基于軟件無線電的機載射頻信號綜合處理技術

劉文學, 韓 斌，馮 偉，李亞杰

（中航工業西安航空計算技術研究所,陜西西安,710065）

基于軟件無線電的機載射頻信號綜合處理技術

劉文學, 韓 斌，馮 偉，李亞杰

（中航工業西安航空計算技術研究所,陜西西安,710065）

當前飛機中通信、導航和監視這些關鍵功能，例如VHF通信、VOR、ADF、DME、ILS、MKR、應答機和ADS-B等，通常由獨立的機載設備實現，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上的應用。解決這個問題的有效方法就是將這些功能綜合到統一平臺上，本文提出了一種基于軟件無線電的射頻信號綜合處理技術，并建立仿真驗證平臺進行了驗證，證明了該方法的技術可行性。

空地通信；軟件無線電； 射頻綜合

0 引言

空地通信是實現飛機和地面系統之間的信息交換基礎，在飛機飛行的各個階段，通過地面臺和機載設備之間不同的通信方式，可以提供所需的各種服務，VHF通信提供空管人員和飛行員之間通話或控制命令，VOR、ADF和DME提供飛行過程中的導航信息，ILS和MKR提供飛機降落過程中的導航信息，應答機和ADS-B提供飛行過程中的監視信息、空中交通信息、空中氣象情報信息和機場場面信息。通過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。

在傳統機載系統中，這些功能均通過獨立的設備實現，例如VHF電臺、VOR導航設備、機載應答機等，這種獨立設備的構成方式相對簡單、成熟、可靠，但是體積、重量和功耗較大，并且成本也較高，因此在日益對環保重視的新機型設計中，以及對成本要求苛刻的通用飛機中，將這些空地通信功能進行統一綜合的趨勢日益增加。國外主流航電供應商Rockwell Collins、Honeywell和Tales公司都實現了不同程度的射頻綜合，并且得到了實際應用。而國內還沒有開展相關的技術研究，本文通過對這些射頻信號的不同分析，提出了一種基于軟件無線電的民用機載射頻信號綜合處理技術。

圖1 機載無線電通信綜合示意圖

1 機載射頻信號綜合技術分析

機載航空電子發展的趨勢是綜合化、模塊化技術，采用通用的處理平臺實現不同的應用功能，極大的減少了系統的重量、體積和成本，同時增加了系統的可靠性和靈活性。同樣，如果針對每種通信方式，采用傳統的分布式架構，需要設計一個單獨的LRU設備來實現其功能，那么系統成本將會非常高，系統的體積、功耗、重量隨之增加，并且系統的靈活性也差，從而影響飛機的性能以及系統的應用。因此在未來的機載空地通信應用中，采用IMA的設計思想，通過構建標準化的硬件模塊平臺，通過加載不同的通信軟件應用功能來靈活的構造所需的通信方式，目前實現這些功能的一種方式就是采用軟件無線電技術。

由于在飛行中不可能同時采用所有的空地通信技術，因此借助于軟件無線電的思想，如圖1所示，采用統一的通用硬件處理平臺，根據飛機或者飛行過程的需求，通過軟件重構，動態建立所需的無線電通信鏈路應用功能，使一個通用的設備代替原來需要多個獨立設備實現的功能，從而減少系統所需設備數量，降低系統成本、體積、功耗和重量。

圖1給出了機載無線電通信綜合的三個階段：第一階段的各個接收通道是相互獨立的；第二個階段綜合了后端的數字化處理部分，但各個系統的天線部分仍然是獨立的；第三個階段即是綜合的終極目標：射頻前端采用全波段天線進行發射和接收,

后端采用高性能AD/DA 模塊，將各個系統的功能盡可能用軟件實現。

1.1 軟件無線電

1992年，MILTRE公司的Joseph Mitola在美國電信系統會議上（IEEE National Telesystem Conference）首次提出“軟件無線電”的概念，它通過構建一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，將各種功能如：工作頻段、調制解調類型、數據格式、加密模式、通信協議等通過軟件來實現，并使寬帶A/D和D/A轉換器盡可能靠近天線，以研制出具有高度靈活性、開放性的新一代無線系統。軟件無線電大體上可以分為兩大部分，包括軟件無線電的前端部分和軟件無線電后端部分，如圖2所示。

