基于软件无线电的舰船通信系统集成设计研究*

范慧丽 吴有力

(中国舰船研究设计中心 武汉 430064)



基于软件无线电的舰船通信系统集成设计研究*

范慧丽 吴有力

(中国舰船研究设计中心 武汉 430064)

针对目前舰船通信系统电台种类、数量繁多、功能单一,灵活性差,操作界面、接口标准不统一等问题,提出了基于软件无线电的舰船通信系统集成化方案及逐步实现过程,并给出了舰用软件无线电硬件平台体系结构。该集成化系统可覆盖1MHz～4GHz频率,不仅可前向兼容现有短波、超短波、UHF/S卫星通信以及GPS/北斗卫星导航定位等业务需求,还具有极强的后向扩展能力和协同作战能力,可极大提高当前舰船通信系统的集成优化水平和通信能力。

软件无线电; 舰船通信系统; 集成优化; 体系结构

Class Number TN915

1 引言

软件无线电(Software Defined Radio,SDR)是一种多频段、多模式、多功能的新的无线电系统体系结构,它以开放性、标准化、模块化的通用硬件平台为依托,通过实时动态加载可重构、可升级的模块化、标准化软件来实现各种无线通信功能,能够通过软件更新和组装配置改变硬件配置结构,通过编程来支持新的通信标准,具有高度的信息化和集成化水平[1～2]。美国在军用软件无线电电台方面发展最快,1998年进入软件无线电的第三阶段,研制战术无线电系统(JTRS),希望用它替代当时使用的25种不同类型、32种波形的战术无线电通信系统,实现三军互连互通并与其它系统兼容,目前,JTRS的装备已进入全面部署阶段。英国也已经分别研制了舰载、星载和机载的软件无线电电台,45型“勇敢”级驱逐舰装备了以软件无线电系统为核心“完全集成通信系统”[3～4]。国内前期主要方向是将独立设备以板卡方式进行集成,目前,多个单位在积极开展软件无线电的开发工作,以期用软件实现来替代板卡集成,但鲜有软件无线电电台舰船装备部署报道。

本文主要探讨软件无线电技术在舰船通信系统上的应用,分析了舰船通信系统对集成化、信息化以及能力扩展的需求,提出了基于软件无线电的舰船通信系统集成化方案以及通用平台体系结构,用以从设备小型化、规范化、标准化方面改善现有通信系统结构,大幅提高通信系统集成优化水平。

2 舰船用软件无线电需求分析

随着信息化时代的到来,海上战争样式发生革命性变化。未来高技术条件下的海上局部战争,是以信息化为基本特征的战争。

1) 小型化、集成化设计需求

当前,我国现有舰船通信系统各个频段以及各个功能的电台数量繁多、功能单一,灵活性差,操作界面、接口标准不统一,系统连接复杂,不仅给船员操作使用、设备维护和管理带来了困难,而且占用了大量舰船上宝贵的有限空间。

2) 信息化设计需求

设备众多且接口标准不统一,会造成应用集中控制后,为适应各种设备不同的接口和协议,控制设计复杂,实现困难,资源浪费,降低了系统的稳定性、可扩展性。

3) 可靠性保障需求

由于设备功能单一,为保障设备可靠性,就需要对设备进行双备份,这就直接增大了终端设备数量和重量以及系统连接复杂度。软件无线电采用开放性的通用硬件平台,设备之间完全互为备份,还可以通过简单的重要板卡备份、通道热备份等多种手段来保障通信的可靠性。

4) 未来信息化条件下对协同作战能力的需求

未来的战场是以数字化部队为主导的数字化、网络化战场,战场中的任何一个节点都需要满足协同通信和作战需求,配合其它作战平台进行信息交换,实现各军用电台的互连互通。

5) 能力扩展的需求

随着未来信息化条件下海战对宽带业务的需求日益增长,未来势必有更多新型、高效的抗干扰通信波形扩展和更高频率扩展需求,所以通信设备应具有较强的后向可扩展性,满足未来系统升级和扩充需求。

6) 技术进步推进设备向软件无线电方向发展

高速数字信号处理、可编程器件技术以及新型软件工程方法等技术的高速发展,要求通信系统具有强大的环境适应能力和后向演进能力以提高其生存周期,从而促进了通信系统向软件无线电方向发展。

