军用无线电的发展方向_软件无线电

一9 0 7 年 第 1 2 卷 第 3 期 装甲兵工程学院学报 J o u r n a l o f A r m o r e d F o r e e E n g i n e e r in g ln s tit u t e 1 99 7 v o l . 1 1 N o : 3 军用无线电的发展方向—软件无线电 潘丽君 董保良 贺志超 姜建华 (装甲兵工程学院通信教研室 , 北京 1 0 0 0 72) 摘要 : 在讨论无线 电系统的发展以 及军用无 线电现状的基拙上 , 提出 了利用软件无线 电解决现存主 要 问题的方法 。 详细分析 了软件无线 电的基本概念 、 原理和典型软件电台的基本结构 , 并介绍 了由 美国空军 负责研制的 s详a keas y 计 划 . 关键词 :无线 电 ,软件无线 电 ,军用无线电 在 70 年代和 80 年代 , 无线电系统实现了从模拟到数字 、由固定到移动的转变 。 而现在无 线电系统正面临一场新的革命 , 人们正试图用基于基本硬件的软件来完成从前由硬件来完成 的各种功能 , 即实现 由硬件到软件的飞跃 。 1 无线电的发展与军用无线电的现状 由最初的点到点通信到 目前的通信网联络 , 无线电系统百年来在功能 、组成部分和规 则等方面的不断发展可以用表 1 来描述[lj : 表 l 无线电系统的发展 无线电系统 可直观的功能 典型的组成部分 关键的设计规则 模拟 传输 、信道选择 、静噪 离散模拟基带 功率限制 、 A M , FM 早期数字 传输 、接收 、误码率控制 量化调制解调器 、 前向纠错 比特流复用接 口 扩频 抗多径干扰代码同步 、 误码率控制 数字扩频设备 、 嵌入控制处理器 代码设计、 网端 、数字话音信道 未来无缝多 数字McR 、功率管理 、 数字 M c R 、可编程 数字 M c R 、模式控制标准和 模式网络 数据速率管理 、B E R 控制 M o D EM 、多带天线 协议 、用软件定义的功能 可以看出 : 无线电系统组成 日益复杂 , 功能不断增强 , 是朝着复杂化 、数字化 、软件化的方 向发展的 。 在未来的无缝连接多模式网络中 , 灵活可变的 R F 频带 、数据传输速率以及误码率 等都是必不可少的 , 而软件无线电就是用于提供这些灵活功能的无线电终端 。 军用无线电随着商用无线电技术的发展而发展 , 从模拟到数字 , 从点对点通信到多点之间 的通信到进入地域网通信 , 从无抗干扰措施到采用跳频 、直接序列扩频和两者混用的抗干扰体 制 , 军用无线电取得了很大的进步 , 大大加强了高技术战争条件下的通信保障能力 , 尤其是保 障了局部战争中应急作战的指挥畅通 。但随着战争规模的扩大 , 故有的军用无线电已明显不适 . 收稿日期 : 1 9 9 6一 0 7一0 9 装甲兵工程学院学报 1 9 9 7 , 1 1 (3 ) 应现代高科技条件下的作战要求和现代电子技术的发展 。海湾战争 已经证明 : 现代战争取得胜 利的重要保证是以灵活有效的通信系统来连接海陆空多兵种之间的协同作战 。 但 目前军用无 线电的不兼容性大大增加了一体化联合作战的复杂性 , 不能适应现代战争中海空夭地协同作 战的要求 。 此外 ,军用无线电的不足之处还表现在 : (1) 不能充分利用高速发展的硬件技术 ; (2) 不同类型无线电系统的协议众多 ; (3) 不能利用无线电通信的多机理 传播路径 (MM p p s ) 来提高无线电通信的可靠性和有效性 。造成这种情况的原因是 : 现有的军用无线电一般只能完 成单一功能 , 只适应某一特殊方面的需求 , 很难在有限的体积 、重量和 费用条件下满足全面军 事指挥的要求 ;另外 , 在现代的数字 电台中虽然采用了微处理器和数字信号处理器 , 用软件实 现了部分功能 ,但主要功能仍是 由硬件来完成的 。 为了摆脱单波段单模式无线电设备不适应军事实用性要求的困境 , 有效地实现部队和战 场的数字化 ,军用无线电的发展方向将是多波段多模式无线电 (M BM M R ) 。 它的灵活性来源于 各种功能的可编程性 , 因而也称为“军用软件无线电” 。 2 软件无线电的概念 软件无线电将是继模拟通信技术和数字通信技术之后的第三代无线通信技术 。实际上 , 军 用软件无线电就是指宽频段 、多功能 、多模式的无线电台 , 其功能主要由软件来完成 , 即具有包 括射频 (R F)在内的几乎全部的编程处理能力 。 (l) 软件无线电的主要标志是用软件来确定无线电的功能 。特点在于软件无线电的完全可 编程性 , 包括可编程的无线电波段 、可编程的信道访问模式和信道调制等 f‘〕。 (2 )软件无线电成功的关键在于软件的可重编性或可调性 ,来获得多种不同的功能 。 (3) 软件无线 电硬件结构的基础是采用尽可能靠近 R F 天线端的宽带 A / D / A 变换器 , 多 频带无线电和 R F 转换器 、微处理器 以及高速数字信号处理器 (D sP) , 尽可能地将接收到的模 拟信号数字化 。 (4) 软件无线电要求以模块化实现 , 各模块的物理接 口和电气接口 的技术指标符合开放系 统标准 。 随着软 、硬件技术的发展 , 各模块可根据需要随时更新 、更换 。 3 软件无线电的基本原理和基本结构 软件无线电功能很多 , 除了能在规定的波段内发送和接收信号外 , 其发送部分的功能还包 括 : 通过实时信道估值技术探测传播路径 ;描述有效的传输信息 ;组合合适的信道调制 ;采用电 调控制技术调整电波发射方向等 。其接收部分需要完成的任务还包括 : 显示或描述传输信息以 及邻近信道上的能量分布 、多径分布 ;组合有用的信号多径 ; 对干扰信号进行 自适应调零 ;确认 输入信号的模式 ;通过前向纠错 (FE c) 修正剩余错误使得接收信号具有最低的误码率 。 典型的软件无线电有下列几部分组成 : 电源 、天线 、多带 R F 变换器 、带有 A / D / A 转换器 的芯片 、能完成多种无线电功能的微处理器以及相应接口 。 它的基本结构如图 1 所示 。 从处理功能上分 , 软件无线电的结构又可分为以下三个部分 : (1) 信道处理部分 。这一部分 的结构与硬件无线电区别在于软件无线电的信道处理部分是通过一系列的可编程信号处理来 完成的 。 它又包括信源编解码和信道编解码 。 信源编解码主要有话音信号的 A / D 、 D / A 变换 , 第 3 期 播丽君等 :军用无线电的发展方向—软件无线电 各种话音编码算法 (主要指话音的压缩编码算法 ) 。 信道编码包括 R F 变换 、中频处理 、基带处 理和 比特流处理 。 通过这一系列的处理实现频率变换 、调制 、前向差错控制 (FE c ) 、通信中的 加 、解密以及传输安全 。 (2) 环境管理部分 , 即对无线电通信中所用到的频率 、时间和空间的近 实时环境管理 。这一部分采用一些较先进的块操作技术 , 如快速傅立叶变换 、子波变换等 , 主要 用于完成信道识别和对其它一些参数 (如信道接口电平 )的评估以及用户的分配等任务 。 (3) 上 下线软件工具 , 包括系统分析 、信号处理和重新定位等的软件工具 , 以便对硬件实施分配和,优 化 , 用于不断增强系统的各种功能 。在所有无线电系统中 , 天线是不可缺少的重要组成部分 , 用 于完成 R F 信号的收发 。 由于软件无线电中的天线将跨越 H F 、v H F 和 u H F 多个波段 , 这就要 求天线在每一波段或每一波段的几个倍频程内具有相同的方向图形状和较低的损耗 。 先进的 军用软件无线电常采用 自适应调零夭线阵 , 以减弱干扰的影响 。 此外 , 还可采用方向图形成网 络和 自适应处理器等 。 ~~ 阳. . . . 自口, 目. . . 口. . “. . . . . . . . . . . 口 , . . . . . . . . . . . . . N 一 /R 一 I 软件 可编程 处理器 N 一瓜 T 二 , 近实时和实时 窄带酬” )Z八 (选择信源编码 ) 宽 带 人月工I)ZA RF 变换器 高度集成的主硬件设备 基星扛 无线接 11 脱线软件 服务开发 I _ 作站 在线软仍 可编程 处理器 N 一 IR r 软件 ‘,T编程 处理器 宽 带 入几). 1〕/A 实时数据流 R 」了 变换器 去/来自公共电话交换网(I拐 IN ) 图 1 典型软件无线电的墓本结构 4 5详a k e a sy (“易通话” ) 鉴于现代军用无线 电存在的许多弊端 , 美国国防部认为当前面临的难题是如何在军事上 保证最近的盟国和全球支撑结构的联系 , 避免敌人的截获 , 以适应高速发展的现代通信技术 , 并减少军费开支 。事实上 , 从 70 年代中期开始 , 美高级研究计划局 、陆军 、空军以及其它机构便 着手研究软件电台技术 , 以实现多个通信波段 (H F 、v H F 、U H F 和 SHF) , 多种调制伎术(A M 和 FM 话音 、多种数据链路格式以及包括跳频和直接序列扩频技术在内的几种保密模式 )和多种 数据格式在军事上的互通 〔2〕。 软件无线电是在 19 9 2 年 5 月首次由 JOe Mi tol a 明确提出的 。 而 Spea kea sy 计划是一项论证 美军下一代军用无线电—军用软件无线电的预研性课题 。 它是由美国空军罗姆实验室负责研制的新一代军用软件 电台 , 目的是对美军 21 世纪使用的一种以软件为核心的多频段 、多模 式电台开发体系结构 , 从而为改变目前军用无线电互不兼容的现状打下基础 . sPea kea sy 计划 中研制的 MB卜D“R , 其工作波段是 2 ~ 2 0 0 0 MH z , 可以产生现有的或者未来的各种类型的信号 波形 。 该计划分两个阶段进行 。 第一阶段的 S pe ak ea 盯 电台旨在证明可编程波形 、多波段多工作模式电台的概念 , 获得基 装甲兵工程学院学报 19 9 7 , 1 1 (3 ) 本波形的兼容性 。 