软件无线电及其在军事中的应用

      由于无线通信具有设备简单、便于携带、易于操作、架设方便等特点，在军事通信领域是不可缺的重要通信手段。然而，军用电台是根据某种特定的用途而设计的，功能单一，有些电台的基本结构相似，而信号特征差异很大。例如，工作的频段不同，调制方式不同，通信协议不同，数字信息的编码方式、加密方式不同等。电台之间的这些差异极大地限制了不同电台之间的互连互通。1992年，MILTRE公司的Jeo Mitola首先明确提出了软件无线电的概念。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，将各种功能，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，并使宽带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。

　　  软件无线电基本结构

　　  软件无线电主要由天线、射频前端、宽带A/D-D/A转换器、通用和专用数字信号处理器以及各种软件组成。其结构框图见图1。

　　  射频前端在发射时主要完成上变频、滤波、功率放大等任务，接收时实现滤波、放大、下变频等功能。模拟信号进行数字化后的处理任务全由DSP软件承担。为了减轻通用DSP的处理压力，通常把A/D转换器传来的数字信号，经过专用数字信号处理器(如数字下变频器DDC)处理，降低数据流速率，并把信号变至基带后，再把数据送给通用DSP进行处理。通用DSP主要完成各种数据率相对较低的基带信号的处理，例如信号的调制解调，各种抗干扰、抗衰落，自适应均衡算法的实现等，还要完成经信源编码后的前向纠错(FEC)、帧调整、比特填充和链路加密等算法。目前人们对软件无线电的研究日趋深入细致，理论上已基本成熟，正在进行各种应用的具体实践。下面主要介绍软件无线电在军事通信和电子战中的典型应用。[page]

　　  软件无线电在军事通信中的应用

　　  软件无线电这个术语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问题而提出来的一个新概念。因为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，陆、海、空三军均各自为政，互不兼容，导致在联合作战时各军种间无法进行快速沟通、互传信息情报，结果是名义上的联合作战，而实际上只是各军种的简单参与，完全形成不了真正意义上的“联合”，为了解决上述问题，1995年美国国防高级研究设计局(DARPA)提出了SPEAKeasy计划，称之为“易通话”计划。该计划的最终目的是开发一种能适应联合作战要求的三军统一的多频段、多模式电台即MBMMR(Multi-Band Multi-Mode Radio)电台。MBMMR电台不仅能与常规的HF、VHF、UHF电台通信，而且还能与SINC-GARS、Have-QuickⅡ跳频电台以及卫星通信终端、Link11数据链终端、EPLRS设备等非常规通信装备进行话音通信和数据或视频传输，同时还能接入民用蜂窝系统，而且还具备GPS定位和定时同步功能。MBMMR电台的组成框图如图2所示。

　　  对于接收过程，首先通过接收信道进行频率变换，把射频信号变换为中频信号，然后进行A/D采样，把模拟信号变换为数字信号。高采样率的数字信号首先经过预处理，根据所接收的信号带宽进行抽取滤波，并形成正交基带信号，然后送到波形处理器进行解调，得到话音或数据、视频信息。通过波形处理器得到的解调数据并不马上送到人机接口单元进行监听或显示，而是首先经过信息安全性检测。信息安全监控单元的作用主要是进行信息加密和解密，并进行身份合法性9鉴定，以确保信息安全。发射过程与接收过程正好相反。另外，这种多频段多模式电台除了完成一般的通信电台的功能外，还可以用作无线网关，即在两个不同制式的电台之间起到制式转换的作用。例如Have-Quick电台与Link11终端用户之间的通信就可以通过MBMMR电台来实现。它首先把Have-Quick的信号接收下来进行解调后，再重新按Link11的波形要求调制到Link11终端用户的频率上，并发射出处，反之亦然。

　  　软件无线电在电子战中的应用

　  　软件无线电的概念虽然最早是从通信领域产生并迅速发展起来的，而且目前的研究热点也在通信领域，但是软件无线电这种新概念、新思想及其逐步形成的新理论、新技术在电子战中也有广阔的应用前景。电子战的最主要的特点是频段宽(几乎覆盖整个无线频段)，待处理的信号的种类多，而且是处于被动接收的条件下工作。而且目前的电子战系统往往都是在已知或者在事先假设的几种信号样式下进行工作的，一旦目标信号特征或通信方式发生变化，该系统就无能为力，必须研制开发新的电子站系统来适应这种变化，带来的后果不仅仅是提高了装备费用，而且往往会失误战机。所以，研究开发一种工作频段宽，波形适应能力强，可扩展性好，既能适应通信信号，也能适应雷达信号，还能适应导航和敌我识别信号的综合电子战系统是现代信息战争的必然要求，软件无线电是解决这一问题的最佳技术途径。