3 基于软件无线电的舰船通信系统集成化设计

舰船通信系统的集成化主要在现有装备储备水平和软件无线电技术发展情况基础上分阶段逐步推进。

1) 设备向板卡集成

采用开放式体系结构,将原来单一频段基于硬件、面向用途、功能单一的若干终端设备以板卡方式集成在一个综合化的设备内,实现单频段、多功能集成。

2) 板卡向软件集成

通过加载可重构、可升级的模块化、标准化软件来实现各种无线通信功能,用以替代一个个功能板卡,实现多频段、多功能集成。

3.1 基于软件无线电思想的集成化数字终端

该集成化方案主要是将中频和基带部分进行综合集成,射频处理由独立的模拟化射频前端设备完成。该方式主要是在已有的以板卡方式单频段设备集成的基础上发展而来的一种多频段、多模式的数字终端设备,技术成熟度较高,相比现有舰船通信系统设备,集成化程度也较好,易于实现。但由于射频前端处理并未集成在该平台上,所以并算不上真正意义上的软件无线电通用平台。根据射频前端的不同集成化程度,模拟化射频前端的实现可以采用如下两种方式: 1) 独立射频前端; 2) 通用射频前端。

3.1.1 独立射频前端

不同的天线信号送至不同的射频前端进行处理后,再传给统一的多频段集成化数字终端进行中频及基带处理,如图1所示。该方式对射频前端设备的集成化水平较低,属于点到点的烟囱式通信连接方式,天线共用性不高,但技术成熟度较高,易于实现。

图1 基于独立射频前端的系统集成化示意图

3.1.2 通用射频前端

多频段信号共用统一的综合射频前端设备,如图2所示。不同的天线信号连接至同一个射频前端,然后下变频到同一个中频,再送入统一的多频段集成化数字终端完成中频及基带处理。该方式是集成化的进一步突破,信息控制和传输更简洁,并且天线与终端设备之间不再是点对点连接方式,通信路由的选择更加灵活,天线和设备的共用性更高,但与软件无线电相比,其多频段集成化数字终端只实现了中频和基带信号处理,与理想软件无线电还有一定距离。

图2 基于通用射频前端的系统集成化示意图

3.2 完全集成化的软件无线电电台

与集成化数字终端设备不同,软件无线电通用平台具有完全的集成化特点,不需要独立的射频前端设备,可与多频段天线或不同频段的多种天线单元进行连接,处理天线单元传送的模拟射频信号,并进行中频及基带的数字信号处理,如图3所示。

图3 基于软件无线电电台的系统集成化示意图

基于软件无线电的舰船通信系统集成化重点体现在在软件无线电电台上,可覆盖短波、超短波、卫星通信等多个频段,兼容现有多种波形体制,并支持新体制波形的扩展能力。集成化的另一方面是综合射频分配和控制单元,它是软件无线电设备与天线系统间的接口部件,提供舰船外部通信能力,主要负责提供射频转换和天线控制功能,完成不同天线的模式选择、状态报告和内建测试功能,为系统综合控制或系统监视器提供远程操控。它可取代目前点到点的射频信号和控制线路,为系统简单的扩展或修改提供模块化的硬件和软件结构。另外,综合控制和管理单元也对系统集成化贡献很大,它能够进行全面、自动、智能化的控制管理;能够提供综合多媒体综合业务控制终端,满足功能多样、操作简单的用户需求,全面提高系统可视、可管、可控的综合管控能力。

4 软件无线电舰船通信系统体系结构

舰船用软件无线电系统的软件体系结构顺应技术的发展趋势,符合JTRS的软件通信体系结构SCA规范,采用基于CORBA中间件的开放软件结构,方便不断更新和升级,最大限度地满足未来无线通信系统多频段、多模式的应用需求[5]。

硬件平台结构的核心思想:一是使A/D和D/A转换器尽可能靠近天线,二是用高速DSP、FPGA器件替代传统的专用数字电路和低速DSP等做A/D后的一系列数字信号处理[6～7]。图4给出了软件无线电硬件平台组成结构,其中RF发射模块和RF接收模块采用可编程的FPGA结构,主要用于实现1MHz～4GHz射频信号与统一中频之间的转换。受限于器件工艺水平及技术储备能力等原因,对于全带宽内信号的直接低通或带通采样软件无线电结构,工程上实现难度较大。所以采用较为可行的折中方案——宽带中频带通采样,射频前端功能采用模拟部件完成,中频及基带为数字化实现。折中方案中保留软件无线电的基本特点和优势,用于在后续的演进过程中,逐渐淘汰升级保守设计的软硬件模块,最终实现标准化的系统结构[8～9]。

