基于软件无线电的飞行CNS信号模拟可靠性研究

曾涛，张磊磊

（中航飞机西安飞机分公司特设处，西安 710000）

引言

随着科学水平的日益精进，航空飞行的信号传输性能也得到了显著提升[1]。飞机在进行空中飞行时，其飞行CNS（通信导航监视）信号不仅需要在指挥系统内部进行输送，还需要在各个单位及台站间完成信号互换。而软件无线电可以极大程度保证信号的精准输出，软件无线电是一种宽频段、多性能的无线电通信技术，其主要功能均依靠软件来实现，可利用不同的算法在平台上进行计算，得到即时的信号波形、调制模式等，进而为飞行过程提供可靠的无线通信服务[2]。

为了提升信号传输的精确性，文献[3]提出一种基于跨层编码加性复用机制的超奈氏5G信号带宽优化传输算法。在预成型过程中引入零化机制，去除信号滚降系数的频谱锐化特征，提升信号发射过程中的带宽频率利用效率。在信道编码时运用跨层编码技术得到码元的最优能量，同时在码元发射过程中利用误差扫描检测技术建立信道交互复用机制，改善码元存在的频率漂移，提高了信道的数据传输能力，抑制了信道传输中的噪声干扰。该方法虽能有效提升信号传输精度，但运算过程复杂，缺乏即时性。文献[4]提出一种基于星座图恢复和卷积神经网络的多进制相位调制信号识别算法。首先设置相邻采样点距离和相位角的阈值，通过阈值筛除出发生符号间干扰的采样点，保存剩余的有效采样点并组成聚类组，利用旋转相邻聚类组剔除载波频偏带来的影响，实现星座图恢复。最后运用卷积神经网络对星座图进行特征自动提取及调制识别，但该方法导致信号传输误差率较高。

总结传统方法的不足，提出一种基于软件无线电的飞行CNS信号模拟可靠性研究方法。利用PCI总线的多处理协调能力构建软件无线电平台，该平台具备优秀的适应性及交互性，为信号的可靠性传输提供先决条件。设计CNS高动态信号模型，确保飞行时可以快速得到信号所在位置并进行跟踪。使用基于软件无线电的QAM信号调制方法，增强信号传输信噪比，利用CNS信号参数判断飞行是否位于安全间隔，提升飞行的安全性。

1 构建软件无线电平台

软件无线电的关键特征是模块化与开放性，这两点特征集中表现于软件无线电所使用的开放式标准化总线组成中[5]。将PCI总线作为系统总线来建立MTRS功能模块参照模型内的连接部分，把各个功能模块设计为基于PCI总线程序的即插即用硬件拓展卡，使用计算机的计算处理、储存、PCI总线插槽和人机端口资源构造一个软件无线电平台，如图1所示。

天线接受射频信号要通过模拟上/下变频，由射频转换为中频，并输入至计算机内软件无线电平台的PCI拓展卡。在拓展卡中实现信号模数变换与数字下变频处理后，把中频信号下变频至基带[6]，然后通过PCI总线将数据输送至DAP基带处理拓展卡或CUP板上实现基带信号处理，其处理内容包括信号的编码解码、加密解密等，完成基带信号在高速网络内的相似处理。

在软件无线电平台的中频处理子系统内，使用ICS-652 ADC板集成DC-50-WN，实现中频信号的模数转换及数字信号下变频，即组建一个ADC+DDC拓展卡核心芯片电路。利用ICS-660 ADC板集成DC-60-M1，实现基带数字信号上变频与中频信号的模数转换，组建一个DAC+DUV拓展卡核心芯片电路。

2 CNS高动态信号模型

为了确保飞行时可以及时捕获及追踪信号，减少飞行事故发生，构建CNS高动态信号模型。高动态可理解为发射机和接收机拥有较快速率及导数运动的过程，通常情况下载体要比运动速率大1 km/s。

