 小型化、集成化設(shè)計(jì)需求

當(dāng)前,我國(guó)現(xiàn)有艦船通信系統(tǒng)各個(gè)頻段以及各個(gè)功能的電臺(tái)數(shù)量繁多、功能單一,靈活性差,操作界面、接口標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,系統(tǒng)連接復(fù)雜,不僅給船員操作使用、設(shè)備維護(hù)和管理帶來了困難,而且占用了大量艦船上寶貴的有限空間。

2) 信息化設(shè)計(jì)需求

設(shè)備眾多且接口標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,會(huì)造成應(yīng)用集中控制后,為適應(yīng)各種設(shè)備不同的接口和協(xié)議,控制設(shè)計(jì)復(fù)雜,實(shí)現(xiàn)困難,資源浪費(fèi),降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性。

3) 可靠性保障需求

由于設(shè)備功能單一,為保障設(shè)備可靠性,就需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行雙備份,這就直接增大了終端設(shè)備數(shù)量和重量以及系統(tǒng)連接復(fù)雜度。軟件無線電采用開放性的通用硬件平臺(tái),設(shè)備之間完全互為備份,還可以通過簡(jiǎn)單的重要板卡備份、通道熱備份等多種手段來保障通信的可靠性。

4) 未來信息化條件下對(duì)協(xié)同作戰(zhàn)能力的需求

未來的戰(zhàn)場(chǎng)是以數(shù)字化部隊(duì)為主導(dǎo)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化戰(zhàn)場(chǎng),戰(zhàn)場(chǎng)中的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要滿足協(xié)同通信和作戰(zhàn)需求,配合其它作戰(zhàn)平臺(tái)進(jìn)行信息交換,實(shí)現(xiàn)各軍用電臺(tái)的互連互通。

5) 能力擴(kuò)展的需求

隨著未來信息化條件下海戰(zhàn)對(duì)寬帶業(yè)務(wù)的需求日益增長(zhǎng),未來勢(shì)必有更多新型、高效的抗干擾通信波形擴(kuò)展和更高頻率擴(kuò)展需求,所以通信設(shè)備應(yīng)具有較強(qiáng)的后向可擴(kuò)展性,滿足未來系統(tǒng)升級(jí)和擴(kuò)充需求。

6) 技術(shù)進(jìn)步推進(jìn)設(shè)備向軟件無線電方向發(fā)展

高速數(shù)字信號(hào)處理、可編程器件技術(shù)以及新型軟件工程方法等技術(shù)的高速發(fā)展,要求通信系統(tǒng)具有強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)能力和后向演進(jìn)能力以提高其生存周期,從而促進(jìn)了通信系統(tǒng)向軟件無線電方向發(fā)展。

3 基于軟件無線電的艦船通信系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)

艦船通信系統(tǒng)的集成化主要在現(xiàn)有裝備儲(chǔ)備水平和軟件無線電技術(shù)發(fā)展情況基礎(chǔ)上分階段逐步推進(jìn)。

1) 設(shè)備向板卡集成

采用開放式體系結(jié)構(gòu),將原來單一頻段基于硬件、面向用途、功能單一的若干終端設(shè)備以板卡方式集成在一個(gè)綜合化的設(shè)備內(nèi),實(shí)現(xiàn)單頻段、多功能集成。

2) 板卡向軟件集成

通過加載可重構(gòu)、可升級(jí)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化軟件來實(shí)現(xiàn)各種無線通信功能,用以替代一個(gè)個(gè)功能板卡,實(shí)現(xiàn)多頻段、多功能集成。

3.1 基于軟件無線電思想的集成化數(shù)字終端

該集成化方案主要是將中頻和基帶部分進(jìn)行綜合集成,射頻處理由獨(dú)立的模擬化射頻前端設(shè)備完成。該方式主要是在已有的以板卡方式單頻段設(shè)備集成的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種多頻段、多模式的數(shù)字終端設(shè)備,技術(shù)成熟度較高,相比現(xiàn)有艦船通信系統(tǒng)設(shè)備,集成化程度也較好,易于實(shí)現(xiàn)。但由于射頻前端處理并未集成在該平臺(tái)上,所以并算不上真正意義上的軟件無線電通用平臺(tái)。根據(jù)射頻前端的不同集成化程度,模擬化射頻前端的實(shí)現(xiàn)可以采用如下兩種方式: 1) 獨(dú)立射頻前端; 2) 通用射頻前端。

3.1.1 獨(dú)立射頻前端

不同的天線信號(hào)送至不同的射頻前端進(jìn)行處理后,再傳給統(tǒng)一的多頻段集成化數(shù)字終端進(jìn)行中頻及基帶處理,如圖1所示。該方式對(duì)射頻前端設(shè)備的集成化水平較低,屬于點(diǎn)到點(diǎn)的煙囪式通信連接方式,天線共用性不高,但技術(shù)成熟度較高,易于實(shí)現(xiàn)。

