李冬霞，孟龍，王磊，李昊洋，劉海濤

（中國民航大學(xué) 電子信息與自動化學(xué)院，天津300300）

0 引言

為了保障民用航空器安全、可靠、高效的運行，提升空域容量，國際民航組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）將L頻段數(shù)字航空通信系統(tǒng)（L-band Digital Aeronautical Communication System，L-DACS）確立為未來航空移動通信主要依賴的技術(shù)手段之一。目前，L-DACS有兩種候選技術(shù)方案：一種是基于多載波調(diào)制技術(shù)的L-DACS1；另一種是基于單載波高斯最小頻移鍵控的L-DACS2。其中，L-DACS1因其具有傳輸容量大、抗多徑能力強、頻譜效率高的優(yōu)點而獲得航空制造業(yè)和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。由于L-DACS1系統(tǒng)的工作頻譜與L頻段已有的DME（Distance Measure Equipment，DME）系統(tǒng)頻譜存在部分交疊，導(dǎo)致DME信號對L-DACS1系統(tǒng)接收機產(chǎn)生了不可避免的干擾。

目前，國內(nèi)外針對L-DACS1系統(tǒng)接收機如何抑制DME信號干擾的問題提出了很多算法，例如：脈沖熄滅與脈沖限幅干擾抑制算法、壓縮感知信號重構(gòu)干擾抑制算法、判決反饋脈沖噪聲估計干擾抑制算法等，這些干擾抑制算法的研究主要通過理論分析與仿真相結(jié)合的方式，并沒有搭建真實的測試平臺驗證其有效性。為了更深入地研究DME信號對L-DACS1系統(tǒng)接收機性能的影響，本文根據(jù)L-DACS1系統(tǒng)規(guī)范，基于軟件無線電Yun SDR320平臺和Matlab軟件平臺設(shè)計實現(xiàn)了LDACS1系統(tǒng)前向鏈路的發(fā)射機與接收機，發(fā)射機產(chǎn)生發(fā)射信號并經(jīng)過真實的無線信道后由接收機接收。該平臺可以驗證L-DACS1系統(tǒng)發(fā)射機和接收機的性能，也為進一步驗證和比較不同DME干擾抑制算法的有效性提供了一個真實的環(huán)境平臺。

1 Yun SDR軟件無線電平臺

軟件無線電是指在硬件條件不變的前提下，通過軟件編程對物理硬件進行配置來實現(xiàn)各種無線電功能。利用軟件無線電技術(shù)，通過軟件平臺實現(xiàn)通信系統(tǒng)鏈路的各種功能，包括信號的產(chǎn)生、調(diào)制解調(diào)、編碼譯碼、濾波等。

北京威視銳科技公司的產(chǎn)品Yun SDR320實驗平臺是專為無線通信系統(tǒng)研究而開發(fā)的一款便攜式軟件無線電平臺。Yun SDR320通過千兆以太網(wǎng)線與PC機進行數(shù)據(jù)交互，由于其具有更寬的頻譜范圍和模擬帶寬而受到廣泛應(yīng)用。Yun SDR320實驗平臺的基本硬件結(jié)構(gòu)由ZYNQ嵌入式處理器、AD9361射頻前端和電源電路三部分構(gòu)成。其中，嵌入式處理器采用Xilinx ZYNQ ZC7Z020 CLG400型號的SoC芯片完成信源的數(shù)字基帶信號處理過程。射頻前端采用ADI公司的AD9361芯片實現(xiàn)數(shù)字信號處理、數(shù)字上/下變頻、數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換、濾波、射頻收發(fā)等功能。Yun SDR320的硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 Yun SDR320硬件系統(tǒng)框圖

2 L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路物理層傳輸特性

L-DACS1是一個基于正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）多載波傳輸技術(shù)的航空移動通信系統(tǒng)，采用頻分雙工（Frequency-Division Duplex，F(xiàn)DD）的通信方式。系統(tǒng)前向鏈路采用OFDM傳輸技術(shù)，基本數(shù)據(jù)傳輸單元是超幀，工作頻段為985.5～1 085.5 MHz，比特傳輸速率為303～1 373 Kb/s。

