湯衛(wèi)紅，朱云昊

軟件無線電技術(shù)及其在艦用雷達(dá)裝備中的應(yīng)用探討

湯衛(wèi)紅，朱云昊

（海軍裝備部）

軟件無線電技術(shù)的產(chǎn)生推進(jìn)了國(guó)內(nèi)外電子技術(shù)領(lǐng)域的重大變革，隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步和成熟，軟件無線電的軍事應(yīng)用已成為必然。介紹了軟件無線電的歷史及國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀，簡(jiǎn)述了關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)其在艦用雷達(dá)裝備中的應(yīng)用提出了初步設(shè)想。

軟件無線電；互聯(lián)互通互操作；艦載雷達(dá)

0 引言

軟件無線電最早是美軍為了解決海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中多國(guó)部隊(duì)各軍種進(jìn)行聯(lián)合作戰(zhàn)時(shí)所遇到的互通互聯(lián)互操作（簡(jiǎn)稱“三互”）問題而提出來的一個(gè)新概念[1]。

由于以往的軍事通信裝備無論是工作頻段，還是信息傳輸格式或者是通信體制，各軍兵種各自為政，互不兼容，導(dǎo)致在聯(lián)合作戰(zhàn)時(shí)相互之間無法進(jìn)行快速溝通、互傳信息情報(bào)，其結(jié)果是名義上為聯(lián)合作戰(zhàn)，而實(shí)際上只是各軍種的簡(jiǎn)單參與，無法形成真正意義上的“聯(lián)合”。就工作頻段來說，陸軍主要工作在30 MHz～88 MHz，空軍主要工作在225 MHz～400 MHz，而海軍則主要以短波 2 MHz～30 MHz為主，且各軍種之間通信方式還存在調(diào)制方式不同，波形結(jié)構(gòu)不同，通信協(xié)議不同，數(shù)字信息的編碼方式、加密方式不同等差異。陸?？杖娚鲜鲞@些通信手段的差異，雖然克服了三軍間的相互干擾問題，但在軍兵種聯(lián)合作戰(zhàn)時(shí)互通、互聯(lián)、互操作問題仍然長(zhǎng)期存在[2]。

為了解決“三互”問題，各國(guó)軍方進(jìn)行了積極的探索，在這種情況下，軟件無線電的概念誕生了。其中心思想是：構(gòu)造一個(gè)具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái)，將通信設(shè)備的不同工作模式，如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件來完成，并使A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，以研制出具有高度靈活性、開放性的新一代無線通信系統(tǒng)。加載不同軟件模塊以實(shí)現(xiàn)不同的功能，形成各種調(diào)制波形和通信協(xié)議，可以非常方便地與舊體制的平臺(tái)通信，并通過軟件升級(jí)更新來實(shí)現(xiàn)新的功能，其硬件也可以像計(jì)算機(jī)硬件一樣不斷升級(jí)換代，大大提升了通信手段的靈活性與開放性[3]。

1 軟件無線電發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 能夠覆蓋所有的無線頻段的寬帶天線技術(shù)

為了覆蓋盡可能多的通信功能，天線頻段必須覆蓋這些通信手段的全部頻段。在如此寬的頻段內(nèi)要實(shí)現(xiàn)多種功能的靈活切換或同時(shí)使用，現(xiàn)有的天線體制必然不能滿足軟件無線電多功能多任務(wù)的需要，比較理想的方案是采用智能天線，結(jié)合數(shù)字多波束形成技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，通過自適應(yīng)的天線陣，靈活地實(shí)現(xiàn)各種所需的功能，滿足多任務(wù)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和系統(tǒng)容量高等要求。同時(shí)利用波形變換和處理算法提高信噪比，減少接收到的多徑信號(hào)數(shù)量，降低衰減。

1.2 具有良好線性的寬帶射頻前端技術(shù)

