关于软件无线电技术在无人机数据链系统中的应用和发展分析

软件无线电技术具有使用灵活、保密性强、适应广泛、升级简便的特 点，因而在军用和民用无线通信中有着广阔的应用前景；研究软件无线电技术在分析无人机数据链系统信号、信道方面的应用十分必要；通过对软件无线电平台、 关键技术和算法的介绍分析，结合基于R&S公司的SMU200构建的无人机数据链仿真系统，对无人机数据传输链路中不同样式信号的采集、解调以及信道模型对传输的影响进行仿真分析，得出保证数据链路有效传输的条件，同时验证了数字仿真系统的可靠性 。

Application of Software Defines Radio Technology in UAV Data Link System

Fang Guo, Jin Tian, Shuxia Guo

(UAV Specialty Technique Key Labor at ory of National Defense Technology,

Northwestern Poly technical Uni versity, Xi'an 710065)

Abstract：The software defines radio technology has the advantage of flexibility, confidenti ality, and easily upgrade, and it was used widely at military and civilian wireless comm unications. It was necessary to study the software defines radio technology in the analysis of UAV data link system of signals and the research on channel. Theplat form, the key technolog and the algorithms of softw are define sradio were investigated. Based on the combination of R&S Construct- ion Company SMU200 simulation of UAV data link systems, the data trans missi on link to the UAV different style signal acquisition, demodula tion and channel model the impact of transmission was simulated. Atlast, the effective transmi ssion of data link conditions was discussed and the reliability of digital simulation system was verified-Key.

Key words: Software defines radio; datalink; channel model; SMU200A

1.  引言

无线通信的重要作用及广泛应用使得各种通信系统无法互通和兼容的缺点日益突出。为解决互通性问题，MILTRK公司的Jeo Mitola于1992年5月首次明确提出了软件无线电 (softwared efines radio) 的概念，用以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统 。

软件无线电的各种功能是用软件实现的[1]，由于这一概念所包含的灵活性、开放性等特点，使其不仅在军、民无线通信中获得了应用、而且被推广到诸如电子战、雷达、信息化家电等其他领域。目前软件无线电更多的是以一种概念和猜想的形式出现，具体定义和体系结构尚无定论，而软件无线电作为未来通信乃至未来无线电技术的发展方向，其研究应用有着极具实际的意义和广阔的前景。

2.  软件无线电技术平台关键技术

2.1 软件无线电的结构

软件无线电的宗旨就是尽可能简化射频模拟前端，使A/D转换尽可能靠近天线，以完成模拟信号的数字化，而数字化的信号则尽可能多地用软件进行处理，以实现各种功能和指标，其标准结构如图1所示。

图1 软件无线电的标准结构

软件无线电具有整体的可编程性，因此它能够在单一的结构中实现多模和自适应工作；而开放式的系统结构则使得软件无线电可以灵活配置系统，通过软件的 适当调整或具有开放互连结构 (总线接口) 的功能模块的更改实现系统功能的改变，不需要重新设计系统，特别是硬件系统。在A/D变换后的所有处理都使用可编程芯片DSP由软件编程实现。因此，这种体系结构具有很强的通用性，是实现多频段、多工作模式和多用户通信的最佳途径[2] 。

实践中，依A/D位置不同和采样方式不同主要常采用三种基本结构：射频低通采样数字化结构、射频带通采样数字化结构和宽带中频带通采样数字化结构，如图2所示。

图2 软件无线电的常用基本结构

射频低通采样数字化结构最接近理想结构，如 (a) 图所示；但此结构对ADC性能及DSP要求过高，受限于器件水平， 在相当长时期内非常难以实现。(b)图为射频带通采样结构，尽管较前种结构在A/D前先经过窄带滤波放大再带通采 样，对ADC和DSP的要求大幅降低，但仍然存在要求较高的 ADC性能，实现起来还是有相当难度的；同时需要分频段来 实现较宽的工作带宽；此外多个采样频率也增加了系统的复杂程度。图 (c) 宽带中频带通采样结构与常规的超外差式接收机类似，但较常规接收机的窄带，软件无线电接收机使用宽带中频。这样对比前两种结构，不仅不需要第一种结构所要求的超高速采样，也不要求第二种结构所需的高精度、 高工作带宽所要求的采样保持放大器，使A/D大大简化，这是射频前端复杂性所带来的好处。 在A/D器件无法满足要求 的情况下，增加一点复杂性也是值得的。这种结构将是近期软件无线电一种可行的设计方案。

2.2 软件无线电关键技术及其发展

目前软件无线电主要关注以下技术[3] :

(1)智能天线技术：智能天线技术具有自适应、频段选取、干扰对消和移动跟踪等能力。其实质是数字多波束形成天线、可以有效提高信噪比，提升通信质量，缓解无线通信发展与频谱资源不足的矛盾，降低系统造价，改善系统管理，因此必将成为未来无线通信的关键技术。