2.1 L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路物理層技術(shù)參數(shù)

L-DACS1系統(tǒng)物理層的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 L-DACS1系統(tǒng)物理層的主要技術(shù)參數(shù)

L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路OFDM系統(tǒng)子載波總數(shù)為64個，其中包含50個有效子載波，14個直流子載波和空子載波，子載波間隔為9.765 625 kHz，射頻信道帶寬為498.05 kHz。OFDM符號總長度為120 μs，其中有效符號長度為102.4 μs，循環(huán)前綴長度為17.6 μs。

2.2 L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路幀結(jié)構(gòu)

L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路的超幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。每個超幀由1個廣播（BC）幀和4個多幀（MF）組成，其中，廣播幀用于傳輸前向鏈路的廣播信息，多幀用于承載高層的調(diào)制符號。每個廣播幀的持續(xù)時間為6.72 ms，由3個子幀組成，分別是BC1、BC2和BC3，BC1和BC3子幀完全相同，持續(xù)時間為1.8 ms，BC2子幀的持續(xù)時間為3.12 ms。每個多幀的持續(xù)時間為58.32 ms，由9個長度可變的Data/CC子幀組成，Data/CC子幀的持續(xù)時間為6.48 ms。每個超幀的持續(xù)時間為240 ms，可以傳輸?shù)腛FDM符號總數(shù)為2 000個。

圖2 L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路超幀結(jié)構(gòu)

BC1/BC3子幀結(jié)構(gòu)如圖3所示，每個子幀包含三部分：同步符號、數(shù)據(jù)符號和導(dǎo)頻符號。其中，同步符號用于接收機建立超幀同步，定位幀頭的準確起始位置；數(shù)據(jù)符號用于承載高層的比特信息；導(dǎo)頻符號用于接收機進行信道估計。

圖3 BC1/BC3子幀結(jié)構(gòu)

BC2、Data/CC子幀結(jié)構(gòu)與BC1/BC3子幀結(jié)構(gòu)類似，其參數(shù)如表2所示。

表2 前向鏈路子幀參數(shù)

3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路通信平臺主要包括兩個部分，即PC端和Yun SDR320設(shè)備，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路通信平臺結(jié)構(gòu)圖

在發(fā)射端，由發(fā)送端PC產(chǎn)生的數(shù)字基帶信號通過千兆以太網(wǎng)線送入DSP處理器完成數(shù)字調(diào)制，再由數(shù)字上變頻器將基帶信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹蓄l信號，之后經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號，通過射頻部分將模擬信號放大到足夠功率，由天線發(fā)射到無線信道中。在接收端，由天線接收到的無線電信號經(jīng)過射頻放大后對其進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字化之后的信號經(jīng)過數(shù)字下變頻器將中頻信號轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐盘?，然后將基帶信號送入DSP處理器完成數(shù)字解調(diào)，將解調(diào)后的信號通過千兆以太網(wǎng)線送入接收端PC恢復(fù)出原始發(fā)送序列。Y320的參數(shù)配置如表3所示。

表3 Y320的參數(shù)配置

3.2 發(fā)射機的實現(xiàn)

L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路發(fā)射機主要由編碼交織、調(diào)制、映射成幀和加窗成型幾部分構(gòu)成，其實現(xiàn)框圖如圖5所示。

圖5 L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路發(fā)射機的實現(xiàn)框圖

為了將傳輸?shù)谋忍匦蛄须S機化，信源產(chǎn)生的比特序列首先經(jīng)過比特擾碼處理；選擇合適的編碼方式，其中，外編碼采用RS編碼，其參數(shù)設(shè)置如表4所示，內(nèi)編碼采用（171，133，7）卷積碼；之后根據(jù)傳輸幀的類型選擇合適的交織方式，其中，廣播（BC）幀采用的交織方式為螺旋交織，Data/CC幀采用的交織方式為塊交織與螺旋交織，其參數(shù)設(shè)置如表5所示。