圖2 軟件無線電經典結構

軟件無線電前端部分由三部分組成。分別是射頻信號變換，位于模數/數模轉換之前的模擬射頻前端（又稱模擬前端），A/D和D/A轉換器，位于數模/模數與數字基帶處理之間的數字前端，數字基帶處理部分為軟件無線電后端。

圖2中的數字前端又分為數字接收前端和數字發射前端。產生數字前端這種結構的主要原因是從天線發射出去的和從天線接收下來的射頻信號頻率很高，高達幾十個GHz、頻帶很寬，而當天線與收發機之間距離比較遠時，射頻信號的遠距離傳輸容易受各種干擾，如果將收發機中與天線相連的高頻電路移到天線段，而收發機只負責中頻信號，這樣天線和收發機的傳輸問題就得到解決。另外，將數字前端獨立出來，更加有利于軟件的重用。數字前端的主要功能是降低或升高信號的頻率，并對傳輸信號進行濾波，以便數字后端方對基帶信號進行處理。

軟件無線電的主要優點是：具有多頻段、多功能通信能力和很強的靈活性，可以通過增加軟件模塊，很容易地增加新的功能；它在射頻端將射頻信號下變頻到中頻（包括零中頻），降低了對硬件元件的要求，增強了工程實現性；它可以與其它任何體制電臺實現空中接口、進行不同制式間的通信，并可以作為其它電臺的射頻中繼；還可通過無線加載來改變軟件模塊或更新軟件；亦可以根據所需功能的強弱，取舍選擇軟件模塊，降低系統成本，節約費用開支。

1.2 軟件無線電航空中的應用

從目前查閱的文獻上，國內軟件無線電系統還沒有實際用于民用機載航電系統中，只有一些大學和研究所在進行方案研究和部分試驗系統設計，如西北工業大學宋東教授和中航工業計算所合作對基于軟件無線電的小型飛機綜合CNS系統進行了長期的研究，并進行了仿真驗證試驗；西北工業大學電子信息學院李勇教授設計了基于軟件無線電的羅盤激勵器系統；電子科技大學文光俊教授對基于軟件無線電的數字化無線電羅盤進行了研究；西南電子技術研究所以軟件無線電理論為指導，進行了基于FPGA的羅蘭C信號源設計等。

1.3 基于軟件無線電的機載射頻信號綜合

為了對機載射頻信號進行綜合，首先要分析機載無線電設備所使用的頻段。圖3給出了當前民用飛機機載無線電設備的發送和接收使用的頻段。

由圖3可見，當前機載無線電設備的頻段范圍大致為200k~1.2GHz,而且不同的系統的頻段占用也是有重疊的部分。在這個頻段范圍內，對射頻前端進行綜合是可行的，現如今已有覆蓋70M~6GHz的高性能射頻處理芯片問世，這就為機載射頻綜合技術的實現奠定了基礎。因此結合實際機載應用情況，采用軟件無線電方法對機載射頻信號進行綜合的思想如下。

（1）受限于當前的天線理論和技術，“全波段”的天線目前還難以實現，要在整個波段用一副天線來實現，而且又要有較高的天線效率，其難度是非常大的，甚至是不可能的。同時，通用飛機的有很大的成本限制，而且民機適航對機載天線性能也有很高的要求，鑒于這些原因，在現階段，在通用飛機上還無法做到圖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為圖1的第二階段,對各個系統的天線進行合理地復用，但無法做到用單一天線來實現所有系統的發射和接收。

（2）對于無線電系統的射頻前端部分，采用軟件無線電技術，將數模轉換和模數轉換盡量靠近天線，將射頻模擬硬件功能盡量用軟件來實現。剩下不能夠用軟件來實現的模擬部分則采用模塊化、開放式、可重構的射頻傳感器系統體系架構，并結合資源管理調度和功能控制算法、軟件，實現無線電系統的功能。