(2) RF前端技术：现有软件无线电系统中需要使用一组RF 模块覆盖整个频段，在支持多标准时还可能要求更换射频模块。而高度小型化的多频段多模式 (MB/MM) RF芯片的投产、以及超导RF技术均有助于实现RF前端所需的性能。低损耗、体积小、高集成度的RF模块可以显著降低体积、重量、功耗及成本，并提高处理速度和处理能力，使数字信号处理器能够完成调制解调功能 。

(3)A/D-D/A转换技术：A/D-D/A在软件无线电中有着重要的作用，作为一个标准的接口，将天线RF部分和通用数字软件部分连接起来，要求较高的采样速度分辨率，以及较宽的输入带宽。靠近天线的A/D方案应用于接收部分，而对应的 D/A方案则应用于发射部分。

(4) 数字下变频(DDC)技术[4]：软件无线电功能完全由软件实现，需要很高的系统运算速度。因此在实际软件无线电中，通过数字下变频器技术，从输入宽带数字信号中提取所需的频带信号，并将其下变频到基带以满足现行DSP的处理 能力。

(5) DSP技术：数字信号处理器 (DSP) 是软件无线电的核心所在，灵活性、开放性、兼容性等特点主要通过数字信号处理器为中心的通用硬件平台及DSP软件来实现的，还要完成滤波、调制解调、信道编解码、协议控制等中频以后的所有功能，只有高速DSP以及多处理结构才可能完成如此巨大的信号处理运算。目前采用的技术方案主要是数字信号处理技术 (DSP)、专用集成电路 (ASIC)、现场可编程门阵列 (FPGA) 以及这几种技术的结合。

(6) 互连技术：互连结构使得系统中各单元实现互连，组成一个开放、可扩展、标准、具有较高数据吞吐量的硬件 平台。目前主要的互连结构有总线结构、交换网结构和树型结构。近期软件无线电系统不会锁定在单一的互连结构方案上 。

2.3 软件无线电中的信号处理算法[5]

(1) 信号处理算法的重要性：软件无线电的所有功能都是用软件来实现，在所有软件中，数字信 号处理软件占据着重要的位置，例如编码、解码、译码、同步提取、频谱分析、信号识别等等都可以采用信号处理算法来实现 。

(2) 软件无线电中的调制算法：软件无线电中的各种调制信号基于同一个通用数字信号处理平台，利用各种软件来产生，每种调制算法都做成软件模块，要产生某种调制信号只需调用相应的模块即可。而各种调制完全可以基于数字信号处理技术来实现；从理论上来说，正交调制可以实现各种通信信号。

(3) 软件无线电中的解调算法：调制实质上是用调制信号控制载波的某个或几个参数，使载波参数按调制信号的规律变化。而根据获得的同相分量XI (n) 和正交分量XQ (n) 就可以对各种调制样式进行解调，使得数字正交解调在软件无线电中易于实现 。

3.  软件无线电在无人机数据链仿真系统中的实验应用

3.1 实验装置

无人机数据链仿真系统采用R&S公司的矢量信号发生器 SMU200A产生一组调制信号，由射频输出至软件无线电平台的信道1输入，采用软件无线电平台进行信号采集，最后在计算机上对数据进行分析和处理。 图3给出了SMU200A的设置界面以及软件无线电平台控制界面 。

图3 实验系统设置与相关设备

实验中所使用的德国R&S公司的矢量信号发生器SMU200A (频率范围100 kHz～6 GHz；高输出功率电平+19 dBm；功率重复性0.05 dB；低相位噪声133 dBc)，能够提供AM/FM/ PM/pulse调制，其内部80 MHz (射频) I/Q任意波形发生器， 外部200 MHz (射频) I/Q模拟调制以及加性高斯噪声。利用 SMU200A可以设置载波频率、码元速率、调制方式、数据流的类型 (Pattern、Datalist、ARB等模式)、编码类型 (Off、 Gray、Differential、GSM等)、滤波器类型、信道参数 (包括信噪比、载噪比、多径衰落信道的传输损耗和延迟)，提供画图 (包括眼图、I/Q等) 和计算误码率等功能。

而软件无线电平台是一个高速的数据采集与存储系统，含有多块采集卡 (ADC板卡ICS-652，宽带数字解调子卡DC-50-W，高速DSP板卡TMS320C6201 EVM板SCSI磁盘阵列RAID，采样率1~64 MHz)，采用开放的标准PC体系结构和Windows2000操作系统以及运行于Lab View下的控制与显示软件，能够提供大于200 MB/s的持续存储速度，允许用户控制采集过程的各个方面，例如采集的通道数、采样率、 触发源、采集时间等。

