软件无线电在民航领域的应用分析

胡胤杰

摘   要：自20世纪80年代以来，传统无线电技术开始向软件无线电方向发展，并在近些年开始将其利用到民航领域的诸多方面。文章将以软件无线电为重点，从应用和展望等方面对其在民航领域的应用进行详细阐述，希望能够为从事相关工作的人员提供一些工作思路，仅供参考。

关键词：软件无线电;民航领域;噪声监测;航空干扰快速识别;雷达系统

随着我国科技水平和经济水平的不断发展，我国航空领域发展也得到了长足的进步，国家“十三五”规划明确指出，截至2020年年底，国内民用机场总数将达到240余个，在这高速发展的背后，软件无线电技术的应用功不可没，在噪声监测、干扰快速识别、雷达等方面都作出了突出贡献。

1    软件无线电及其关键技术

软件无线电是一个在开放的公共硬件平台上利用不同可编程的软件方法实现所需的无线电系统。

目前，软件无线电所涉及的关键技术大致包括：（1）开放式总线结构。由于软件无线电的开放性特点，使得此项技术中的开放式总线结构成了主要技术之一，这是由于开放式能够保证标准化总线的先进性，使软件无线电技术实现适应性广、升级换代便利等需求所决定。（2）宽带/多频段天线。软件本身是无法直接运行的，必须依靠硬件为依托，否则难以实现其全部功能，而软件无线电的主要硬件依靠就是宽带/多频段天线。在此部分中，主要实现了组合式多频段天线及智能化天线技术、模块化通用化收发双工技术等。（3）模数转换部分。速率与精度是模数转换的主要内容，在一般情况下，标准要求的速率是信号宽带的2.5倍以上，而精度在80 dB的动态范围下不能低于12位，多个模拟/数字（Analog to Digital，A/D）并联是采样时经常使用的方法。（4）数字下变频部分。此部分应该在A/D变换后进行，包括数字下变频、滤波和二次采样等，是系统中数字处理运算量最大的部分。（5）高速信号处理部分。这是软件无线电的核心，主要负责基带处理、调制调节以及比特流处理等工作。（6）信令处理部分。在此部分中，需要把现有的各种信令划分成不同标准、数个层次，研发出通用的信令框架[1]。

2    软件无线电在民航领域的应用

2.1  民用机场航空器噪声监测硬件平台

2.1.1  民用机场航空器噪声源

民用机场的航空器噪声源主要是指航空器在起降、滑行和试车的过程中所产生的噪音与辐射等，主要可以分为两类：机体噪声、推进噪声。就机体噪声来说，是由飞机在起降、滑行的过程中空气经过机体表面产生巨大的气流压力扰动而造成的，并且机体表面的涡流也同时产生变化，在远场便会出现多频信号噪声。就推进系统噪声来说，是发动机在工作时由螺旋桨、风扇、涡轮等机体结构运转所产生。对于这些噪声，目前已经可以应用软件无线电实时监测，进行分析与处理，为民用航空的健康发展作出贡献[2]。

2.1.2  民用机场航空器监测系统结构

民用机场航空器监测系统以噪声监控软件为核心，以噪声监测终端、中央控制室、系统工作站等几大部分为主要硬件。其中，中央控制室作为多个硬件设施的连接枢纽，能够保证整个系统的完整运行，是重中之重。它的本质是一个多通道的噪声信号分析平台，具有对噪声信号进行检测、分析和数据处理的功能。

2.1.3  噪声检测硬件平台架构

噪声检测硬件平台主要由几部分设计组成，分别是信号板设计、交换板设计、中央控制室处理机以及一些其他较为细小的设计。就信号板设计来说，其前端有一个射频前端部件，用来完成将射频信号处理成中频信号的工作，再对中频信号进行采样，并利用数字信号处理算法进行处理，通过接口传给交换转接板。就交换板设计来说，其上具有RapidIO交换芯片和PowerPC处理器。前者主要是将多个数据连接到同一块交换转接板上，使数据传输能够实现多对一的传输形式;后者则主要是为了实现对软件指令在各部分之间实现互相通信，并将分析处理后的噪声信号数据进行传输。

2.1.4  平台性能分析

由于国内机场的噪声监测点多为阵列式，数量为几十个，所以其监测终端多具有泛网格化的特点，系统对噪声的收集、分析、处理工作也多采用关联分析算法或阵列信号处理算法，而利用基于软件无线电的民用机场航空器噪声监测硬件平台则能够有效满足其算法对传输速率的要求。另外，由于软件无线电的宽带中频特性等特点，其对系统信号的处理分析能力相比于传统民航噪声检测系统也更为优良。

2.2  航空干扰快速识别系统

2.2.1  航空干扰源

目前，在民航飞机的搭载设备中，与无线电相关的两大设备系统主要是导航设备与通信设备。其中，导航设备所采用的接收天线主要以方向性为主导，接收对象的信号频率基本固定，为低频信号且带宽窄，所以其抗干扰能力较强。机载通信设备由于所接收的频段为全频段，并且其中的微带天线为保障通信系统的应用性而牺牲了部分天线性能，所以其整体设备的抗干扰能力较差，一旦有干扰信号落入通信频段，这些信号就会对航空通信产生強干扰。其中，主要包括电网系统、信号线电磁以及电磁干扰设备等因素的干扰。

