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软件无线电技术

(2012-07-26 11:41:08)
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育儿

   软件无线电(SDR)的开发进度依赖于许多元器件和软件的改进。尽管如此,电子行业一直致力于解决增强型SDR技术所面临的挑战。软件无线电这个名字很好地阐述了这些无线电设备的工作模式:能够通过软件代码修改硬件元器件的性能。但实现这个目标仍需要高性能的模拟和数字元件:比如相应的低噪声放大器(LNA)和数据转换器,以及系统级配置,用于在不同制造商生产的SDR之间实现互操作性。这些无线电设备一般工作在2MHz至2GHz频率范围。

软件无线电技术现在是蜂窝通信网络等商用市场的重要组成部分。但这种技术的发展很大程度上归功于时断时续的美军联合战术无线电系统(JTRS)计划。这个计划的目标是用某种形式的通用软件可编程无线电设备替代现有的模拟战术无线电设备。其面临的挑战是,除了提供不同军用网络之间的互操作性外,还要确保通信的安全性。

JTRS计划得到了不少最大型的军事承包商的支持,包括波音公司(Boeing)在JTRS网络的地面移动无线电(GMR)版本方面付出的努力,以及Lockheed-Martin公司在JTRS无线电系统的空海版本上做的工作,后者也被称为空中/海上固定站(AMF)JTRS无线电。JTRS无线电系统基于软件通信架构(SCA),这是一种定义了软硬件如何协调工作的开放架构框架。

遗憾的是,波音公司的延迟和成本超支导致去年晚些时候JTRS计划中涉及该公司的部分被迫取消(虽然合同计划是到2012年3月截止)。波音公司是与Northrop-Grumman、Rockwell Collins、BAE Systems和Harris RF Communications公司一起开发这些高性能的GMR JTRS无线电系统的。当然,JTRS计划中军 队部分内容的消减可以追溯到相关的未来战斗系统(FCS)计划,后者是一项旨在为未来士兵带来高科技的庞大且昂贵的计划。FCS计划已于2009年被迫取消。

美国国防部(DoD)认为,波音JTRS无线电系统的一些问题与试图在硬件相对受限的无线电设备中支持宽范围的复杂波形有关。举例来说,美国军 队为这些可编程无线电系统开发了两种波形——士兵无线电波形(SRW)和宽带网络波形(WNW),用于实现可靠且安全的通信。

基于SRW的无线电系统被设计为以分配的1.2MHz带宽工作,而WNW无线电系统的最佳工作带宽是3MHz或5MHz。但这些波形都是内存/计算密集型波形。波音公司发现,很难以极具成本效益的方式提供能够同时支持所有这些波形与网络的软件无线电系统。

哈里斯射频通信公司(Harris RF Communications)取得的巨大成功也归功于涉足JTRS,当然也与公司开发自己的软件无线电系统有关。例如,哈里斯公司刚刚从美国特种作战指挥部(USSOCOM)收获到3900万美元的定单,用于购买公司的Falcon III AN/PRC-152A宽带手持式战术无线电设备(见附图)。这是4亿美元的不定期交付不确定数量(IDIQ)合同的首批交货定单,旨在帮助美国特种作战指挥部实现战术无线电设备库存现代化。该合同还覆盖Falcon III AN/PRC-117G多频段单兵无线电设备。

图:Falcon III AN/PRC-152A宽带手持式战术无线电设备使用SDR技术适应不同的波形应用。(电子系统设计)
图:Falcon III AN/PRC-152A宽带手持式战术无线电设备使用SDR技术适应不同的波形应用。

灵活的AN/PRC-152A无线电系统同时支持宽带和窄带波形。哈里斯的宽带功能将由该公司的网络宽带波形设备提供,该设备已经得到美国安全局(NSA)的1类高可靠互联网协议加密(HAIPE)认证。哈里斯公司希望今年晚些时候AN/PRC-152A也能获得NSA的1类认证,以便与JTRS SRW一起工作。

此外,Rockwell Collins和BAE Systems的合资公司Data Link Solutions(DLS)最近与空海作战系统指挥部(SPAWAR)签署了一份价值2580万美元的合同。这份定单用于多功能信息发布系统JTRS终端的首次全面生产与现场试验(FP&F),设备主要用于美国海军F/A-18 E/F(超级黄蜂)、海军实验室和NAVSUP(Navy Supply)。这些设备还将提供给美国空军E-8(JSTARS)、RC-135(铆接侦察机)、EC-130E(高级侦察机)、EC-130H(罗盘呼叫机)、空军参与测试单位和华纳罗宾斯空军基地。