1MHz～4GHz全带宽射频处理对硬件要求很高,但考虑到舰船上通信系统并不要求覆盖整个带宽,而仅需要占用不同频率的几个窗口,如HF频段(2M～30MHz)、VHF频段(30MHz～88MHz、108MHz～174MHz)、UHF频段(225MHz～400MHz)。另外,卫星通信,包括UHF卫通,INMARSAT-C海事卫星以及S卫通等也都只占用三百多兆、1.5G以及2G频率附近范围内的几十兆的频段宽度。所以射频收发处理可以按照频率段来分段完成,可降低单个通道的射频指标需求。并且多通道分段处理中,可利用多片A/D并行时间交替采样,且每个通道可采用非均匀采样,可实现对频率跨度较大信号的捕获。该方式比较适合分段独立天线,射频分段后单独送至天线端口,可避免造成电路冗余,设备连接结构也更简单。但即便是采用集成化的宽带天线,也是可以采用多频段分段处理技术,用几个倍程的组合式宽带天线代替全频段天线,更好实现和满足使用需求。并且,就目前的技术而言,几个倍频程的宽带功放也更易实现[10]。

图4 软件无线电硬件平台组成结构

另外,北斗定位频段1561MHz/1268MHz,GPS定位频段1575MHz也在软件无线电频段覆盖范围内,其功能实现也可以使用软件无线电来实现。

数字信号处理模块负责70MHz中频以及基带信号处理,数字化接口由母板搭载的FMC(FPGA Mezzanine Card)采样子卡提供,可实现250MHz A/D通道采样率和1GHz D/A通道速率,并由模块中的可编程单元DSP和FPGA来满足采样子卡的高速数据缓存与实时信号处理。根据具体使用需求,可配置多块数字信号处理模块。

主控制模板的核心是可编程的PowerPC单元,是平台的核心控制单元。密码模块用于信息加密和解密。接口模块则提供外部时统、时标以及频标等接口。

最后,综合考量舰船通信系统使用需求以及当前国内软件无线电技术继承和发展情况,舰船软件无线电硬件体系结构采用先进的标准化总线结构较为合适,不但可提供较高的通信处理能力,而且具备高可靠性、高密度的优点,很多部件也容易实现模块化、标准化和通用化,与软件无线电的基本思想一致。CPCI并行总线通用的操作系统和支持热插拔技术使其具有最广泛的软件适应性和最大的应用空间开发能力。MicroTCA串行总线是电信领域的基站、交换机等采用的总线标准,可扩展背板带宽可达1～40Gb/s,支持多型拓扑结构,也支持热插拔。国内软件无线电电台的研究也主要采用这两种总线,随着未来总线技术的共性需求越来越多也越来越高,最终不可避免会走向统一。

5 结语

针对当前舰船通信系统集成化和信息化水平较低的缺点,本文提出了基于软件无线电的舰船通信系统集成化方案及集成优化逐步实现过程,并构建了硬件平台体系结构,其可覆盖1MHz～4GHz频率,可前向兼容现有通信体制,满足各种通信、定位导航业务需求,同时还具有极强的后向扩展能力,极大提高舰船通信系统的综合集成优化水平。

[1] 陈祝明.软件无线电技术基础[M].北京:高等教育出版社,2007.

[2] ULVERSOY T. Software Defined Radio: Challenges and Opportunities[J]. Communications Surveys & Tutorials, IEEE,2010,12(4):531-550.

[3] 春晨,清宇.军用软件无线电通信技术发展概述[J].火力与指挥控制,2008(12):8-12.

[4] 朱江闽.基于软件无线电技术的海军机载通信平台信号自动识别方法的研究[D].长春:东北大学,2007.

[5] 赵秋明,胡晓鹏.基于SCA架构的软件无线电数字系统主板设计[J].电视技术,2011,35(24):29-31.

[6] Belanger, L. Advanced SDR platform eases multiprotocol radio development[J]. RF Design Magazine,2007(1):36-42.

[7] 林少良,范宏宇.无线通信设备终端可重构技术探讨[J].移动通信,2011,10(6):57-59.

[8] Ferreira P M, Petit H, Naviner J F. A new synthesis methodology for reliable RF front-end Design[J]. 2011 IEEE International Symposium on Circuits and Systems,2011:2926-2929.

[9] HUEBER G, YANING Zou, DUFRENE K, et al. Smart Front-End Signal Processing for Advanced Wireless Receivers[J]. Selected Topics in Signal Processing, IEEE,2009,3(3):472-487.

[10] 钟玲玲.新型加载宽带线天线研究[J].系统工程与电子技术,2008,30(10):1865-1868.

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

范慧丽,女,博士研究生,工程师,研究方向:舰船通信系统。吴有力,男,工程师,研究方向:船舶设计。

TN915

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.019