圖3 民用飛機機載無線電射頻頻段示意圖

（3）對于綜合無線電系統的數字部分，采用片上系統(SoC,system on chip)實現。軟件無線電系統的目的是在軟件和可重復編程邏輯中部署盡可能多的調制/解調和數據處理算法，以便通信系統能夠僅通過更新軟件和可重復編程邏輯而輕松進行再配置，并且無需更改硬件平臺。 片上系統 (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），設計人員可以將數據調制/解調算法等處理密集型任務分流至片上可編程邏輯（PL， Programmable Logic）中實現，而數據編解碼、系統監控和診斷以及任務調度等在運行了嵌入式實時操作系統的處理器（PS，Processing System）中進行。

(4)對于機載無線電設備的射頻綜合，還需要結合各系統的實際使用情況，明確各系統在飛機起飛、巡航、降落等階段的工作狀態，不能因為不合理的復用和綜合導致在某一時刻設備無法同時使用或者出現干擾。

基于以上思想，給出一種民用機載射頻綜合設計方案，如圖4所示。

在硬件設計方面，射頻信號通過天線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到70MHz至6.0GHz。該芯片被稱為SDR應用領域的革命性解決方案，采用了零中頻的結構，將整個射頻處理以及AD/DA模塊集中到一個芯片中，結構包括射頻放大器、模擬濾波器、混頻器、可變FIR濾波器，12位ADC和DAC。通過標準FMC接口將射頻前端和數據處理后端進行連接。數據處理后端采用XC7000 系列SOC芯片，該芯片集成FPGA和ARM9處理器核，在FPGA實現PL的濾波和調制解調，ARM9的處理器集成嵌入式linux操作系統進行軟件數據解析，PL和PS之間采用高速的AXI接口進行通信。通過在SOC中進行軟件編碼實現了VHF、VOR、LOC、GS、MKR、DME、ADS-B多種射頻功能的綜合。

在軟件設計方面，主要采用基于模型的開發方法進行各種功能的開發，首先通過simulink完成各個子功能軟件模型開發和仿真驗證，然后使用Matlab中的HDL coder和Embedded Coder的基于模型的代碼生成功能，結合Xilinx 的vivado和SDK集成開發環境，能夠實現從仿真建模到代碼生成的自動化操作。在該方案中基于模型化開發的關鍵是模塊功能的劃分，要提前明確模塊中哪些子功能用PL實現、哪些子功能用PS實現。通常當需要以采樣速率實時運行的計算密集型組件（如數據調制/解調算法），這些子功能在PL中實現；計算量相對較少的處理任務（如數據編解碼和渲染，以及系統監視和診斷）通過PS實現。基于這個原則，在圖4的PL和PS框圖中進行了不同子功能的分配。目前基于該方案已經搭建了系統仿真驗證平臺，并且已在實驗室成功實現ADS-B in、VOR等系統的功能驗證。

2 總結

實現機載無線電設備射頻綜合的思想是：在通用的硬件平臺上，采用軟件無線電技術、對工作于不同頻段、不同方式無線電系統進行綜合。它主導著硬件盡量軟件化，在標準化的通用模塊上通過加載與硬件無關的軟件，理論上能夠實現不同通信技術的無縫切換，可在不同的飛行階段加載不同的功能單元軟件，從而實現硬件單元的分時復用，以很小的成本完成所需的功能。

除可應用于綜合現階段的機載無線電設備射頻信號綜合外，針對能夠應用于航空的空地寬帶通信技術，例如VDL2、 LDACS、AeroMACS、基于機載以太網的空地通信等，采用軟件無線電技術實現其機載端系統的功能也具有得天獨厚的優點，在未來的發展中，具有很大的潛力。

[1] 孫歡慶，民用飛機綜合航電系統技術發展研究[J]，航空科學技術，2010年,第3期，6-8.

[2]徐科華. 基于射頻綜合的綜合航電系統介紹[J]. 民用飛機設計與研究, 2008年,第4期，42-48.

[3]文延東, 文雙春, 劉昱,等. 基于軟件無線電的通信信號測試平臺設計與實現[J]. 計算機工程與科學, 2016年, 38(9):1769-1775.

劉文學,男，1973年出生，陜西蒲城人，碩士研究生畢業，高級工程師。長期從事航空電子系統及設備的研發，主要負責機載綜合顯示系統、通信、導航和監視系統的相關技術研究。

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 一種機載射頻信號綜合方案