張 玲， 敖 佳， 蔣秦芹

（①保密通信重點(diǎn)實驗室，四川 成都 610041；②中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng) (JTRS,Joint Tactical Radio System)是美國國防部在軟件無線電基礎(chǔ)上，為三軍研發(fā)的新一代無線電系統(tǒng)?？蔀榭罩小⒌孛?、海上部隊提供2 MHz～2 GHz頻段的話音、視頻和數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)。未來的應(yīng)用中，利用軟件通信體系結(jié)構(gòu)(SCA,Software Communications Architechture)平臺實現(xiàn)波形，即可達(dá)到聯(lián)合作戰(zhàn)電臺互通要求。

在JTRS所包括40多種波形中，寬帶組網(wǎng)波形(WNW，Wideband Networking Waveform)編號 W5尤其引人關(guān)注。WNW 的波形技術(shù)體制的先進(jìn)性將引領(lǐng)數(shù)據(jù)鏈波形建設(shè)的發(fā)展。

為對美軍JTRS系統(tǒng)以及WNW波形進(jìn)行深入分析，掌握其波形特征和技術(shù)體制，本文在參考WNW波形的基礎(chǔ)上，在SFF SDR軟件無線電開發(fā)平臺上，以MATLAB/Simulink軟件為主要開發(fā)工具實現(xiàn)了一種基于正交頻分復(fù)用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplex）模式的寬帶組網(wǎng)波形。給出了波形仿真與實現(xiàn)結(jié)果，以期對美軍WNW波形研究起到借鑒作用。

1 WNW波形介紹

WNW是一種新的波形協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，可實現(xiàn)話音、數(shù)據(jù)、視頻一體化無縫傳遞。具有針對戰(zhàn)場惡劣條件而設(shè)計的自適應(yīng)寬帶數(shù)據(jù)傳輸能力，支持不低于2 Mb/s網(wǎng)絡(luò)吞吐量，預(yù)計達(dá)到5 Mb/s的端對端吞吐量，通信頻段范圍2 MHz～2 GHz。WNW網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計支持與地面和海上移動平臺間的連接及地面與海上平臺之間的通信連接，平臺移動速度大于 193.116 km/h。

WNW波形利用Reed-Solomon碼和Turbo-Code碼前向糾錯技術(shù)，采用了單/多載波、糾錯編碼(聯(lián)合編碼)、OFDM、交織、時分多址接入（TDMA, Time Division Multiple Address）、擴(kuò)頻等關(guān)鍵技術(shù)。

2 波形設(shè)計

美軍 JTRS波形的標(biāo)準(zhǔn)尚未公開，但許多波形與802.X系列的組網(wǎng)波形（如802.11、802.16）相類似[1-2]。參照美軍WNW波形的OFDM模式，寬帶波形具體參數(shù)設(shè)計如表1所示，物理層幀格式參考802.11a 協(xié)議[3]。

表1 寬帶波形具體參數(shù)設(shè)計

3 波形仿真與實現(xiàn)

3.1 開發(fā)平臺

Lyrtech公司的 SFF SDR平臺整體框架如圖1所示。由3層板卡組成，分別為信號處理模塊，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊與射頻模塊。其中，信號處理模塊包括型號為DM6446的DSP和Virtex-4 SX35的FPGA，DSP與FPGA通過VPSS(VPFE和VPBE) 接口連接。數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊包括 TI公司 16位雙通道的DAC5687和14位單通道的ADS5500，信號處理模塊的FPGA與數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊相連。射頻模塊包括一對SMA接口的射頻天線負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收發(fā)，與數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊相連。

波形邏輯的開發(fā)，以MATLAB/Simulink為主要的開發(fā)工具。對于SCA兼容組件的開發(fā)，主要是采用PRISMTECH公司的SPECTRA POWER TOOLS軟件進(jìn)行SCA兼容組件模型設(shè)計，它將邏輯模型生成的代碼封裝成與SCA兼容的組件。

3.2 MATLAB/Simulink建模

結(jié)合802.11a協(xié)議中關(guān)于OFDM技術(shù)的基帶調(diào)制算法描述，將收發(fā)系統(tǒng)按照模塊劃分如圖2所示。利用MATLAB的 Simulink模塊庫所帶的基礎(chǔ)模塊，通過相應(yīng)的組合與連接，封裝成子系統(tǒng)以實現(xiàn)各模塊功能，建模實現(xiàn)如圖3所示。

