李利 紀(jì)凱 韓東 張振媛

摘? 要：針對認知軟件無線電技術(shù)在軍用電臺和軍事電磁頻譜管理中的應(yīng)用問題，介紹了軟件無線電的概念、特點及關(guān)鍵技術(shù)。探討了軟件無線電在軍事通信中的應(yīng)用前景，給出了其在軍用多功能多模式短波電臺中的應(yīng)用實例。針對軟件無線電的新發(fā)展-認知無線電技術(shù)，分析了其在軍事動態(tài)電磁頻譜管理中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：軟件無線電;認知無線電;短波通信;頻譜管理

Abstract： Aiming at the application of cognitive software radio in military radio and spectrum management， this paper introduces the concept， characteristics and key technologies of software radio， and discusses its application prospect in military communication. The application of software radio in military multi-function and multi-mode short-wave radio is given， and its application in military dynamic electromagnetic spectrum management is analyzed for the new development of software radio-cognitive radio technology.

目前，陸、海、空等各軍兵種均裝備了大量的小型戰(zhàn)術(shù)無線通信裝備，這些小型戰(zhàn)術(shù)無線通信裝備種類繁多，如艦艇通常配置短波、超短波及微波等通信電臺。不同頻段的無線電臺在不同的作戰(zhàn)環(huán)境中會用于滿足不同的作戰(zhàn)任務(wù)需求，能夠?qū)崿F(xiàn)艦艇、戰(zhàn)斗機、航母等平臺之間既定的指揮、報知、協(xié)同通信。然而不同的通信頻段卻使得電臺之間很難做到隨時互通，而且同樣對艦艇、飛機等不同的通信作戰(zhàn)平臺來講，即便是在同一頻段內(nèi)的電臺也存在著互不兼容的情況。信息有可能需要經(jīng)過多條通信通路才能完成傳遞，大大降低了信息傳遞的時效性，也就更加難以達到現(xiàn)代海上作戰(zhàn)對戰(zhàn)術(shù)平臺越來越高的互聯(lián)互通要求。

現(xiàn)代的戰(zhàn)爭隨著科技化信息化的發(fā)展已經(jīng)不再僅僅由單一軍種就能夠完成任何一場作戰(zhàn)，而是陸?？仗祀娢鍌€領(lǐng)域的全面集成綜合。但是僅僅在陸?？杖娭校娕_的工作頻段各不相同、調(diào)制方式和抗干擾性能差異較大的問題就難以適應(yīng)三軍協(xié)同作戰(zhàn)的通信需求。軟件無線電的可編程硬件模塊的標(biāo)準(zhǔn)化，改變了軍用電臺專一用途的傳統(tǒng)設(shè)計思路。軍用電臺系統(tǒng)通過搭載相應(yīng)的軟硬件模塊就可以構(gòu)成一種能夠重新構(gòu)建通信功能的具有擴展能力的無線通信系統(tǒng)，降低了通信系統(tǒng)對不同硬件的依賴。

1 軟件無線電的概念和特點

軟件無線電[1-2]是一種不同于傳統(tǒng)體系架構(gòu)的通信系統(tǒng)，為了能夠?qū)崿F(xiàn)功能的多樣化統(tǒng)一化，它采用具有開放式和標(biāo)準(zhǔn)化硬件的模塊，突破以往以硬件為核心的設(shè)計思想，以軟件為核心大大降低了硬件的局限性。一方面，軟件無線電采用了能夠進行自主編程的標(biāo)準(zhǔn)硬件模塊，同時為了能夠滿足在不同平臺之間的聯(lián)通需求，采用了標(biāo)準(zhǔn)化的接口設(shè)置，把大部分接口進行了統(tǒng)一。另一方面，軟件無線電采用了開放式軟件架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)搭載相同軟件的平臺不被不同的硬件束縛而進行信息交換，使得系統(tǒng)計算機化。美國軍方首先開展了軍用軟件無線電臺-Speakeasy多頻段、多功能電臺的研制工作，其目的是采用標(biāo)準(zhǔn)化可編程模塊復(fù)用技術(shù)來研制一種能夠模擬15種以上現(xiàn)有電臺的海、陸、空通用的無線電臺。這種電臺能夠?qū)崿F(xiàn)多個頻段、多種波形以及多種抗干擾方式的覆蓋和使用的多業(yè)務(wù)能力。

