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        軟件無(wú)線電無(wú)人機(jī)蜂群通信系統(tǒng)

        2020-05-11 10:19:26陳海贊
        關(guān)鍵詞:基帶蜂群射頻

        ◎陳海贊

        一、引言

        軟件無(wú)線電具有開(kāi)放性以及靈活性特征,不僅在民用無(wú)線電通信中發(fā)揮著較大優(yōu)勢(shì),同時(shí)也逐漸被推廣應(yīng)用于軍用領(lǐng)域,比如電子戰(zhàn)、雷達(dá)等。因此軟件無(wú)線電在無(wú)人機(jī)蜂群通信系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究意義重大。

        二、無(wú)人機(jī)蜂群作戰(zhàn)概述

        當(dāng)蜜蜂成群飛行時(shí),個(gè)體之間可進(jìn)行信息交流,然后組成不同的隊(duì)形,提升蜂群整體優(yōu)勢(shì),隊(duì)形不僅可向蜂群中間靠攏,同時(shí)也可朝向某個(gè)方向移動(dòng),與此同時(shí)個(gè)體之間可保持一定的間距。通過(guò)參考蜂群協(xié)作行為,創(chuàng)建出無(wú)人機(jī)蜂群作戰(zhàn)方式,無(wú)人機(jī)編成群組可將信息網(wǎng)絡(luò)作為中心,通過(guò)溝通平臺(tái)進(jìn)行信息交互,進(jìn)而實(shí)施協(xié)同作戰(zhàn),充分整合無(wú)人機(jī)技術(shù)優(yōu)勢(shì),提升無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)多樣性。

        三、軟件無(wú)線電關(guān)鍵技術(shù)

        1.智能天線技術(shù)。

        智能天線技術(shù)可實(shí)現(xiàn)自我調(diào)整適應(yīng),同時(shí)可優(yōu)化選擇頻段,并且還具有干擾對(duì)消以及移動(dòng)跟蹤功能。智能天線是由數(shù)字多波束所形成的天線,通過(guò)提高信噪比,有利于保證通信效果,促進(jìn)系統(tǒng)管理水平的提升。

        2.RF 前端技術(shù)。

        通過(guò)應(yīng)用RF 模塊,能夠有效覆蓋軟件無(wú)線電系統(tǒng)的所有頻段,對(duì)于RF 模塊,不僅要求支持多個(gè)標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)還應(yīng)該對(duì)射頻模塊進(jìn)行更換。為了促進(jìn)RF 模塊處理速度和能力的提升,應(yīng)降低RF 模塊體積以及損耗,并采用高密度集成形式,保證調(diào)制解調(diào)功能。

        3.A/D-D/A 轉(zhuǎn)換技術(shù)。

        在軟件無(wú)線電中,A/D-D/A 為至關(guān)重要的接口,通過(guò)應(yīng)用A/D-D/A,可連接RF部分可與通用數(shù)字軟件軟件部分,這就要求A/D-D/A 具有良好的使用性能,提升采樣速度分辨度,并增加輸入寬帶的寬度。

        4.數(shù)字上/下變頻(DUC/DDC)技術(shù)。

        通過(guò)利用數(shù)字上/下變頻(DUC/DDC)技術(shù),可提取有效的頻帶信號(hào),通過(guò)將其下變頻到基帶,即可提升基帶處理能力。

        5.基帶技術(shù)。

        在軟件無(wú)線電中,基帶處理技術(shù)為核心技術(shù),數(shù)字信號(hào)處理器則為硬件平臺(tái)的核心,其能夠與DSP、FPGA、GPP 軟件相配合,進(jìn)而提升軟件無(wú)線電的靈活性、開(kāi)放性以及兼容性,同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)其他各項(xiàng)功能,包括濾波、協(xié)議控制、信道編解碼以及調(diào)制解調(diào),只有充分利用DSP、FPGA、GPP 技術(shù),才能夠提升信號(hào)處理運(yùn)算能力。

        6.互連技術(shù)。

        互連技術(shù)的主要作用是連接系統(tǒng)中的各個(gè)單元,進(jìn)而創(chuàng)建系統(tǒng)硬件平臺(tái),其能夠有效保證硬件平臺(tái)的開(kāi)放性、可擴(kuò)展性。在軟件無(wú)線電中,常見(jiàn)互聯(lián)結(jié)構(gòu)有總線結(jié)構(gòu)、樹(shù)型結(jié)構(gòu)以及交換結(jié)構(gòu)三種。

        四、軟件無(wú)線電無(wú)人機(jī)蜂群通信系統(tǒng)技術(shù)方案

        1.硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)。

        (1)信道模塊。

        在軟件無(wú)線電無(wú)人機(jī)蜂群通信系統(tǒng)技術(shù)方案硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)中頻濾波器,可根據(jù)所選擇的波形不同而選擇相應(yīng)的中頻帶寬。數(shù)字信號(hào)處理單元控制通道的功能包括射頻控制以及數(shù)字上下變頻等。