數(shù)據(jù)處理由DSP與FPGA分工完成。在DSP部分完成信號的編碼、交織、QPSK調(diào)制映射以及導(dǎo)頻插入功能，在FPGA部分完成成形濾波、OFDM、上采樣、D/A轉(zhuǎn)換及相反過程。單平臺收發(fā)數(shù)據(jù)采用VPFE與VPBE模塊作為DSP與FPGA之間的交互接口，當(dāng)采用多平臺進(jìn)行傳輸時，使用前向接口VPBE或后置接口VPFE。

4 仿真及性能

4.1 幀信號的檢測

幀信號的檢測依靠前十個時域訓(xùn)練序列，采用兩個相關(guān)量來檢測信號。第1個相關(guān)量為將接收的信號和延遲一個短前導(dǎo)字長度即0.8μs的本身進(jìn)行相關(guān)：

第2個相關(guān)量為將接收的信號和本地已知的短前導(dǎo)字序列相關(guān)：

其中，N是短前導(dǎo)字的樣值點(diǎn)數(shù)16，假設(shè)r（i）為單倍采樣后的信號，c(n)為本地已知的前導(dǎo)字序列。采用橫向濾波器進(jìn)行相關(guān)。

仿真結(jié)果如圖4所示。SNR=0時，超過設(shè)定的相對門限0.5，且連續(xù)觀測十個符號周期，統(tǒng)計超過門限的相關(guān)峰數(shù)目?？梢?，有10個峰值都超過門限概率為0.9，有9個峰值超過門限一個沒有的概率為0.1。經(jīng)仿真各信噪比下的峰值概率情況，曲線與上圖重合。判定連續(xù)2個超過門限即可認(rèn)為信號序列到來。

4.2 頻偏估計

頻偏估計分為粗頻偏估計和細(xì)頻偏估計。采用10個短前導(dǎo)字序列的最后兩個進(jìn)行粗頻偏估計[4]。項目中設(shè)置頻偏為200 kHz＝0.53個子載波間隔時，子載波粗估計后相對子載波間隔歸一化后的頻偏與 SNR關(guān)系如圖5。可見，高斯信道下粗頻偏估計之后的殘留頻偏在信噪比大于等于5時小于8%子載波間隔。

細(xì)頻偏估計采用文獻(xiàn)[4]中提出的路徑延時估計算法。它在初始符號同步的基礎(chǔ)上，估計多徑信道中第一徑的延時，將同步誤差控制在一個OFDM采樣時鐘間隔內(nèi)，從而使得后續(xù)的采樣時鐘同步的反饋環(huán)路能夠鎖定在第一徑上。使用64點(diǎn)訓(xùn)練序列進(jìn)行頻偏估計 0.5子載波的頻偏偏差剩余頻偏與信噪比的關(guān)系如圖6所示。

圖5 粗頻偏估計性能曲線

圖6 細(xì)頻偏估計性能曲線

4.3 系統(tǒng)性能

高斯信道下，系統(tǒng)性能曲線如圖 7所示，其中1/2卷積碼采用生成多項式為（171,133）的（2,1,7）卷積碼。

4.4 業(yè)務(wù)實現(xiàn)

測試環(huán)境由3個節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，SFF SDR平臺實現(xiàn)寬帶組網(wǎng)波形物理信道，PC機(jī)實現(xiàn)了組網(wǎng)協(xié)議和數(shù)傳業(yè)務(wù)。圖8為組網(wǎng)后PC機(jī)主控程序收到的數(shù)據(jù)顯示。

圖8 組網(wǎng)后PC機(jī)主控程序收到的數(shù)據(jù)顯示

5 結(jié)語

本文在參考 WNW 波形的基礎(chǔ)上，基于 SFF SDR軟件無線電開發(fā)平臺，以 MATLAB/Simulink為主要的開發(fā)工具實現(xiàn)了一種基于OFDM模式的寬帶組網(wǎng)波形，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，為研究美軍WNW波形起到借鑒作用。下一步將著重于寬帶波形在更先進(jìn)SDR平臺上的實現(xiàn)。[1] KEVIN M. Mapping Waveforms to Systems: What Would a Wildband Networking Waveform System Require?[J].Military embedded systems, 2005(10): 38-41.

[2] 周先軍,周丹,李利榮,等. IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)分析[J].通信技術(shù)，2009,42 (07):262-264.

[3] 陳月云,丁青子,鄧曉輝. 一種基于 IEEE 802.11a的PHY-MAC跨層設(shè)計[J]. 通信技術(shù), 2009,42(08):238-240.

[4] YANG Baoguo, LETAIEF K B, CHENG R S, et al.Timing Recovery for OFDM Transmission[J].IEEE Journal on Selected Areas in Commu, 2000(18):2278-2291.