假设第i颗可见星L1波段的C/A码信号在tT时间进行信号发射，此时卫星广播的L1波段C/A码信号ST,i(tT)可描述为：

式中：

PT—发射信号功率；

Di(tT)—报文调制；

Ci(tT)—伪随机噪声扩频序列；

φ0,i—载波初相；

fL1—L1波段的频率。

在接收时间为tR的情况下，天线遭到扰乱时的高动态接收信号可表达成：

图1 软件无线电平台构造图

式中：

SR,i(tR)—tR时段的接收信号；

PR,i—信号接收时的功率；

δtd,i—信号码相位的所有时延；

δt'd,i—载波相位的延迟总时间；

ζ—伪码时延偏差率；

fdop,i—干扰信号的频率。

若信号定位时间tR相对的本地时间为tr，那么tr=tR+δtr，δtr是本地时间的误差。因此将本地时间作为参照量[7]，天线遭受干扰时的接收信号可表达为：

按照卫星信号的延时特征，则延时δtd,i与δt'd,i可依次表达成：

式中：

ρi—接收机的几何斜距；

δtsv,i—相对时间误差；

δttrop,i—信号向使用者发送过程中内的对流层延时；

δtion,i—相对的电离层延时。

接收天线端口表面的射频接收信号经过射频前方的下变频操作后可得到中频信号[8]。若振荡器联合的三级频度是fLOC1、fLOC2、fLOC3，那么在接收时间为tr时，通过三级混频和低通滤波后生成的下变频输出可描述为：

下变频信号利用欠采样后，得到的输出信号就是中频采样信号，可表达为：

式中：

fIF—CNS信号采样前的中频；

fTDC—通过L1射频到中频而生成的频率转移值。

采样后的中频IF3转换成采样频率fs的镜频信号，最后得到的伪中频f'可表达为：

IF

式中：

fIF－fs—伪中频的真实值；

δfLOC/—振荡器的归一化频率偏差，其与振荡器误差对CNS信号频率的影响相同，可将其作为CNS信号的频率偏差。

将式（3）～式（7）相融合，得到采样限期Ts，则下频信号使用欠采样后输出的CNS中频信号SIF,i(kTs)的表达式为：

式中：

AIF,i—表示混频后CNS信号的振幅；

—多路径反应；

(t)—多路径噪声；r

φIF,i—混频后的频率偏差对载波相位的影响。

信号功率是经过大气传输退减、全方位天线接收后的可用信号功率[9]。而与信号功率相比，接收机的能效更能决定信噪比的大小，所以对CNS信号而言，信噪比是说明其信号强度最为实用的参变量。

若第i颗可见卫星传播信号的噪声为ni(tr)，其方差是，幅值是A，信噪比是SNR，那么SNR的详细n,iii转换方案为：将CNS信号的幅值作为单位，按照设置的信噪比SNRi反向推导引入的噪声幅值，可使用载噪比C/N0,i估算出应该引入的噪声幅值数目，每个参变量的推导过程为：

其中：

AC,i—可见卫星信号的载波幅值。

把参变量的推算过程加入至C/N中，经过整合0,i可得到：

按照式（11）估算出需要的噪声幅值，以此实现变换SNRi的目的，从而得到信号模拟过程中所需要的信号强度。

多路径反应对CNS接收信号的有效性有较大影响。为了将多路径反应做适当简化，直接在含有噪声的CNS信号内对其进行改善，同时利用设定多路径反应的有关参变量来完成固有水准的多路径反应研究。多路径CNS信号可表示为：

式中：

γMP,i—通过物体反射后映入接收机的信号幅值和直射入射到接收机内的信号幅值的对比值，对比值的大小和反射性质有密切关联，必须满足γMP,i＜1；

δtMP,i—信号经过反射后的时间延迟。

想要直观凸显出多路径反应对CNS信号的影响，δtMP,i数值的选择范围应符合：

式中：

TC—C/A码的码元宽度；

d—追踪C/A码中时延封锁环路的相关区域，通常情况下为一个码元宽度。

3 基于软件无线电的QAM调制信号

对相干调节系统而言，接收方一定要具备本地载波才可以进行解调[10]。在通信系统的发送位置端口，虽然使用的载波频率为ωc，但因为在进入线路前要采取数模转换等相关处理手段，因此接收方获得的信号载波频率与原有载波频率ωc的准确率存在很大差别，同时考虑到收发双方的晶振极有可能保留一定的频率误差，因此发送端与接收端之间的载波频率通常会有几十赫兹的微小移动。为了提高CNS信号的可靠性，需要对频率误差进行相应补偿。

经由天线端接收的模拟信号通过射频调整、模拟转变及中频处理后，成为低频率载波信号R(t)。R(t)和本地载波进行相乘解调后，利用低通滤波就可以输送至决策系统内，它和传统QAM接收系统最根本的差别在于该系统具备反馈功能，能够根据解调之后的结果推算出目前阶段的解调偏差，并按照偏差大小和正负来操控载波系数表的转移[11]。