2.2.2  航空干扰快速识别系统架构

系统整体架构主要是分为3部分：信号采集模块、信号分析模块、统计和显示模块。（1）就信号采集模块来说，主要分为硬件和软件两部分，由硬件部分组成前端接收机，收集信号并将射频信号转变为基带信号;而软件部分是通过对频段内的扫描工作计算出频点的平均功率，并将计算结构传递给信号分析模块。（2）就信号分析模块来说，在接收到来自信号采集模块软件部分传递过来的数据后，对频点能量经过一系列计算得出噪声本底功率，并将其称之为噪声门限，以噪声门限的数值为判定基础，将频点能量与其进行比较，若高出该门限数值，则认定存在信号。（3）就统计和显示模块来说，主要是将上述两个部分所得出的数据以及其收集和判断过程显示到窗口中。

2.2.3  系統性能分析

航空干扰快速识别系统在经过多次测试后发现，该系统能够有效识别出调频广播信号、AM信号和FM信号，使用此系统能够监控其干扰信号发射功率是否超出规范要求，一旦超出，便能够发出警告消息，以此种方法帮助民用航空少受或者不受外界信号的不必要干扰。以深圳某民用航空公司为例，该公司秉承着“安全第一、预防为主、综合治理”的安全工作方针，在民用客机上搭载了此种航空干扰快速识别系统，利用该系统对干扰源的信息采集分析处理能力，降低干扰源对民用航空飞机的影响，努力提升风险管理水平，有效保证了飞行安全，确保安全链的整体可靠性，为旅客提供最安心的飞行服务，使之相继获得了“深圳企业百强”“飞行安全一星奖”等荣誉称号。

2.3  雷达系统

2.3.1  雷达与软件无线电

雷达利用无线电波对周围环境进行探测，得出周围环境地形以及物体的形状和距离，具有探测和测距的功能，利用雷达系统能够有效帮助民航飞机探测航线上的不明飞行物体，及早进行航线清理或者规避，是民航飞机安全性的重要保证。在雷达技术中，信号处理是其核心技术，是雷达性能的重要保障，在传统的雷达系统中，其性能主要被硬件所限制而发展缓慢，但是利用软件无线电技术使雷达系统对于硬件设施的要求以及依赖程度大大降低，有效提高了系统对于信号的处理效率以及精度[3]。

2.3.2  软件无线电雷达系统架构

由于目前将软件无线电应用到雷达系统中还处于探索阶段，所以还没有出现固定的架构体系。不同设计者设计出的软件无线电雷达系统由于其设计目的、应用需求不同均会导致不同系统的架构产生巨大差异，并且受到数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）和A/D转换等期间制约，系统的实用性还不算太高，亟待相关技术人员加大对其研究力度，使之能够发挥出更大作用。就目前来讲，虽然各系统之间存在较大差异，但由于为了实现对模块结构的修改更为便利和更好地升级系统功能，还是有部分和模块设计是大体相同的，例如对射频前端的设计。该设计是一种通用化设计，频率范围较广，使噪声放大和混频得以实现。

2.3.3  软件无线电雷达系统优势

利用软件无线电能够使雷达系统更具有灵活性，并且由于软件无线电的软件模块化开发技术使得模块开发更加便利，只需要对主程序进行修改而无需改变硬件结构，减少了对硬件更换的损耗，极大提高了开发效率的同时，还降低了开发成本，使系统的性能得到稳步提高。

3    软件无线电在民航领域的展望

虽然目前无线电在我国的民航领域已经有了诸多应用，但是其可发展空间仍然是无比巨大的，主要的发展趋势有以下几个方面：（1）体系结构分层化和软件模块化。（2）软件无线电结构数学分析化。（3）认知化和智能化。通过对以上3个方面的发展，将会使软件无线电在民航领域的应用范围扩大，如正在探索阶段的雷达系统使用的正是软件模块化开发技术，还有正在研发的机载信号宽频带接收机，此种接收机相较于传统硬件电路接收机，除改变了传统的接收机以硬件为主的固定接收模式、使大部分操作均通过软件来完成外，还具备以下几点优势：（1）具有可编程性，在接收工作中，能够通过设计核心组件以适应不同基站具有的不同接收标准要求，使接收更加方便。（2）接收机升级更加便捷，在升级中只需要对程序模块进行修改，能够有效提高升级效率并减少升级成本。通过以上几种方向和具体应用方法能够将民航领域的科学技术水平不断提升，更好地为广大民众服务。

4    结语

总而言之，自软件无线电在我国发展以来，在20余年间已经能够将其应用到通信等各个领域，发展潜力巨大，且民航领域对其依赖性较强。因此，在民航领域中，相关技术人员要将软件无线电技术重视起来，提高研究效率与成果质量，使其能够更好地为民航领域作出贡献。

[参考文献]

[1]王洪波.软件无线电技术的应用及发展[J].电脑编程技巧与维护，2016（19）：10，13.

[2]刘晓平.基于软件无线电技术的雷达系统应用研究[J].信息与电脑，2018（21）：84-85.

[3]苗东.软件无线电技术在电子战装备领域的应用[J].科技传播，2018（19）：86-88.Application analysis of software radio in civil aviation field

Hu Yinjie

（Rockwell Collins CETC Avionics Co.， Ltd.（RCCAC）， Chengdu 610000， China）

Abstract：Since 1980s， traditional radio technology has begun to develop in the direction of software radio， and in recent years， it has been used in many aspects of civil aviation. This paper will focus on software radio， from the application and prospect of its application in the field of civil aviation in detail， hoping to provide some working ideas for the personnel engaged in related work， only for reference.

Key words：software radio; civil aviation; noise monitoring; rapid identification of air interference; radar system