1994年美軍對其設(shè)想和研究進行了第一階段模擬推演，推演的結(jié)果體現(xiàn)出了軟件無線電不僅僅在現(xiàn)實技術(shù)上的可行性，更在未來電臺的發(fā)展中具有舉足輕重的發(fā)展優(yōu)勢?；谲浖o線電技術(shù)的新型軍用電臺普遍具有綜合性、靈活性和可擴展性的明顯優(yōu)勢：

（1）綜合性。軟件無線電技術(shù)使得不同平臺、不同功能的電臺能夠兼?zhèn)渫瑫r處理多個通信頻段、多制式信號的能力，又能夠通過跳頻、自適應(yīng)、直接序列擴頻等多種抗干擾模式和技術(shù)進行抗干擾通信，也同時具有圖像、數(shù)據(jù)、話音等多種業(yè)務(wù)能力。

（2）靈活性。采用能夠進行自主編程的模塊和統(tǒng)一的接口設(shè)置，所有的相關(guān)接口進行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)置。這一措施使得軟件平臺可自由地實現(xiàn)各種直接數(shù)字頻率合成、寬帶數(shù)字濾波、數(shù)字上下變頻、信號的調(diào)制和解調(diào)、信道編碼包括差錯控制、信令控制、信道均衡、信源編碼及加密解密等重要結(jié)構(gòu)功能。

（3）可擴充性。采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，按照開放的標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)成各種電臺，通過軟件的升級和模塊的替換保證電臺較強的生命周期。同時，可以通過電臺裝載新的軟件升級模塊或替換單功能的硬件模塊來滿足新業(yè)務(wù)技術(shù)的不斷引入。

2 軟件無線電關(guān)鍵技術(shù)

與傳統(tǒng)電臺相比，基于軟件無線電技術(shù)設(shè)計的新型多功能電臺需要著重解決以下關(guān)鍵技術(shù)：

（1）寬帶天線和寬帶射頻技術(shù)。為了能夠滿足不同通信業(yè)務(wù)、方式、對象和多個通信數(shù)量的要求，軟件無線電天線包括射頻模塊的發(fā)射單元必須要做到能夠覆蓋多個通信頻段。

（2）寬帶A/D變換技術(shù)。軟件無線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)要求模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換貼近發(fā)射端，這也需要A/D變換器能夠與射頻相適應(yīng)，具有適當(dāng)?shù)牟蓸铀俾屎妥銐驅(qū)挼墓ぷ鲙挕?/p>

（3）高速數(shù)字信號處理。數(shù)字信號處理作為核心技術(shù)必須能夠?qū)崿F(xiàn)基帶處理、調(diào)制解調(diào)、編碼解碼、直接序列擴頻和跳頻處理等多項功能，應(yīng)滿足高速處理和軟件重構(gòu)雙重要求。

（4）通用信令處理。當(dāng)軟件無線電嘗試進行多種平臺的互聯(lián)互通時，為了能夠提高各種系統(tǒng)之間的通信有效性，就需要使用統(tǒng)一的“語言”，因此通用的信令處理就有著舉足輕重的意義。

3 軟件無線電的軍事應(yīng)用

3.1 軟件無線電的軍事應(yīng)用前景

從軍事應(yīng)用角度來說，未來聯(lián)合作戰(zhàn)對戰(zhàn)術(shù)通信裝備無論從通用性和協(xié)同性上都有著更高的要求，同時戰(zhàn)術(shù)通信裝備必須具有高度的靈活性和良好的互操作性。而軟件無線電技術(shù)的出現(xiàn)，為達成上述要求提供了有效的技術(shù)途徑。軟件無線電在軍事通信中的深入實現(xiàn)可達到以下目的：

（1）實現(xiàn)裝備體制的統(tǒng)一化。通過模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化以及通用化的設(shè)計，兼容三軍通信裝備，增強協(xié)同及互聯(lián)互通能力，真正實現(xiàn)三軍協(xié)同聯(lián)合作戰(zhàn)。

（2）通過業(yè)務(wù)綜合集成和性能提升降低裝備數(shù)量和種類。以多頻段、多功能電臺取代數(shù)量龐大、種類繁多的傳統(tǒng)電臺，可在兼容原有電臺的基礎(chǔ)上，減少電臺種類，從而降低裝備維護難度和維護費用。

（3）延長裝備服役期限。軟件無線電無需更換硬件模塊，通過軟件的升級更新就可以實現(xiàn)裝備升級及功能拓展，延長了裝備可用性和服役周期。

（4）構(gòu)建戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)。利用軟件無線電可在各頻段、各網(wǎng)絡(luò)間實現(xiàn)通信模式、通信鏈路的自動選擇、探測和切換，使得可靠的戰(zhàn)術(shù)通信更具實時性和頑存性。