为更便捷地进行处理，用VB6.0制作了一 个基于 软件无线电平台的信号解调系统的用户操作界面，该界面与Matlab直接连接，点击按钮可直接运行程序，实现调制方式的选择，并进行相应的处理和显示。

3.2 单路BPSK信号的实验

信源为Q=[11001010]，信号载频fc=24 MHz，采样频率 fs=32 MHz，码元速率fd=8 MHz；采用数字下变频技术对信号做相关处理后进行相干解调；对解调后的信号进行判决，得到解调信息为 [11001010]，与原信号Q相同，即为正确解调 。

进行单路BPSK信号采集、解调时，采用矢量信号发生器SMU200A产生一路调制信号，由射频输出至软件无线电平台的信道1输入，使用软件无线电平台进行信号采集。分别对表1中的5种情况进行实验。

表1 单路BPSK信号实验

对情况5所采集到的信号频谱及经过DDC处理得到的解调信号如图4所示。

而通过对图4 (b)进行抽样判决可知，解调信号信息为[11001010]，与信号源Q相同[6]。同样情形，所有5种情况都能够得到可靠解调，由此验证了单路BPSK信号采集、调制解调数字仿真的可靠性。

3.3 双路BPSK信号的采集、分离和解调

SMU200A无法产生双路信号，但R&S公司的Win IQ SIM软件提供了这一功能，不但可以产生多路信号，而且可以在被 SMU200A作为任意波形识别。因此利用该软件产生两路信号叠加，生 成一 个＊.wv形文件，由SMU200A以任意波形文件发出。

图4 情况5得到的相关信号图形

(1) 信号带宽为12.5 kHz时：实验参数设置与数字仿真参数相同。两路信号信息分别为Q=[001101] ，Q=[111010]。 两路信号载频分别为fc1=1.5 MHz，fc2=1.625 MHz；码元速率fd=12.5 kHz；采用Nyquist采样，采样频率fs=32 MHz，采样点N=65536。

经过一系列的滤波与抽取之后，本实例中总共需要4次抽 取[7]和4次滤波。解调出的第一、二路信号如图5中(a)和(b)所示、并可由图中信号判决，解调正确。

图5 带宽12.5 kHz时解调出的信号

(2) 信号带宽为2 MHz时：两路信号信息分别为Q1=[001101]，Q2=[111010]。两路信号载频分别为fc1=17 MHz，fc2=23 MHz；码元速率fd=2 MHz；使用带通采样定理，采样频率fs=32 MHz，采样点N=512。解调出的第 一、二路信号如下图6中(a)、(b)所示，并可由图中信号判决，解调正确。

图6 带宽2 MHz时解调出的信号

3.4 信道的影响

系统测试中需要检测接收端信号，以判断信号在信道中的传播情况，对进一步评估无人机通信提供依据。这里，提供了 两个信道模型，分别对试验结果进行分析。

图7 信道不同位置的频谱图和眼图

(1) 信道模型：信道1: f=1.2 GHz ，fd=1 Mbps；BPSK调制；包含2条路径，第一条是直达路径，即相对衰减和相对时延都是0；第二条相对衰减3.996 dB，相对时延0.626 μs。信道2: f=1.2 GHz，fd=1 Mbps；BPSK调制；包含2条路径，第一条是直达路径；第二条相对衰减6.025 dB，相对时延1.198 μs。

(2) 结果与分析：图7分别给出了上述两种信道模型下发射端和不同接收端频谱图、眼图的比较：对比信号经过信道前、后的频谱图和时域图可以看到，经过多径信道后，接收端频谱图出现了畸变，眼图变坏。

经过分析可以得出如下结论：如果传输信号的频谱宽于多径传输媒质的相关带宽，则该信号将产生明显的频率选择性衰落。为了不引起明显的选择性衰落，传输 信号的频带必须小于多径传输媒质的相关带宽。数字信号在多径媒质中传 输时，容易因存在选择性衰落现象而引起严重的码间干扰。为了减小码间干扰的影响，通常要限制数字信号的传输速率。

4. 总结

软件无线电是当代无线电的发展趋势，具有传统无线电所不具备的更大的使用灵活性、更强的保密功能、更好的适应性，以及方便的升级换代和强大的应用前景，是用于各种要求的军用和民用通信。

软件无线电的主要功能由软件完成，它需要有一个通用的平台来支持。这个平台一般由RF模块、数据采集与合成模块、 DSP处理模块、接口模块等组成。ICS提供的软件包在硬件平台基础上为高速、有效地开发各种软件无线电软件提供了良好的条件。

将软件无线电技术应用于无人机数据链系统关键技术的相关实验中，验证了整个无线通信链路数字仿真系统的可靠性 。