软件无线电技术在直升机通信导航系统中的应用研究

余荣昌

摘 要：本文针对当前直升机通信导航系统操作复杂、设备众多、兼容性差、升级成本高等问题，设计了一种基于软件无线电技术的直升机通信导航系统，并针对该系统的基本思想、系统特点和功能模块进行了详细的阐述，最后分析了该系统的核心技术。

关键词：直升机；通信导航系统；软件无线电；应用

1 系统的基本思想及体系结构

1.1 系统的特点

整个系统具有高度的灵活性和开放性，并具有以下4大基本特征：1）充分数字化的，即从信源基带信号的处理到射频信号的发送和接收都尽可能地实现数字化；2）可编程的，即与PC的系统结构相似，基于相对通用的硬件平台，通过更换程序和模块插件来适应多频道和多种工作方式，包括可编程的射频频带、信道接入模式和信道调制等；3）多频是可以转换的，即具有良好的多频带天线和宽带的A/D/A转换能力；4）系统总线是标准、高性能和开放式的结构，即能支持多个CPU并行工作，支持流水线和不同种类的处理机，通用性好，支持模块化设计。

1.2 系统体系结构

基于软件无线电的直升机通信导航系统主要由多频段宽带天线单元、射频单元、模块数字无线电、I/O单元等组成。射频单元在发射时主要完成上变频、滤波、功率放大等任务，接收时实现滤波、放大、下变频等功能。在模块数字无线电单元，模拟信号经过宽带A/D数字化后的处理任务全由DSP/FPGA软件承担，为了减轻通用DSP/FP-GA的处理压力，通常将A/D数字化的信号经过专用的数字下变频器处理，降低数据流速率，并把信号变至中频或基带后，再把数据送给通用高速的DSP/FPGA进行处理。通用高速的DSP/FPGA主要完成各种数据率相对较低信号的处理。由于模块数字无线电单元使用了可编程能力强的DSP/FPGA芯片，使其硬件结构与功能相对独立，这样就建立了基于一个相对通用的硬件平台，通过软件实现不同的通信功能，并可对工作频率、系统频宽、调制/解调方式、信源加/解密码、各种抗干扰、抗衰落、自适应均衡算法的实现进行编程控制，系统灵活性大大增强。I/O接口主要完成各种数据（如话音、数据、图像、传真）的输入和输出。

2 系统的关键技术

2.1 宽带多频段天线

基于软件无线电的直升机通信导航系统能够从短波通信到微波的相当宽的频段内进行工作，按目前应用来说，系统的天线应该覆盖全频段。这种天线应该是一种新型的全向宽带天线，可以根据实际需要利用软件智能地构造其工作频段和辐射特性，覆盖所用常用的无线通信频段，并且在整个频段和方向上都具有近似相同的接收特性和很低的功率损耗。这是软件无线电天线研制的最终目标，以目前国内外宽带天线的技术水平和制造工艺，设计、制作全频段全向天线是很不现实的。

2.2 宽带A/D、D/A转换器

数字化是系统灵活性的基础。它不仅是决定无线收发信机结构的最主要的因素之一，而且它的性能在很大程度上制约着收发信机的性能。基于软件无线电的直升机通信导航系统是直接在射频上进行A/D、D/A变换，这要求A/D、D/A变换器必须具有足够高的采样速度。根据Nyquist采样定理，要不失真的反映信号特征，采样频率fs至少是模拟信号带宽Wa的两倍。为保证性能，在实际应用中经常进行过采样处理，要求fs>215Wa对于A/D、D/A转换器件不但要求具有较高的采样速率，还要保证较高的采样精度，即采样值的位数要求足够多，尽量减少量化噪声，决定A/D、D/A转换器件技术特性的一些参数包括：量化信噪比、无杂散动态范围、噪声功率比和全功率模拟输入带宽等。A/D、D/A器件在直升机通信系统中所处位置非常关键，它直接反映了系统的软件化程度，随着技术的发展，A/D、D/A器件的性能逐步提高，其位置越接近射频前端，最终真正实现基于软件无线电的直升机通信系统。

2.3 高速数字信号处理

数字信号处理器是基于软件无线电的直升机通信导航系统的灵魂，理想的系统要求DSP/FPGA直接处理射频端数字化的信号并完成通信所要求的各种功能，这对DSP/FPGA要求很高，短时间内不能实现。要处理经A/D变换后输出的中频高速数字信号，DSP芯片必须通过软件程序完成中频数字变频、滤波、二次抽样、基带处理、信道调制、无线资源管理等过程，这就要求DSP芯片的处理速度至少要在1GFLOPS以上。从性价比和功耗上出发，目前有几种较好的解决办法：一是采用多DSP芯片并行处理以提高处理速度；二是采用专用可编程芯片，完成中频下变频，然后再进行数字信号处理；FPGA也是一种解决方案，其优点在于可以充分利用电路的并行性，处理速度快、功耗低。

3 结束语

软件无线电能够很好地满足直升机通信导航系统的多通道、多业务、多用户和综合控制的技术。但射频前端对系统的采样速度和精度指标有极高的要求，而现有处理器和数模转换器难以满足，因此还不能射频完全实现软件化，目前只能在中频实现数字化。相信随着技术的发展，数模器件的性能逐步提高，其位置越来越接近射频高端，最终真正实现基于软件无线电的直升机通信导航系统。

[参考文献]

[1]池琛，张彧，杨知行.软件无线电中的多频段信号带通采样[J].清华大学学报（自然科学版）网络.预览.2009（08）.

[2]王宏斌，朱浩，邢铭生.软件无线电在3G中的应用前景[J].科协论坛（下半月），2010（01）.