        (2)信號(hào)處理模塊。

        信號(hào)處理模塊可作為波形運(yùn)行的重要載體,主要運(yùn)行硬件抽象層、中間件、嵌入式操作系統(tǒng)以及波形組件。信號(hào)處理模塊具有較強(qiáng)的信號(hào)運(yùn)算以及處理能力,并且具有開(kāi)放性、通用性、加載性等特征,能夠有效滿足各類(lèi)波形的實(shí)際需要。GPP 運(yùn)行部分網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,要求嵌入式操作系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)功能,DSP 和FPGA 的功能比較多,包括信道編碼與譯碼、MAC 協(xié)議、信道估計(jì)均衡、數(shù)字調(diào)制與解調(diào)以及同步算法等。此外,F(xiàn)PGA 還具備高速總線接口,其能夠與信道模塊交換射頻控制信息以及IQ 基帶數(shù)據(jù),另外其還具有可編程I/O 接口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)控功能。

        (3)主控與業(yè)務(wù)模塊。

        主控與業(yè)務(wù)模塊的功能是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體控制、波形互通以及波形管理,同時(shí)其還可作為對(duì)外各類(lèi)業(yè)務(wù)的接口。主控與業(yè)務(wù)模塊是由聲碼話單元、GPP 以及外部業(yè)務(wù)接口單元所組成的。

        (4)射頻控制。

        本文中,所有波形的射頻控制信息均采用統(tǒng)一的射頻控制API 實(shí)現(xiàn),從而使信道模塊與波形的耦合程度大大減低,通用性顯著提高。在通用硬件平臺(tái)上,射頻控制API 的封裝和解析代碼分別部署在信號(hào)處理模塊和信道模塊的FPGA 上。

        2.通用軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)。

        軟件平臺(tái)基于SCA 體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建,主要由波形應(yīng)用、輕量化核心框架、CORBA中間件、硬件抽象層、硬件驅(qū)動(dòng)程序、嵌入式操作系統(tǒng)、板級(jí)支持包/硬件驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)成。其組成如圖1 所示。

        圖1 軟件平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

        核心框架的功能模塊由基礎(chǔ)模塊和核心模塊組成?;A(chǔ)模塊主要包括:描述文件解析器、部署管理器和資源管理器,分別提供波形應(yīng)用的XML 文件解析、波形應(yīng)用的動(dòng)態(tài)加卸載管理以及系統(tǒng)資源的配置與管理。

        CORBA 中間件用于屏蔽操作系統(tǒng)異構(gòu)性以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議異構(gòu)性,為分布式環(huán)境中波形組件提供跨平臺(tái)通信的能力。CORBA 中間件通過(guò)透明的遠(yuǎn)程功能調(diào)用、分離的對(duì)象定義和實(shí)現(xiàn)方法,能夠有效規(guī)范客戶端和服務(wù)器端操作,促進(jìn)波形組件的分布式部署能力、可重用性以及可移植性的提升。

        在波形應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境中,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)至關(guān)重要,其能夠?yàn)樯蠈硬ㄐ螒?yīng)用提供對(duì)底層物理硬件的抽象和封裝,以合理、有效的方式組織和管理各種嵌入式計(jì)算機(jī)軟硬件資源,控制程序執(zhí)行流程,提供系統(tǒng)調(diào)用接口和驅(qū)動(dòng)程序。

        硬件抽象層針對(duì)不同的數(shù)據(jù)傳輸方式規(guī)定了一系列API,這些API 可屏蔽硬件平臺(tái)相關(guān)的底層通信機(jī)制以及封裝標(biāo)準(zhǔn),將波形組件間通信方式與具體硬件平臺(tái)進(jìn)行分離,同時(shí)還能夠保證波形組件底層通信訪問(wèn)接口的統(tǒng)一性,使得波形軟件能夠在不同硬件平臺(tái)上進(jìn)行平滑移植。

        3.波形設(shè)計(jì)方案。

        本文實(shí)現(xiàn)的寬帶網(wǎng)絡(luò)波形功能框圖如圖2 所示,按層次可劃分為物理層、鏈路層、安全/密碼、I/O 共4個(gè)部分。物理層采用正交頻分復(fù)用(OthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)傳輸技術(shù),以獲得高效的頻譜利用率;在接收端采用Turbo 迭代譯碼結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)一步提高通信的可靠性。鏈路層采用支持多跳網(wǎng)絡(luò)的基于時(shí)分復(fù)用多址接入(TimeDivisionMultipleAccess,TDMA) 的 媒 體 接 入 控 制(MediumAccessControl,MAC)協(xié)議,以滿足應(yīng)急通信中自組網(wǎng)、多跳和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度大的應(yīng)用需求。

        五、結(jié)語(yǔ)

        綜上所述,本文主要對(duì)軟件無(wú)線電無(wú)人機(jī)蜂群通信系統(tǒng)技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)探究,軟件無(wú)線電為無(wú)線通信裝備核心技術(shù),基于軟件無(wú)線電技術(shù)的無(wú)人機(jī)蜂群通信系統(tǒng)具有多通信體制兼容、軟件可重構(gòu)可升級(jí)、可擴(kuò)展的多通道設(shè)計(jì)、組網(wǎng)機(jī)動(dòng)靈活、軍民產(chǎn)品一體化設(shè)計(jì)等特點(diǎn),可同時(shí)支持寬、窄帶信號(hào)通信組網(wǎng),結(jié)構(gòu)小巧、重量輕便、部署靈活,可同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)蜂群的飛控、測(cè)控、圖像和機(jī)間協(xié)同信息的傳輸功能。

        圖2 寬帶網(wǎng)絡(luò)波形功能框圖

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