理想的軟件無線電要具有覆蓋全波段的能力，因此其射頻前端必須能夠在很寬的工作頻帶內(nèi)產(chǎn)生較好的線性增益，從而保證送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號(hào)具有很好的信噪比。目前射頻器件支持的相對(duì)帶寬有限，故在現(xiàn)有的軟件無線電系統(tǒng)中采用的技術(shù)方案是使用一組RF模塊覆蓋整個(gè)頻段。隨著寬頻段合成技術(shù)、低噪聲高性能半導(dǎo)體工藝技術(shù)的成熟，將出現(xiàn)非常靈活的射頻模塊。例如，高度小型化的多頻段多模式RF芯片成為射頻前端的主流技術(shù)。

1.3 高轉(zhuǎn)換速率及大動(dòng)態(tài)范圍的A/D、D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)

1.4 高速、高精度的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)

數(shù)字信號(hào)處理是整個(gè)軟件無線電系統(tǒng)的核心，主要完成數(shù)據(jù)處理、調(diào)制解調(diào)和編碼解碼等工作。要對(duì)這些數(shù)字信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的處理，對(duì)DSP的運(yùn)算速度、運(yùn)算能力、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量、數(shù)據(jù)吞吐速率都要求非常高。理想軟件無線電的A/D送入DSP模塊的數(shù)據(jù)就高達(dá)每秒幾千兆比特，對(duì)如此快的數(shù)據(jù)流僅完成濾波、變頻等處理普通DSP器件就無法實(shí)現(xiàn)，更無法兼顧波形變換等其他通信功能。因此，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)是制約軟件無線電發(fā)展另一個(gè)主要瓶頸。在目前的軟件無線電中，通常運(yùn)用多DSP并行技術(shù)來解決單個(gè)DSP處理能力的限制問題。

1.5 良好擴(kuò)展性和通用性的軟件技術(shù)

軟件無線電作為一種新的技術(shù)體制，最大特點(diǎn)是多功能的軟件化實(shí)現(xiàn)，由于軟件無線電的核心是數(shù)字信號(hào)處理，所以它改變了以往依靠硬件電路實(shí)現(xiàn)特定通信功能的設(shè)計(jì)方法，而是通過對(duì)數(shù)字信號(hào)處理器件進(jìn)行軟件編程，把要實(shí)現(xiàn)的通信功能算法以軟件的形式下載到可編程器件中以實(shí)現(xiàn)所需功能。在后續(xù)的工作中只要加載新的算法軟件或?qū)λ惴ㄟM(jìn)行修改，就可以完成通信功能的升級(jí)、實(shí)現(xiàn)不同功能的轉(zhuǎn)換。

1.6 開放式、可擴(kuò)展、可重構(gòu)的體系架構(gòu)

要實(shí)現(xiàn)多體制、多功能，且能不斷引入新的功能，適應(yīng)新的要求，軟件無線電的硬件平臺(tái)必須具有開放式、可擴(kuò)展、可重構(gòu)的特點(diǎn)，采用開放式體系架構(gòu)，將模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件單元通過標(biāo)準(zhǔn)接口構(gòu)成基本平臺(tái)，將A/D、D/A變換器盡量靠近天線，借助軟件動(dòng)態(tài)加載/卸載實(shí)現(xiàn)各種無線通信功能，進(jìn)而具備應(yīng)用軟件跨平臺(tái)的可移植、支持系統(tǒng)間互操作和資源共享能力、支持系統(tǒng)靈活配置和功能拓展能力、接口標(biāo)準(zhǔn)開放，便于多方實(shí)現(xiàn)。

