软件无线电技术及其在舰用雷达装备中的应用探讨

汤卫红，朱云昊

软件无线电技术及其在舰用雷达装备中的应用探讨

汤卫红，朱云昊

（海军装备部）

软件无线电技术的产生推进了国内外电子技术领域的重大变革，随着相关技术的进步和成熟，软件无线电的军事应用已成为必然。介绍了软件无线电的历史及国外发展现状，简述了关键技术，并对其在舰用雷达装备中的应用提出了初步设想。

软件无线电；互联互通互操作；舰载雷达

0 引言

软件无线电最早是美军为了解决海湾战争中多国部队各军种进行联合作战时所遇到的互通互联互操作（简称“三互”）问题而提出来的一个新概念[1]。

由于以往的军事通信装备无论是工作频段，还是信息传输格式或者是通信体制，各军兵种各自为政，互不兼容，导致在联合作战时相互之间无法进行快速沟通、互传信息情报，其结果是名义上为联合作战，而实际上只是各军种的简单参与，无法形成真正意义上的“联合”。就工作频段来说，陆军主要工作在30 MHz～88 MHz，空军主要工作在225 MHz～400 MHz，而海军则主要以短波 2 MHz～30 MHz为主，且各军种之间通信方式还存在调制方式不同，波形结构不同，通信协议不同，数字信息的编码方式、加密方式不同等差异。陆海空三军上述这些通信手段的差异，虽然克服了三军间的相互干扰问题，但在军兵种联合作战时互通、互联、互操作问题仍然长期存在[2]。

为了解决“三互”问题，各国军方进行了积极的探索，在这种情况下，软件无线电的概念诞生了。其中心思想是：构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将通信设备的不同工作模式，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成，并使A/D和D/A转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。加载不同软件模块以实现不同的功能，形成各种调制波形和通信协议，可以非常方便地与旧体制的平台通信，并通过软件升级更新来实现新的功能，其硬件也可以像计算机硬件一样不断升级换代，大大提升了通信手段的灵活性与开放性[3]。

1 软件无线电发展的关键技术

1.1 能够覆盖所有的无线频段的宽带天线技术

为了覆盖尽可能多的通信功能，天线频段必须覆盖这些通信手段的全部频段。在如此宽的频段内要实现多种功能的灵活切换或同时使用，现有的天线体制必然不能满足软件无线电多功能多任务的需要，比较理想的方案是采用智能天线，结合数字多波束形成技术和数字信号处理技术，通过自适应的天线阵，灵活地实现各种所需的功能，满足多任务、实时性强和系统容量高等要求。同时利用波形变换和处理算法提高信噪比，减少接收到的多径信号数量，降低衰减。

1.2 具有良好线性的宽带射频前端技术

理想的软件无线电要具有覆盖全波段的能力，因此其射频前端必须能够在很宽的工作频带内产生较好的线性增益，从而保证送到模数转换器的信号具有很好的信噪比。目前射频器件支持的相对带宽有限，故在现有的软件无线电系统中采用的技术方案是使用一组RF模块覆盖整个频段。随着宽频段合成技术、低噪声高性能半导体工艺技术的成熟，将出现非常灵活的射频模块。例如，高度小型化的多频段多模式RF芯片成为射频前端的主流技术。

1.3 高转换速率及大动态范围的A/D、D/A转换技术

1.4 高速、高精度的数字信号处理技术

数字信号处理是整个软件无线电系统的核心，主要完成数据处理、调制解调和编码解码等工作。要对这些数字信号进行实时、准确的处理，对DSP的运算速度、运算能力、数据存储容量、数据吞吐速率都要求非常高。理想软件无线电的A/D送入DSP模块的数据就高达每秒几千兆比特，对如此快的数据流仅完成滤波、变频等处理普通DSP器件就无法实现，更无法兼顾波形变换等其他通信功能。因此，数字信号处理技术是制约软件无线电发展另一个主要瓶颈。在目前的软件无线电中，通常运用多DSP并行技术来解决单个DSP处理能力的限制问题。

1.5 良好扩展性和通用性的软件技术

软件无线电作为一种新的技术体制，最大特点是多功能的软件化实现，由于软件无线电的核心是数字信号处理，所以它改变了以往依靠硬件电路实现特定通信功能的设计方法，而是通过对数字信号处理器件进行软件编程，把要实现的通信功能算法以软件的形式下载到可编程器件中以实现所需功能。在后续的工作中只要加载新的算法软件或对算法进行修改，就可以完成通信功能的升级、实现不同功能的转换。