3.2 軟件無線電在軍用多功能多模式短波電臺中的應(yīng)用

短波通信隨著信息網(wǎng)絡(luò)的進步不斷發(fā)展壯大，但短波網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展卻始終離不開對互操性及標(biāo)準(zhǔn)化的要求。為了更好地促進短波的互聯(lián)互通，短波臺站可以進行有線互連。這樣的連接使得為機動用戶提供接入服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化組織運用模式受到了廣泛重視。

與上一代短波通信相比，新一代短波通信在通信同步、頻譜協(xié)調(diào)、快速數(shù)據(jù)傳輸、物理層中的調(diào)制解調(diào)四個方面取得了長足的進步。同時，新一代短波通信也呈現(xiàn)出短波自適應(yīng)通信技術(shù)、高速調(diào)制解調(diào)技術(shù)、短波網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和短波軟件無線電等方面不斷發(fā)展的趨勢。

一些具有代表性的新型軟件無線電短波電臺的推出，例如德國R&S公司的M3SR以及美軍HARRIS公司的RF-7800H等，不僅僅超越了以往傳統(tǒng)短波通信設(shè)備一度依靠硬件實現(xiàn)功能的舊體制束縛，更是逐步實現(xiàn)了多功能、多模式及可編程功能，并且成為了短波電臺發(fā)展的新方向。通過導(dǎo)入動態(tài)波形，使得通過軟件無線電技術(shù)得以實現(xiàn)不同軍種或者不同裝備參數(shù)的電臺之間的互操作。

如圖1和圖2，分別為德軍和美軍的典型軟件無線電短波電臺。

3.3 認知軟件無線電在軍事電磁頻譜管理中的新發(fā)展

在當(dāng)今現(xiàn)代化、信息化的戰(zhàn)爭中，對電磁頻譜的管控已經(jīng)成為了不可或缺的重要環(huán)節(jié)。制電磁頻譜權(quán)的爭奪就成了新戰(zhàn)場的一大重要環(huán)節(jié)。作為一種稀缺的資源，電磁頻譜的管控也一直是有專門的無線電部門負責(zé)。隨著信息化戰(zhàn)場電磁環(huán)境的日益復(fù)雜和多樣化。無線電通信也逐漸向?qū)拵Щ悄芑姆较蚋咚侔l(fā)展。這一變化使得新型無線業(yè)務(wù)對頻譜資源的需求越來越突出[3]。當(dāng)前環(huán)境下，頻譜資源的有限性限制了電臺對頻譜的應(yīng)用，當(dāng)前靜態(tài)的管理體制會加重這一影響。為了徹底改變頻譜稀缺的現(xiàn)狀，采用動態(tài)的頻譜管理體制[4]是最好的辦法。

以軟件無線電為擴展平臺的認知無線電[5-6]是一種新的智能無線通信技術(shù)，作為動態(tài)頻譜管理體制的核心技術(shù)[7]，它能通過對周圍環(huán)境的感知對各個頻段的使用情況進行探測。也能夠同步對使用的參數(shù)進行修改，不斷將其工作模式規(guī)則與輸入激勵和周圍的環(huán)境進行適應(yīng)，從而隨時隨地提高通信系統(tǒng)的可靠性和有效性。認知無線電通過軟件平臺實現(xiàn)重構(gòu)能力，進一步與通信網(wǎng)絡(luò)進行溝通。一個基本的認知無線電實現(xiàn)周期要經(jīng)歷對無線電信道環(huán)境的分析估計、信道狀態(tài)估計和預(yù)測建模以及發(fā)射功率控制和頻譜資源管理三個基本過程。如圖3所示。

4 結(jié)束語

軟件無線電的硬件特點是標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化，軟件特點是可升級重構(gòu)，便于適應(yīng)不同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、接口協(xié)議和信號類型，這些特點以及未來聯(lián)合作戰(zhàn)對協(xié)同通信的迫切需求決定了采用軟件無線電技術(shù)的軍用多頻段多功能電臺必將成為下一代陸、海、空等各軍兵種通用的戰(zhàn)術(shù)無線電通信裝備。而在軟件無線電基礎(chǔ)上建立起來的認知無線電同時能夠滿足通信和頻譜探測功能以及多功能特征，是實現(xiàn)當(dāng)前軍用電磁頻譜管理由靜態(tài)向動態(tài)轉(zhuǎn)變的理想技術(shù)途徑。

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