2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

軟件無線電概念的產(chǎn)生引起了通信、雷達(dá)、電子戰(zhàn)、協(xié)同作戰(zhàn)等領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，在國(guó)內(nèi)外軍事領(lǐng)域得到了大力發(fā)展。美國(guó)是軟件無線電技術(shù)發(fā)展最快的國(guó)家，其中最典型的軟件無線電信系統(tǒng)是正在研發(fā)的聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（Joint Tactical Radio System，JTRS），其節(jié)點(diǎn)稱為聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電臺(tái)（Joint Tactical Radio，JTR），利用通用、開放的硬件平臺(tái)，通過不同的軟件配置可以在所有環(huán)境領(lǐng)域（如機(jī)載、地面、移動(dòng)、固定站、海上、個(gè)人通信等）中使用。JTR的工作頻段為2 MHz～2 GHz，具有即插即用通用性特點(diǎn)，具有模塊化硬件可現(xiàn)場(chǎng)配置、波形軟件可現(xiàn)場(chǎng)編程的能力，具有可擴(kuò)展物理結(jié)構(gòu)和開放式軟件結(jié)構(gòu)。JTR還支持UHF衛(wèi)星兼容通信、HAVE QUICK通信、VHF FM公眾通信等多種工作模式。

JTRS系統(tǒng)功能基本涵蓋了美國(guó)目前正在使用的所有通信手段，JTR電臺(tái)通過動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)形成JTRS系統(tǒng)，可以與己方所有節(jié)點(diǎn)通信、傳輸數(shù)據(jù)，可以作為GPS、手機(jī)和廣播使用，甚至通過軟件編程在一定條件下可以當(dāng)作簡(jiǎn)單的定位設(shè)備使用，其廣泛的兼容性、功能的多用性、體制的靈活性是任何傳統(tǒng)通信手段所無法比擬的。

3 軟件無線電技術(shù)在艦用雷達(dá)中的應(yīng)用探討

海軍是一個(gè)由潛艇、水面艦艇、航空兵、海軍陸戰(zhàn)隊(duì)等組成的多兵種多任務(wù)的軍種，信息化條件作戰(zhàn)時(shí)互聯(lián)互通問題更為突出，在海軍裝備上推廣應(yīng)用軟件無線電技術(shù)，具有很好的基礎(chǔ)條件和現(xiàn)實(shí)需求。

目前海軍艦艇上裝備有多種型號(hào)的雷達(dá)，按照任務(wù)使命可分為：遠(yuǎn)程對(duì)空警戒雷達(dá)、對(duì)海警戒雷達(dá)、搜索雷達(dá)、氣象雷達(dá)、火控雷達(dá)、引導(dǎo)雷達(dá)等；按雷達(dá)的工作體制可分為：連續(xù)波雷達(dá)、脈沖多普勒雷達(dá)、脈沖壓縮雷達(dá)、動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)、捷變頻雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)、合成孔徑雷達(dá)等。不同用途、不同功能的雷達(dá)對(duì)信號(hào)參數(shù)（載頻、脈寬、調(diào)制方式等）有不同的要求。例如對(duì)遠(yuǎn)程警戒雷達(dá)，為了減小大氣衰減對(duì)作用距離的影響，其工作頻率通常較低，一般選擇C～S波段，由于要求探測(cè)距離遠(yuǎn)，脈沖重復(fù)周期往往較長(zhǎng)；而火控雷達(dá)由于要求高的分辨率及精度，其工作頻率一般工作在X～Ka波段，其作用距離要求相對(duì)不高，所以會(huì)選擇較高的重頻。由于各種雷達(dá)均針對(duì)不同用途專門設(shè)計(jì)，造成了目前的雷達(dá)裝備功能單一、體制單一，無法滿足在復(fù)雜電磁環(huán)境下對(duì)不同屬性的目標(biāo)進(jìn)行智能化探測(cè)的需要和艦艇電磁兼容的要求。

軟件無線電技術(shù)應(yīng)用于艦載雷達(dá)的研制設(shè)計(jì)中，使用最少的硬件，通過軟件來實(shí)現(xiàn)不同類型的雷達(dá)功能復(fù)合，整合成為一部寬頻段、多任務(wù)的“軟件無線電雷達(dá)”，具備以下特點(diǎn)：