圖1 基于獨(dú)立射頻前端的系統(tǒng)集成化示意圖

3.1.2 通用射頻前端

多頻段信號(hào)共用統(tǒng)一的綜合射頻前端設(shè)備,如圖2所示。不同的天線信號(hào)連接至同一個(gè)射頻前端,然后下變頻到同一個(gè)中頻,再送入統(tǒng)一的多頻段集成化數(shù)字終端完成中頻及基帶處理。該方式是集成化的進(jìn)一步突破,信息控制和傳輸更簡(jiǎn)潔,并且天線與終端設(shè)備之間不再是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接方式,通信路由的選擇更加靈活,天線和設(shè)備的共用性更高,但與軟件無線電相比,其多頻段集成化數(shù)字終端只實(shí)現(xiàn)了中頻和基帶信號(hào)處理,與理想軟件無線電還有一定距離。

圖2 基于通用射頻前端的系統(tǒng)集成化示意圖

3.2 完全集成化的軟件無線電電臺(tái)

與集成化數(shù)字終端設(shè)備不同,軟件無線電通用平臺(tái)具有完全的集成化特點(diǎn),不需要獨(dú)立的射頻前端設(shè)備,可與多頻段天線或不同頻段的多種天線單元進(jìn)行連接,處理天線單元傳送的模擬射頻信號(hào),并進(jìn)行中頻及基帶的數(shù)字信號(hào)處理,如圖3所示。

圖3 基于軟件無線電電臺(tái)的系統(tǒng)集成化示意圖

基于軟件無線電的艦船通信系統(tǒng)集成化重點(diǎn)體現(xiàn)在在軟件無線電電臺(tái)上,可覆蓋短波、超短波、衛(wèi)星通信等多個(gè)頻段,兼容現(xiàn)有多種波形體制,并支持新體制波形的擴(kuò)展能力。集成化的另一方面是綜合射頻分配和控制單元,它是軟件無線電設(shè)備與天線系統(tǒng)間的接口部件,提供艦船外部通信能力,主要負(fù)責(zé)提供射頻轉(zhuǎn)換和天線控制功能,完成不同天線的模式選擇、狀態(tài)報(bào)告和內(nèi)建測(cè)試功能,為系統(tǒng)綜合控制或系統(tǒng)監(jiān)視器提供遠(yuǎn)程操控。它可取代目前點(diǎn)到點(diǎn)的射頻信號(hào)和控制線路,為系統(tǒng)簡(jiǎn)單的擴(kuò)展或修改提供模塊化的硬件和軟件結(jié)構(gòu)。另外,綜合控制和管理單元也對(duì)系統(tǒng)集成化貢獻(xiàn)很大,它能夠進(jìn)行全面、自動(dòng)、智能化的控制管理;能夠提供綜合多媒體綜合業(yè)務(wù)控制終端,滿足功能多樣、操作簡(jiǎn)單的用戶需求,全面提高系統(tǒng)可視、可管、可控的綜合管控能力。

4 軟件無線電艦船通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

艦船用軟件無線電系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)順應(yīng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),符合JTRS的軟件通信體系結(jié)構(gòu)SCA規(guī)范,采用基于CORBA中間件的開放軟件結(jié)構(gòu),方便不斷更新和升級(jí),最大限度地滿足未來無線通信系統(tǒng)多頻段、多模式的應(yīng)用需求[5]。

硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)的核心思想:一是使A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線,二是用高速DSP、FPGA器件替代傳統(tǒng)的專用數(shù)字電路和低速DSP等做A/D后的一系列數(shù)字信號(hào)處理[6～7]。圖4給出了軟件無線電硬件平臺(tái)組成結(jié)構(gòu),其中RF發(fā)射模塊和RF接收模塊采用可編程的FPGA結(jié)構(gòu),主要用于實(shí)現(xiàn)1MHz～4GHz射頻信號(hào)與統(tǒng)一中頻之間的轉(zhuǎn)換。受限于器件工藝水平及技術(shù)儲(chǔ)備能力等原因,對(duì)于全帶寬內(nèi)信號(hào)的直接低通或帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu),工程上實(shí)現(xiàn)難度較大。所以采用較為可行的折中方案——寬帶中頻帶通采樣,射頻前端功能采用模擬部件完成,中頻及基帶為數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。折中方案中保留軟件無線電的基本特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),用于在后續(xù)的演進(jìn)過程中,逐漸淘汰升級(jí)保守設(shè)計(jì)的軟硬件模塊,最終實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[8～9]。