　　  软件化电子侦查接收机

　　  所谓软件化电子侦察接收机是指基于软件无线电原理而实现的用于对目标信号进行分析识别、特征提取和参数测量，对通信信号还能解调信息的电子战侦察分析接收机。这种接收机不仅能对各种通信信号(包括卫星通信信号、遥控遥测信号)进行侦察分析，也能对雷达信号、导航信号或者是敌我识别信号进行侦察分析，是一种多频段、多模式、多功能的电子接收机。这种接收机对波形的适应性要求很高，对信号分析处理的功能要求更强，而且频带要求也更宽。其组成框图如图3。

　　  图中A/D之前的分频段天线、模拟前端电路、模拟中频变换电路都是为了适应宽频带的要求而设置的模拟信号处理环节。0.1MHz~60GHz如此宽的频段用一个通道来实现显然是非常困难的，所以在图中的模拟处理环节画出了多个通道(多个一中频)以对应不同的频段，如0.1MHz~2000MHz，2GHz~4GHz，4GHz~8GHz，8GHz~16GHz，16GHz~30GHz，30GHz~60GHz。空中电磁信号通过天线感应形成电压被送到模拟前端电路进行滤波、放大和混频，被变换为一中频信号。一中频信号的中频频率将根据不同的频段选取不同的频率值，以能较好地满足互调抑制、中频抑制、镜像抑制等要求。不同的一中频信号再经过中频变换模块变换为统一的二中频信号。二中频之频率为固定值，二中频信号被放大到足够电平后，送到高速A/D进行采样数字化，高速A/D数据再送到后续的正交数字下变频单元，进行正交变换和采样率变换，得到与信号带宽相适应的正交低速率的数字信号，以便与后续的DSP进行信号特征的提取与分析识别和参数测量，对通信信号则可进行解调侦收。

　　  这种基于软件无线电原理的电子战侦察接收机，不仅具有广泛的波形适应性，信号带宽适应性，而且具有很强的功能扩展性，而这种适应能力或可扩展性完全都是建立在同一硬件平台上，通过加载不同的分析处理软件来完成的。所以，这种软件化电子战侦察接收机将是未来综合电子战的发展方向。[page]

　    软件化通信电子战干扰发射机

　　  软件化干扰发射机在一个通用扩展的硬件平台上，采用软件实现各种干扰样式的形成以及干扰信号的整个产生过程。开发式的硬件平台只涉及发射信号的载频(外部)特征，发射信号的内部特征完全由不同的软件来定义。载频特征一般来讲是相对固定的，而由软件定义的内部特征(干扰样式)可以升级换代，以适应目标信号特征的千变万化。软件化干扰发射机的原理框图见图4。

　　  图4中所示为干扰发射机的通用硬件平台。驻留在干扰样式产生模块中的DSP软件的作用就是产生两个反映干扰信号内部特征的正交数据I(n)、Q(n)，它们由以下两式表示：

　  　I(n)=a(n)×cosφ(n)

　　  Q(n)=a(n)×sinφ(n)
 
　　  式中，I(n)、Q(n)分别为发射信号J(n)的幅度和相位，即：

　　  J(n)=a(n)×cos(ω0n+φ(n))

　　  而上式中的载频ω0的可变范围将由硬件平台决定，具体的发射频率值则由软件来控制。图中所示干扰发射机的数字上变频采用的是DDS作为数字本振，转换速度是很快的，所以这种软件化干扰发射机也同样实用于对跳频信号的快速跟踪干扰。

　　  结语

　    软件无线电的主要特点为：

　  　● 具有很强的灵活性。软件无线电可以通过增加软件模块，很容易增加新的功能。可以与其他任何电台进行通信，并可以作为其他电台的射频中继。可以通过无线加载来改变软件模块或更新软件。为减少开支，可以根据所需功能的强弱，取舍选用的软件模块。

　  　● 具有较强的开放性。软件无线电由于采用了标准化、模块化的结构，其硬件可以随着器件和技术的发展而更新或扩展，软件也可以随需要而不断升级。软件无线电不仅能和新体制电台通信，还能与旧体制电台兼容。这样，即延长了旧体制电台的使用寿命，也保证了软件无线电本身有很强的生命周期。

　　  由于软件无线电所具有的灵活性、开放性等特点，使其不仅在军、民无线电通信中获得了应用，而且将在其他领域例如雷达、信息化家电等领域得到推广。但是，软件无线电也面临着许多技术挑战，包括低功耗、小型化技术;宽带高速A/D变换;高速并行DSP数字处理;射频前端和天线技术等问题。这些技术决定着软件无线电的发展和实现。多年来在这方面的努力也从未停止过，这些技术仍在不断的发展。