基于软件无线电的短波通信系统设计
杨益
摘要：随着人们对通信的要求越来越高，各种新技术在通讯设计过程中的应用也越来越广泛。短波通信系统的设备繁多，操作比较复杂，而且升级成本高。随着通信行业的不断发展，未来其发展趋势是集通信、导航一体化。对此，文章提出了在软件无线电基础上进行短波通信系统的优化设计，主要包括硬件平台设计和软件系统设计两个方面。
关键词：软件无线电；短波通信系统；硬件设计；软件设计
在短波通信系统的设计过程中可以考虑软件无线电技术，对现有的业务波形进行模块化封装，也可以对硬件模块进行升级，从而实现对通信系统功能的升级，在短波通信系统中加入这种新技术以及新体制波形，可以使得多个频段的波形实现整合，比如可以将25kH宽带波形、导航121等不同体制的波形进行融合，获得更加准确的通信数据，为通信连接过程中的难题提供了一个有效的解决途径。
1.基于软件无线电的短波通信系统总体设计思路
软件无线电技术是未来社会发展的一个必然产物，其具有很多优良的特性，比如开放性、灵活性、扩充性等都比较好，软件无线电顶层设计规范对通信设备的软件体系结构、硬件体系结构以及安全体系结构进行了确定，这种技术的应用是为了实现各种无线通信设备之间的硬件模块化以及软件的可移植操作，采用了开放的标准结构，通过各种共享的硬件组建以及软件的连接，实现硬件维护以及软件的功能升级，具体说来，其功能表现在两个方面：第一，在硬件上具有互相连通的特性，第二，在软件上可以实现多频段、多模式、多通道的通信。
基于软件无线电的短波通信系统的核心是软件，作为一个信号处理平台，其包括了3个重要的组成部分，分别是波形开发部署管理软件、硬件平台及软件平台。3个组成部分分别具有不同的功能，其中波形开发部署管理软件，主要是对波形组件的功能进行划分、重用，并且还要控制物理层波形代码的集成、波形分布的部署以及加载；硬件平台则主要采用总线式结构设计主要完成各种数据的收集、发出、模拟预处理等；软件平台则负责将各种硬件资源封装和描述，在具体的描述过程中需要使用逻辑软件，并且要在这些设备上加载一些不同的软件，实现对多种波形的控制。
2.基于软件无线电的短波通信系统的设计
2.1软件无线硬件平台架构
电系统有一个显著的特征，就是模块化，无论是硬件平台还是软件系统，都是实现模块化的，其中包括了很多个不同的功能模块，这些模块可以组合在一起成为一个整体的结构，在硬件平台设计中，各个模块组织之间的组合与搭配，必须要以提高硬件的容量为前提，以便能够满足未来更加广泛的信号覆盖需求，延长设备的使用寿命。在软件无线电系统的硬件平台中，常见的硬件模块组织有流水式、总线式、交换式结构3种，各个结构有其自身的特点，总线式结构相对于流水式结构，其功能模块之间的耦合性较低，但是可扩展能力较强。硬件平台包括了主控制模块、波形处理模块、RF收发模块，其中波形处理模块和RF收发模块还可以根据具体的配置情况，构成多频段、多通道的分布式信号平台。
在硬件平台系统中，其核心部位是波形处理模块，波形处理模块由AD/DA板和基带处理板组成。其中AD/DA板的结构是子板加载板，是为了对不同速率的波形进行处理，也要对不同波形体制进行支撑，基带处理板则采用了多片DSP+FPGA架构，可以与外界实现高速的数据传输，还能对传输情况进行控制。
RF接收模块则采用了超外差二次变频的分频段接收方式，在对频率进行选择的时候略有差异，第一中频的频率是80MHz，第二中频的频率是70MHz，其变频方式有两种，可以使得干扰信号与接收信号之间的频率差增大，便于带通滤波器滤除镜频干扰。在通信系统的电路上，可以对通信的通道进行选择，切换通道的时候所选择的开关有一分六和一分三的宽带高速射频开关，在这类通信通道上可以兼容3-30MHz频段内的多种波形，比如3kHz，25kHz和1MHz的窄、宽带业务波形，都可以在这个信号通道上进行传输。
另外，对于控制单元中的FPGA可编程单元，作为控制单元的主控器，所承载的任务较多，需要完成对本振芯片的寄存器配置、锁定检测，还要根据频率的变化进行开关切换，通过对不同的开关进行组合，实现不同信号之间的链接，还需要根据系统的工作状态，对供电结构进行优化，对于一些耗电量较大的元件可以自行关闭。
2.2软件平台架构的设计
随着操作系统、中间件等计算机领域的技术在软件无线电领域中的应用越来越广泛，软件无线电结构的层次化现象也越来越明晰，其中无线电软件平台主要包括6个层次。分别是板级支持包、网络协议栈和接口服务层、操作系统层、CORBA中间件层、核心框架层、应用层。通过该软件平台的架构，可以实现多种智能化控制功能，比如波形之间的互通互联性更强，在开发波形的时候，不需要首先对底层数据交换过程进行了解，直接利用现有的组件对波形进行重构，从而使得各种代码之間可以移植、可以重复、可以重构。
如图1所示，为软件平台的组成结构，在软件开发的时候使用的是sCAOE操作环境，在这个软件平台上包括核心框架和波形开发部署软件。主控制模块上运行针对硬件板卡和操作系统的SCAOE，另外，在主控制模块上运行的OE和上位机模块上运行的OE都可以满足SCA兼容的要求。
sCA波形集成开发环境采用基于模型的应用波形设计流程，对应用波形的可移植性和可重用性进行了提升，针对不同的SCAOE可以实现代码的自动生成，另外，在对波形逻辑代码进行编写测试的时候，可以将通过DSP与FPGA编译好的文件与框架容器代码进行有效的集成，生成符合具体规范标准的波形。但是，SCA并不是一种具体的波形的规范标准，而是一种基于DTD和POSIX技术的框架结构，主要用于对各种软件无线电的管理和部署。
在软件系统中还有一个重要的模块，就是要实现对波形的组件化开发，在SCA波形集成开发环境中，可以将主控制模块看成是一个节点，并且以这个节点为中心，运行相应的操作系统，并且能够在操作系统上加载SCA的操作环境。在对波形进行开发的时候是采用组件化方式进行的。以QPSK波形为例，在对这个波形进行开发的时候，可以简单地将其分为编码和解码两个过程，编码和解码的组件可以通过设置不同的参数，如依赖属性、吞吐量等，对所有待部署的芯片进行选择，比如FPGA和DSP都是可以选择使用的芯片，编码组件主要实现代码的输出功能，解码组件则主要实现代码的输入功能，通过编码和解码的过程，可以将代码传入到主控制模块中的相应模块，从而实现对波形的各个组件的有效控制。
3.结语
综上所述，随着通信行业的不断发展，对通信能力的要求也越来越大，基于软件无线电的短波通信系统可以实现中频和基带模块的通用化目的，还可以完成短波QPSK波形的组件化封装以及动态加载过程。在未来的发展过程中，还应该实现大动态宽带接收、高谐杂波控制等目的，使得通信技术不断更新，为通信行业的发展提供技术支持。