在QAM调制系统内，接收端R(t)可描述为：

经过同相发射支路，将其与载波进行相乘，可得到：

式中：

—接收方对本地载波频率f的计算过程；c

θr—载波相位；

θs—调制相位的估算值；

r(t)—信道噪声。

本地载波经过低通滤波器处理后可得到：

同理可得到正交支路，并将其表示为：

在使用低通滤波器后，信号状态可描述为：

通过式（16）与式（18）可以看出，在信噪比数值较大时，可忽略噪声的影响。若要得到准确的决策结果，则一定要将的数值变得很小，可近似于0，而的数值也要近似于1，也就是将的数值接近于0。此外还可以得到以下结果：在任意小范围区域中（通常在1、2个码元连续时段内），如果载波频率不处于同步状态，那么能够使用载波的相位进行补充，也就是只要就能够得到准确的解调结果。在数字通信系统内，t的数值可利用模拟频率对CNS信号的采样频率采取归一化替代。

在此种状态下，环路滤波器的输入可描述为：

式（19）内，使用约等号是为了忽略噪声项。因此，使用式（19）的偏差函数能够自适应转换本地解调载波相位θr，让其符合为了将偏差降到最低，可将各个码元分别调节一次。

4 基于CNS信号参数的碰撞风险分析

通过上述步骤可得到精准的CNS信号，为了深入研究CNS信号模拟的可靠性，将碰撞风险作为可靠性研究的前提，通过CNS参数对其进行分析。

若两架飞机在相同高度飞行，可设定两架飞机的原始水平间隙为D1，飞行时间为ΔT。如果通信、导航、监视自身的定位偏差是互相独立的[12]，则其偏航均满足平均值是0的正态分布。

在相同高度层的两架飞机间的水平间隙均小于飞机尺寸L的情况下，就可认定飞机间产生了碰撞，所以，两架飞机发生碰撞的概率是：

因此，想要得到碰撞概率，就要计算出定位偏差σ，继而要获得CNS信号参数。

CNS的信号环境可划分为所需导航性能（RNP）、所需通信性能（RCP）、所需监视性能（RSP）三个方面。因此，将CNS信号参数表示为RNPa、RCPb、RSPc。a为导航准确度参数，单位是海里；b为通信处理时间，单位是秒；c为监视刷新频度，单位是次/秒。因此可建立以下公式：

式中：

σ1—导航所产生的水平间隙定位偏差；

σ2—通信所产生的水平间隙定位偏差；

σ3—监视所产生的水平间隙定位偏差。

由此可得到飞机的碰撞概率为：

式中：

υ1、υ2—飞机巡航速率在两架飞机连线内的分量。

5 仿真实验

将所提方法与文献[3]、文献[4]方法进行不同信噪比条件下的解码性能仿真对比。设置采样率fs为300 MHz，信号载频fc是80 MHz，CNS信号的码元是15位m序列。分别进行解调准确率与传输耗时对比实验。

5.1 解调准确率对比

三种方法的解调准确率对比结果如图2所示。

从图2可以看出，所提方法调解准确率为最佳，可高达98 %以上。这是由于所提方法使用了软件无线电平台，利用自适应调整本地载波达到高效调解的目的，提升信号的传输信噪比，增强信号的抗干扰能力。

5.2 传输耗时对比

下面对CNS信号的传输时长进行对比，信号传输次数设置为6次，具体结果如表1。

由表1

可知，所提方法的传输耗时最短，且时长均控制在3 s之内，可快速将飞行时需要的信号内容进行可靠传输，改善飞行安全性。而文献[3]与文献[4]方法的传输效率较低，难以保证飞行信号的即时性。

图2 解调准确率对比

表1 传输耗时对比

6 结论

为了保证飞机的平稳飞行，提出一种基于软件无线电的飞行CNS信号模拟可靠性研究方法。首先建立软件无线电平台，利用CNS高动态信号模型与QAM调制信号方法，得到精准的CNS信号，使用CNS信号参数计算出飞行的碰撞概率。为了证明飞行CNS信号的可靠性，进行对比实验，实验结果表明，与传统方法相比，所提方法拥有极强的自适应能力，且鲁棒性强。