1.6 开放式、可扩展、可重构的体系架构

要实现多体制、多功能，且能不断引入新的功能，适应新的要求，软件无线电的硬件平台必须具有开放式、可扩展、可重构的特点，采用开放式体系架构，将模块化、标准化的硬件单元通过标准接口构成基本平台，将A/D、D/A变换器尽量靠近天线，借助软件动态加载/卸载实现各种无线通信功能，进而具备应用软件跨平台的可移植、支持系统间互操作和资源共享能力、支持系统灵活配置和功能拓展能力、接口标准开放，便于多方实现。

2 国外研究现状

软件无线电概念的产生引起了通信、雷达、电子战、协同作战等领域的广泛关注，在国内外军事领域得到了大力发展。美国是软件无线电技术发展最快的国家，其中最典型的软件无线电信系统是正在研发的联合战术无线电系统（Joint Tactical Radio System，JTRS），其节点称为联合战术无线电台（Joint Tactical Radio，JTR），利用通用、开放的硬件平台，通过不同的软件配置可以在所有环境领域（如机载、地面、移动、固定站、海上、个人通信等）中使用。JTR的工作频段为2 MHz～2 GHz，具有即插即用通用性特点，具有模块化硬件可现场配置、波形软件可现场编程的能力，具有可扩展物理结构和开放式软件结构。JTR还支持UHF卫星兼容通信、HAVE QUICK通信、VHF FM公众通信等多种工作模式。

JTRS系统功能基本涵盖了美国目前正在使用的所有通信手段，JTR电台通过动态自组网形成JTRS系统，可以与己方所有节点通信、传输数据，可以作为GPS、手机和广播使用，甚至通过软件编程在一定条件下可以当作简单的定位设备使用，其广泛的兼容性、功能的多用性、体制的灵活性是任何传统通信手段所无法比拟的。

3 软件无线电技术在舰用雷达中的应用探讨

海军是一个由潜艇、水面舰艇、航空兵、海军陆战队等组成的多兵种多任务的军种，信息化条件作战时互联互通问题更为突出，在海军装备上推广应用软件无线电技术，具有很好的基础条件和现实需求。

目前海军舰艇上装备有多种型号的雷达，按照任务使命可分为：远程对空警戒雷达、对海警戒雷达、搜索雷达、气象雷达、火控雷达、引导雷达等；按雷达的工作体制可分为：连续波雷达、脉冲多普勒雷达、脉冲压缩雷达、动目标显示雷达、捷变频雷达、相控阵雷达、合成孔径雷达等。不同用途、不同功能的雷达对信号参数（载频、脉宽、调制方式等）有不同的要求。例如对远程警戒雷达，为了减小大气衰减对作用距离的影响，其工作频率通常较低，一般选择C～S波段，由于要求探测距离远，脉冲重复周期往往较长；而火控雷达由于要求高的分辨率及精度，其工作频率一般工作在X～Ka波段，其作用距离要求相对不高，所以会选择较高的重频。由于各种雷达均针对不同用途专门设计，造成了目前的雷达装备功能单一、体制单一，无法满足在复杂电磁环境下对不同属性的目标进行智能化探测的需要和舰艇电磁兼容的要求。

软件无线电技术应用于舰载雷达的研制设计中，使用最少的硬件，通过软件来实现不同类型的雷达功能复合，整合成为一部宽频段、多任务的“软件无线电雷达”，具备以下特点：

1）合理配置雷达工作模式，在不同功能之间灵活转换，根据任务需要达到资源最优化；

2）由于软件无线电固有的灵活性，频段、体制、脉冲形式、编码方式、捷变频算法可以随时变化，使得抗干扰能力大幅度提升；

3）通过软件调配资源，减少共性硬件设备量，减轻舰艇承载重量；

4）改善舰载电子设备电磁环境；

5）将雷达、通信、干扰、侦察等电子设备融为一体，成为综合射频系统，降低成本、提升质量、增大威力。

软件无线电技术在舰载雷达中的应用研究可针对以下几个方面开展：

3.1 开放式体系架构研究

借鉴软件无线电的研究成果，按照舰载雷达系统的功能进行适当粒度的分层、分解设计，明确各层/模块功能、层间关系、信息交互接口。这些分解出的功能块应当具有一定的可重用性，而且被业界普遍认可。将这些功能块的接口开放，可实现整个雷达行业共享。开放式体系架构将以部件为基础，采用通用、开放的分层雷达基础设施，实现最可行、最实用的模块化子功能以及开放式接口。体系架构中的组件将独立于运行环境，可以在雷达系统之间交换和重用。