MIDS JTRS是一种包含Link-16功能的4通道终端,能够在新波形推出后整合这种新增的网络波形。MIDS JTRS是Data Link Solutions公司和ViaSat公司之间合作开发的一个极具竞争力的项目。

与此同时,美国国防部要求Lockheed-Martin公司重启JTRS工作,并把重点放在提高可负担性方面。Lockheed-Martin AMF JTRS小组,包括BAE Systems、General Dynamics、Northrop Grumman和Raytheon正在作为价值7.66亿美元的原始系统开发与演示(SDD)合同的一方而辛苦工作。AMF JTRS无线电系统被设计用于固定电台、潜艇、水面舰艇和飞机。

从20世纪90年代软件无线电概念最早出现以来,美国国防部对软件无线电技术如何适应战场的观念发生了很大变化。最近,JTRS计划的军 队联合计划办公室将对JTRS无线电开发的兴趣提升到了全功能认知无线电系统(参见www.army.mil/articles),后者还包含软件定义天线(SDA)。

认知无线电可以被认为是软件无线电的进一步发展,它使用了一种称为动态频谱接入(DSA)的技术。这种技术允许软件无线电设备自动检测并使用工作区内的可用带宽,还能改变自己的发射和接收特性来适应可用的频谱。理论上,与标准无线电台甚至JTRS电台相比,采用DSA技术的SDR具有更高的效率,能够更高效地利用有限的频谱资源。JTRS认知无线电设备还需要使用一种称为频谱分段的技术,这样,大带宽的波形就可以被扩展到带宽的各个可用部分。

对Lockheed-Martin来说,在去年晚些时候飞越新墨西哥上空的美国阿帕奇(Apache)攻击型直升机上完成的AMF JTRS无线电系统测试结果,是对SDR技术的极大鼓励。这次测试使用SRW在试验用AH-64 Block III阿帕奇直升机与地面部队之间成功地进行了语音、数据和图像的组合通信。直升机上的一个预工程试验性空中无线电台与6支装备了JTRS手持式单兵小型(HMS)Rifleman无线电台的地面部队直接建立了链接。阿帕奇提供天线网络的扩展,给地面部队当做中继器使用。阿帕奇能够中断网络中的所有连接,然后重新连接JTRS网络中的所有设备,中间没有显著的延时或信息丢失。

如前所述,并不是所有SDR技术都是军用的,商用通信提供商也很快发现了拥有软件可定义无线网络的好处。一家名为Wireless Innovation Forum的行业组织就致力于发展下一代无线电技术,其中包括软件无线电。另外,SDR-BR是一个对SDR感兴趣的业余无线电研究人员和实验人员组成的小组。

SDR技术的商业用途非常广,有许多从元件到系统级的新产品都采用了SDR技术。通信设备与服务提供商阿尔卡特-朗讯(Alcatel-Lucent)就在SDR和多载波功放(MCPA)技术基础上开发了多载波远程无线电头端(MC-RRH)设备。这种设备已经成为阿朗公司组合式无线接入网的一个构建模块。MC-RRH模块可以帮助运营商同时处理两种不同的技术,单个模块就能支持长期演进(LTE)和多入多出(MIMO)技术。

支持SDR技术的元件供应商也有许多。Altera公司针对SDR应用推出了一系列现场可编程门阵列(FPGA)。德州仪器(TI)为毫微微蜂窝基站和便携式SDR应用提供模拟前端(AFE)集成电路(IC)。举例来说,后者的低功耗12位AFE7225模拟前端集成了一个双路125Msampes/s模数转换器(ADC)和两个250Msamples/s数模转换器(DAC)。

在广播市场,Carlson Wireless公司最近发布了一款名为RuralConnect IP的软件无线电设备。该设备使用了广播公司在VHF和UHF频谱中剩下的“空白频段”带宽,可向欠服务地区和农村地区提供无线宽带服务。Carlson Wireless公司正在与数据库提供商Spectrum Bridge和KTS Wireless合作开发这种SDR设备,并希望这种设备很快能够获得美国联邦通信委员会(FCC)的认证。


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