这一阶段的计划已经完成 , 并于 1 9 9 4 年 8 月进行演示 。 第二阶段的 spe ak ea sy 电台准备采用可编程处理技术来模拟 15 种以上现有军用无线电台 的功能 , 并能同时发送 4 种不同类型的波形 。 它将采用模块化设计 。 这种设计可以为增强型处 理而进行扩展 , 包括更强的波形同步 、容错功能和抗毁性 。 第二阶段的 Sp e a kea sy 计划 已于 19 9 5 年夏季签订 。 美国国防部高级研究计 划局最近通过汉斯科姆空军基地罗姆实验室把 2 9 0 0 万美元的 spe ak ea sy 开发合同授予了 Mot or of a 公司 。 根据合同 , Mot or ol a 空间技术组将领导一个集团实施 为期 4 年的 s p ca k ea sy Z 型开发计划 , 研制一种可以同时传输和接收话音 、数据和视频信息的无 线电台 , 电台能灵活地与当前和未来的各种各样的军事与商用通信系统互连 . 通过转换调制方 式 、频率和通信规约 , s pe a kea sy 电台不需要人的干预就能 自动与其它通信系统互连 。 目前 , 它 已作为陆军 SI N C G A R S 战场网电台 、空军 H A v E QU IcK 等不同电台之间的桥梁 。 5 结束语 高速数字信号处理技术和计算机技术的迅猛发展 , 使得发展软件无线电成为可能 , 军事通 信又迫切需要发展新的通信装备 , 因此这种新型的无线电技术凭借它的独特优势正 日益受到 人们的关注 , 尤其在现代化战争条件下的军事通信领域 , 为了满足多兵种协同作战的保障需 求 , 软件无线电已成为下一代军事通信装备发展的必然趋势 , 它也将成为我军未来数字化部队 和数字化战场的重要组成部分 。 参 考 文 献 Joe M ito la . T he SO ftw a r e R a d io A re h itec tu re . IE E E C o m m u n ica tio n M a ga Zi n e , 19 9 5 Joe M ito l a . So ftw a re R a d ios . IE EE C o m tn u n ica tio n M a朗滋n e , 1 9 9 5 Je ffe ry A W . A n a lo g 一 to 一 D 返ita l C o n v e rte r s a n d T he ir A PPlic a tio n s in R a d io R ec e iv e rs . 正EE CO m m u n ie a tio n M a朗 z in e , 1 9 9 5 R a ym o n d J L , Do n a ld W U . S】, ea ke as y . Th e M ili ta ry S oftw a r e R ad io . TE E E CO m m u n ica tio n M a即幻n e , 1 9 9 5 罗昭武. “易通话 ” (Spe ak ea sy )军用软件电台技术 . 电信技术研究 , 19 9 5 S o ftw a re R a d io—T he Fu tu re o f the M ilita ry R a d io P a n Liju n D o n g Ba o lia n g H e Z h ieh a o Ji a n g Jia n h u a A bs t ra e t : T h is Pa pe r firs t d ise u脱5 th e de ve lo Pm e n t o f ra d io syste m s a n d th e Pres e n t situ a tio n in m ili- ta ry r ad io e o m m u n ic a t io n , a n d o n th is Pre m is e , it Pu ts fo rw a r d th e w a ys o f so lv in g th e e x is tin g Pr o b - le m s by us e o f s o ft w a re r a d ios . T h is Pa pe r a lso m ak es a d e ta iled a n alysis o f th e b asic e o n e ePt , ba sic Pd n e iPl e a n d the ba s ie st r u e tu re of tyPica l so ftwa r e ra d io , a n d Pr ese n ts th e spe a kea sy P rog r am d e v e l - 叩e d by th e U S a ir fo r c e · K eyw o rds : R a d io ; s o ft w a re ra d io ; m 让ita r y r a d io