表4 RS編碼器的參數(shù)設(shè)置

表5 螺旋交織器的參數(shù)設(shè)置

對編碼和交織后的比特序列進行符號調(diào)制；將符號調(diào)制后的序列與生成的導(dǎo)頻序列、同步序列分別映射到BC1、BC2、BC3子幀及Data/CC子幀；根據(jù)L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路超幀結(jié)構(gòu)將各子幀組合成為一個超幀，再將超幀通過IFFT完成OFDM符號調(diào)制；最后插入循環(huán)前綴（CP），進行時域加窗處理，通過并/串轉(zhuǎn)換將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，通過千兆以太網(wǎng)線傳送到Y(jié)320。至此實現(xiàn)了L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路的發(fā)射機部分設(shè)計。

3.3 接收機的實現(xiàn)

L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路接收機主要由同步、信道估計、信道均衡和解調(diào)譯碼等部分構(gòu)成，其實現(xiàn)框圖如圖6所示。

圖6 L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路接收機的實現(xiàn)框圖

Y320接收到的信號經(jīng)過千兆以太網(wǎng)線傳送到PC端，將得到的信號首先根據(jù)廣播（BC）幀的特定結(jié)構(gòu)確定出超幀幀頭的大概起始位置，建立接收機的超幀同步，然后利用前向鏈路各數(shù)據(jù)幀的同步符號獲得接收信號的載波頻偏，并對其進行補償，之后利用同步符號進行細定時同步，確定出超幀幀頭的準確起始位置；從接收數(shù)據(jù)中提取出一個完整的超幀，并進行串并轉(zhuǎn)換，移除CP，之后通過FFT完成OFDM解調(diào)；將解調(diào)之后的超幀進行幀拆解，拆解出BC1、BC2、BC3子幀和Data/CC子幀；移除子幀中的空子載波和直流子載波，分別提取子幀中的導(dǎo)頻符號進行信道估計，并根據(jù)各個子信道的信道估計值進行一維線性插值，之后進行信道均衡；將信道均衡之后的數(shù)據(jù)移除導(dǎo)頻符號，進行并串轉(zhuǎn)換；根據(jù)傳輸幀的類型，對得到的串行數(shù)據(jù)進行解調(diào)、解交織和譯碼，其中解交織和譯碼的參數(shù)設(shè)置均與發(fā)射機保持一致；最后經(jīng)過解擾恢復(fù)出原始發(fā)送比特序列。至此實現(xiàn)了L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路的接收機部分設(shè)計。

4 測試及分析

為了測試基于Y320的L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路發(fā)射機與接收機設(shè)計的正確性，本文從發(fā)射機超幀功率譜圖、接收機接收信號功率譜圖和子幀星座圖的收斂程度三方面進行觀測。

L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路發(fā)射機超幀功率譜圖如圖7所示。由發(fā)射機功率譜圖可以觀測出，L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路的射頻信號帶寬接近0.5 MHz，零頻處為直流，不傳輸任何信息，測試結(jié)果與L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路發(fā)射機標準一致。

圖7 L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路發(fā)射機超幀功率譜圖

L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路接收機超幀功率譜圖如圖8所示。

圖8 L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路接收機超幀功率譜圖

由接收機功率譜圖可以觀測出，接收機接收到的信號功率譜帶寬也接近0.5 MHz，零頻處為直流，證明了接收機成功接收到發(fā)射機發(fā)送在空中的調(diào)制信號。

在L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路發(fā)射機采用QPSK調(diào)制方式的情況下，利用子幀中的導(dǎo)頻符號進行信道估計和均衡之后的星座如圖9所示。

圖9 均衡之后的星座圖

其中，圖9a）是BC1/BC3子幀均衡后的星座圖；圖9b）是BC2子幀均衡后的星座圖；圖9c）是Data/CC子幀均衡后的星座圖。

由均衡之后的星座圖可以觀測出，BC1、BC2、BC3、Data/CC子幀的星座點收斂較好，滿足設(shè)計需求。

5 結(jié)語

本文按照L-DACS1系統(tǒng)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)參數(shù)和超幀結(jié)構(gòu)，基于軟件無線電Y320和Matlab設(shè)計實現(xiàn)了LDACS1系統(tǒng)前向鏈路的發(fā)射機和接收機，并進行了發(fā)射機和接收機的聯(lián)調(diào)測試。通過測試發(fā)射機和接收機功率譜圖、觀測星座圖的收斂性，可以證明所設(shè)計的LDACS1系統(tǒng)平臺運行有效，該平臺將用作后續(xù)算法研究的實際驗證平臺。