开放式雷达体系架构应当采用能最大限度实现现有标准重用的一系列开放式标准，以及开放、分层的雷达系统数据模型及结构配置。雷达系统的每一层都将提供一系列可接入功能，这些功能由它的上一层来控制和使用。这样，就可以在分级结构的某个（或某些）指定层进行雷达系统的描述、设计、开发、安装、使用、改进和维护，而且不会影响到其他层。此外，这样还可以在不改变其他层的现有设备、程序和协议的前提下，通过对某个（或某些）层的修改来改变雷达系统的性能。

3.2 宽带数字化射频前端技术研究

目前，与信息处理计算技术的日新月异相比，射频综合技术和射频重构技术已经成为雷达多功能、多任务化发展的瓶颈。要实现雷达、通信、电子战一体化工作需要射频前端具有超宽的工作频带。另外，雷达成像识别、通信扩频抗干扰、电子侦察，均需要系统具有较大的瞬时宽带工作能力。这些能力需要宽带数字化射频前端来支撑，即：需要开展拓宽工作频带、增大数字接收通道数量、增强子阵可重构性、开展低剖面、超宽带高效辐射单元等方面的研究，为雷达系统提供更加灵活的布阵方式和多功能、多任务、可重构能力支撑。

3.3 雷达信息处理中心硬件研究

针对雷达信息处理的特点，兼顾可发展性和可扩展性，基于性价比最优原则，开展基于集群商用刀片服务器构建通用雷达信息处理中心硬件平台的研究，针对甲方或第三方提出的雷达系统处理规模及任务特点，给出硬件设备选型指导、选择原则，完成信息处理中心硬件平台搭建。基于核心交换原则，研究雷达信息处理中心内部各计算节点间及信息处理中心与外部端设备间的内外信息交换及拓扑结构、电气标准、通信带宽及通信协议选择。

3.4 雷达信息处理中心软件研究

雷达信息处理中心软件采用开放式和层次化设计相结合方式，目标是做到软硬件解耦，软件可移植、可裁剪、易获得，支撑多个维度的面向第三方开发、最大化支持COTS插件集成。

以组件化分层设计的方法，屏蔽上层应用开发与底层硬件。确定层次化软件架构，明确各层次功能及技术实现方式，确定层间接口关系（数据传递、调用方式）及层次封装结构，通过对雷达系统软件不同配置改变雷达功能、参数和工作模式。

3.5 基于多服务器多处理器多核心的雷达信息处理并行计算技术研究

采用商用计算机实现雷达的信息处理任务在原理上是毋庸置疑的，之前没有大规模推行的主要原因是实时性不能满足装备的工程需求。而随着计算机技术转向核心数增加提升性能途径后，原本雷达信息处理任务的高并发、大容量、强实时难点，可通过多计算核心多线程方式予以克服。研究的主要内容包括并行计算的几种途径、主要的商用并行计算特点和条件、并行计算实现在物理板卡和基础软件方面的需求、雷达数字化信号处理算法及数据处理算法特点等，旨在寻找出适合雷达信息处理的并行计算条件与方法。

4 结论

可以看出，软件无线电技术的应用不仅可以满足互联互通的军事需求，而且可以使装备的功能高度集成、应用更加灵活。此外，由于软件无线电的大部分功能通过软件实现，与硬件关联较少，故在较大程度上提高了设备的可靠性与维修性，且便于设备硬件升级，所以软件无线电在军事中的应用越来越成为人们关注的热点，标志着电子技术从硬件到软件的飞跃。尽管目前数字信号处理器的运算能力仍不能完全达到软件无线电的要求，但随着计算机、微电子技术的飞速发展，软件无线电技术的军事应用已成为必然趋势。

[1] 王庭昌. 软件无线电技术的回顾与展望[J]. 现代军事通信，2007，15（3）：1-7．

[2] 钮心忻，杨义先. 软件无线电技术及应用[M]. 北京：北京邮电大学出版社，2000.

[3] 杨小牛，娄才义，徐建良. 软件无线电原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2001.

Discussion on Software Radio Technology and Its Application in Shipborne Radar

TANG Weihong, ZHU Yunhao

Software radio technology has promoted great changes in the field of electronic technology. With the development of the related technology, the military application of software radio has become inevitable. The history and development of software radio are introduced, the key technologies are briefly described, and the application of software radio in naval radar equipment is preliminarily proposed.

Software Radio; Inter-Connectivity Inter-Operation; Shipborne Radar

TN958

A

1674-7976-(2022)-03-223-04

2022-06-06。

汤卫红（1972.09—），湖南岳阳人，正高级工程师，主要研究方向为雷达工程。