1MHz～4GHz全帶寬射頻處理對(duì)硬件要求很高,但考慮到艦船上通信系統(tǒng)并不要求覆蓋整個(gè)帶寬,而僅需要占用不同頻率的幾個(gè)窗口,如HF頻段(2M～30MHz)、VHF頻段(30MHz～88MHz、108MHz～174MHz)、UHF頻段(225MHz～400MHz)。另外,衛(wèi)星通信,包括UHF衛(wèi)通,INMARSAT-C海事衛(wèi)星以及S衛(wèi)通等也都只占用三百多兆、1.5G以及2G頻率附近范圍內(nèi)的幾十兆的頻段寬度。所以射頻收發(fā)處理可以按照頻率段來分段完成,可降低單個(gè)通道的射頻指標(biāo)需求。并且多通道分段處理中,可利用多片A/D并行時(shí)間交替采樣,且每個(gè)通道可采用非均勻采樣,可實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率跨度較大信號(hào)的捕獲。該方式比較適合分段獨(dú)立天線,射頻分段后單獨(dú)送至天線端口,可避免造成電路冗余,設(shè)備連接結(jié)構(gòu)也更簡(jiǎn)單。但即便是采用集成化的寬帶天線,也是可以采用多頻段分段處理技術(shù),用幾個(gè)倍程的組合式寬帶天線代替全頻段天線,更好實(shí)現(xiàn)和滿足使用需求。并且,就目前的技術(shù)而言,幾個(gè)倍頻程的寬帶功放也更易實(shí)現(xiàn)[10]。

圖4 軟件無線電硬件平臺(tái)組成結(jié)構(gòu)

另外,北斗定位頻段1561MHz/1268MHz,GPS定位頻段1575MHz也在軟件無線電頻段覆蓋范圍內(nèi),其功能實(shí)現(xiàn)也可以使用軟件無線電來實(shí)現(xiàn)。

數(shù)字信號(hào)處理模塊負(fù)責(zé)70MHz中頻以及基帶信號(hào)處理,數(shù)字化接口由母板搭載的FMC(FPGA Mezzanine Card)采樣子卡提供,可實(shí)現(xiàn)250MHz A/D通道采樣率和1GHz D/A通道速率,并由模塊中的可編程單元DSP和FPGA來滿足采樣子卡的高速數(shù)據(jù)緩存與實(shí)時(shí)信號(hào)處理。根據(jù)具體使用需求,可配置多塊數(shù)字信號(hào)處理模塊。

主控制模板的核心是可編程的PowerPC單元,是平臺(tái)的核心控制單元。密碼模塊用于信息加密和解密。接口模塊則提供外部時(shí)統(tǒng)、時(shí)標(biāo)以及頻標(biāo)等接口。

最后,綜合考量艦船通信系統(tǒng)使用需求以及當(dāng)前國(guó)內(nèi)軟件無線電技術(shù)繼承和發(fā)展情況,艦船軟件無線電硬件體系結(jié)構(gòu)采用先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)化總線結(jié)構(gòu)較為合適,不但可提供較高的通信處理能力,而且具備高可靠性、高密度的優(yōu)點(diǎn),很多部件也容易實(shí)現(xiàn)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化,與軟件無線電的基本思想一致。CPCI并行總線通用的操作系統(tǒng)和支持熱插拔技術(shù)使其具有最廣泛的軟件適應(yīng)性和最大的應(yīng)用空間開發(fā)能力。MicroTCA串行總線是電信領(lǐng)域的基站、交換機(jī)等采用的總線標(biāo)準(zhǔn),可擴(kuò)展背板帶寬可達(dá)1～40Gb/s,支持多型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),也支持熱插拔。國(guó)內(nèi)軟件無線電電臺(tái)的研究也主要采用這兩種總線,隨著未來總線技術(shù)的共性需求越來越多也越來越高,最終不可避免會(huì)走向統(tǒng)一。

5 結(jié)語

針對(duì)當(dāng)前艦船通信系統(tǒng)集成化和信息化水平較低的缺點(diǎn),本文提出了基于軟件無線電的艦船通信系統(tǒng)集成化方案及集成優(yōu)化逐步實(shí)現(xiàn)過程,并構(gòu)建了硬件平臺(tái)體系結(jié)構(gòu),其可覆蓋1MHz～4GHz頻率,可前向兼容現(xiàn)有通信體制,滿足各種通信、定位導(dǎo)航業(yè)務(wù)需求,同時(shí)還具有極強(qiáng)的后向擴(kuò)展能力,極大提高艦船通信系統(tǒng)的綜合集成優(yōu)化水平。

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Integrated Design for Ship Communication System Based on Software Defined Radio

FAN Huili WU Youli

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064)

Aiming at the questions of various radios with simplex function, poor flexibility, non-uniform GUI and interface standard, an integrated optimization scheme and its realization process and hard platform architecture based on software defined radio for ship communication system is proposed, which covers with 1MHz～4GHz, can forward compatible to satisfy communication services of shortwave, ultra-short wave, UHF/S satellite communication and GPS/compass satellite navigation fixer system. In addition, the system is backward compatible with strong extension and cooperative engagement capability and can improve the level of integrated optimization and communication ability greatly.

software defined radio, ship communication system, integrated optimization, architecture

2014年11月13日,

2014年12月31日

范慧麗,女,博士研究生,工程師,研究方向:艦船通信系統(tǒng)。吳有力,男,工程師,研究方向:船舶設(shè)計(jì)。

TN915

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.019