1）合理配置雷達(dá)工作模式，在不同功能之間靈活轉(zhuǎn)換，根據(jù)任務(wù)需要達(dá)到資源最優(yōu)化；

2）由于軟件無線電固有的靈活性，頻段、體制、脈沖形式、編碼方式、捷變頻算法可以隨時(shí)變化，使得抗干擾能力大幅度提升；

3）通過軟件調(diào)配資源，減少共性硬件設(shè)備量，減輕艦艇承載重量；

4）改善艦載電子設(shè)備電磁環(huán)境；

5）將雷達(dá)、通信、干擾、偵察等電子設(shè)備融為一體，成為綜合射頻系統(tǒng)，降低成本、提升質(zhì)量、增大威力。

軟件無線電技術(shù)在艦載雷達(dá)中的應(yīng)用研究可針對(duì)以下幾個(gè)方面開展：

3.1 開放式體系架構(gòu)研究

借鑒軟件無線電的研究成果，按照艦載雷達(dá)系統(tǒng)的功能進(jìn)行適當(dāng)粒度的分層、分解設(shè)計(jì)，明確各層/模塊功能、層間關(guān)系、信息交互接口。這些分解出的功能塊應(yīng)當(dāng)具有一定的可重用性，而且被業(yè)界普遍認(rèn)可。將這些功能塊的接口開放，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)雷達(dá)行業(yè)共享。開放式體系架構(gòu)將以部件為基礎(chǔ)，采用通用、開放的分層雷達(dá)基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)最可行、最實(shí)用的模塊化子功能以及開放式接口。體系架構(gòu)中的組件將獨(dú)立于運(yùn)行環(huán)境，可以在雷達(dá)系統(tǒng)之間交換和重用。

開放式雷達(dá)體系架構(gòu)應(yīng)當(dāng)采用能最大限度實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)重用的一系列開放式標(biāo)準(zhǔn)，以及開放、分層的雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型及結(jié)構(gòu)配置。雷達(dá)系統(tǒng)的每一層都將提供一系列可接入功能，這些功能由它的上一層來控制和使用。這樣，就可以在分級(jí)結(jié)構(gòu)的某個(gè)（或某些）指定層進(jìn)行雷達(dá)系統(tǒng)的描述、設(shè)計(jì)、開發(fā)、安裝、使用、改進(jìn)和維護(hù)，而且不會(huì)影響到其他層。此外，這樣還可以在不改變其他層的現(xiàn)有設(shè)備、程序和協(xié)議的前提下，通過對(duì)某個(gè)（或某些）層的修改來改變雷達(dá)系統(tǒng)的性能。

3.2 寬帶數(shù)字化射頻前端技術(shù)研究

目前，與信息處理計(jì)算技術(shù)的日新月異相比，射頻綜合技術(shù)和射頻重構(gòu)技術(shù)已經(jīng)成為雷達(dá)多功能、多任務(wù)化發(fā)展的瓶頸。要實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)一體化工作需要射頻前端具有超寬的工作頻帶。另外，雷達(dá)成像識(shí)別、通信擴(kuò)頻抗干擾、電子偵察，均需要系統(tǒng)具有較大的瞬時(shí)寬帶工作能力。這些能力需要寬帶數(shù)字化射頻前端來支撐，即：需要開展拓寬工作頻帶、增大數(shù)字接收通道數(shù)量、增強(qiáng)子陣可重構(gòu)性、開展低剖面、超寬帶高效輻射單元等方面的研究，為雷達(dá)系統(tǒng)提供更加靈活的布陣方式和多功能、多任務(wù)、可重構(gòu)能力支撐。

3.3 雷達(dá)信息處理中心硬件研究

針對(duì)雷達(dá)信息處理的特點(diǎn)，兼顧可發(fā)展性和可擴(kuò)展性，基于性價(jià)比最優(yōu)原則，開展基于集群商用刀片服務(wù)器構(gòu)建通用雷達(dá)信息處理中心硬件平臺(tái)的研究，針對(duì)甲方或第三方提出的雷達(dá)系統(tǒng)處理規(guī)模及任務(wù)特點(diǎn)，給出硬件設(shè)備選型指導(dǎo)、選擇原則，完成信息處理中心硬件平臺(tái)搭建?；诤诵慕粨Q原則，研究雷達(dá)信息處理中心內(nèi)部各計(jì)算節(jié)點(diǎn)間及信息處理中心與外部端設(shè)備間的內(nèi)外信息交換及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電氣標(biāo)準(zhǔn)、通信帶寬及通信協(xié)議選擇。

3.4 雷達(dá)信息處理中心軟件研究

雷達(dá)信息處理中心軟件采用開放式和層次化設(shè)計(jì)相結(jié)合方式，目標(biāo)是做到軟硬件解耦，軟件可移植、可裁剪、易獲得，支撐多個(gè)維度的面向第三方開發(fā)、最大化支持COTS插件集成。

以組件化分層設(shè)計(jì)的方法，屏蔽上層應(yīng)用開發(fā)與底層硬件。確定層次化軟件架構(gòu)，明確各層次功能及技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式，確定層間接口關(guān)系（數(shù)據(jù)傳遞、調(diào)用方式）及層次封裝結(jié)構(gòu)，通過對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)軟件不同配置改變雷達(dá)功能、參數(shù)和工作模式。

3.5 基于多服務(wù)器多處理器多核心的雷達(dá)信息處理并行計(jì)算技術(shù)研究

采用商用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的信息處理任務(wù)在原理上是毋庸置疑的，之前沒有大規(guī)模推行的主要原因是實(shí)時(shí)性不能滿足裝備的工程需求。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)轉(zhuǎn)向核心數(shù)增加提升性能途徑后，原本雷達(dá)信息處理任務(wù)的高并發(fā)、大容量、強(qiáng)實(shí)時(shí)難點(diǎn)，可通過多計(jì)算核心多線程方式予以克服。研究的主要內(nèi)容包括并行計(jì)算的幾種途徑、主要的商用并行計(jì)算特點(diǎn)和條件、并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)在物理板卡和基礎(chǔ)軟件方面的需求、雷達(dá)數(shù)字化信號(hào)處理算法及數(shù)據(jù)處理算法特點(diǎn)等，旨在尋找出適合雷達(dá)信息處理的并行計(jì)算條件與方法。

4 結(jié)論

可以看出，軟件無線電技術(shù)的應(yīng)用不僅可以滿足互聯(lián)互通的軍事需求，而且可以使裝備的功能高度集成、應(yīng)用更加靈活。此外，由于軟件無線電的大部分功能通過軟件實(shí)現(xiàn)，與硬件關(guān)聯(lián)較少，故在較大程度上提高了設(shè)備的可靠性與維修性，且便于設(shè)備硬件升級(jí)，所以軟件無線電在軍事中的應(yīng)用越來越成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)，標(biāo)志著電子技術(shù)從硬件到軟件的飛躍。盡管目前數(shù)字信號(hào)處理器的運(yùn)算能力仍不能完全達(dá)到軟件無線電的要求，但隨著計(jì)算機(jī)、微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，軟件無線電技術(shù)的軍事應(yīng)用已成為必然趨勢(shì)。

[1] 王庭昌. 軟件無線電技術(shù)的回顧與展望[J]. 現(xiàn)代軍事通信，2007，15（3）：1-7．

[2] 鈕心忻，楊義先. 軟件無線電技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：北京郵電大學(xué)出版社，2000.

[3] 楊小牛，婁才義，徐建良. 軟件無線電原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)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。

湯衛(wèi)紅（1972.09—），湖南岳陽(yáng)人，正高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)工程。