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基于Yun SDR的L?DACS1系統(tǒng)前向鏈路平臺的設計與實現(xiàn)

倩倩 ? 來源:現(xiàn)代電子技術 ? 作者:現(xiàn)代電子技術 ? 2022-09-26 16:15 ? 次閱讀

摘要:針對 L頻段數(shù)字航空通信系統(tǒng)接收機 DME 信號干擾抑制算法缺乏真實驗證平臺這一問題,利用軟件無線電技術搭建 L?DACS1 的原型系統(tǒng)。按照 L?DACS1 系統(tǒng)前向鏈路的技術參數(shù)和超幀結構,設計實現(xiàn)了基于 Yun SDR320 和 Matlab的 L?DACS1 系統(tǒng)前向鏈路發(fā)射機和接收機的原型構建,在真實的無線信道環(huán)境下實現(xiàn)信號的發(fā)送與接收。測試結果表明,所設計的 L?DACS1系統(tǒng)前向鏈路平臺符合系統(tǒng)規(guī)范、工作穩(wěn)定,該平臺可以用作未來 DME干擾抑制算法的驗證平臺。

0 引 言

為了保障民用航空器安全、可靠、高效的運行,提升空 域 容 量 ,國 際 民 航 組 織(International Civil AviationOrganization,ICAO)將L頻段數(shù)字航空通信系統(tǒng)(L?bandDigital Aeronautical Communication System,L?DACS)確立為未來航空移動通信主要依賴的技術手段之一[1]。目前,L?DACS 有兩種候選技術方案:一種是基于多載波調(diào)制技術的L?DACS1[2];另一種是基于單載波高斯最小頻移鍵控的 L?DACS2[3]。其中,L?DACS1因其具有傳輸容量大、抗多徑能力強、頻譜效率高的優(yōu)點而獲得航空制造業(yè)和學術界的廣泛關注[4]。由于L?DACS1系統(tǒng)的工作頻譜與L頻段已 有 的 DME(Distance MeasureEquipment,DME)系統(tǒng)頻譜存在部分交疊[5],導致 DME信號對L?DACS1系統(tǒng)接收機產(chǎn)生了不可避免的干擾。

目前,國內(nèi)外針對L?DACS1系統(tǒng)接收機如何抑制DME信號干擾的問題提出了很多算法,例如:脈沖熄滅與脈沖限幅干擾抑制算法[6]、壓縮感知信號重構干擾抑制算法[7]、判決反饋脈沖噪聲估計干擾抑制算法[8]等,這些干擾抑制算法的研究主要通過理論分析與仿真相結合的方式,并沒有搭建真實的測試平臺驗證其有效性。為了更深入地研究DME信號對L?DACS1系統(tǒng)接收機性能的影響,本文根據(jù)L?DACS1系統(tǒng)規(guī)范[2],基于軟件無線電 Yun SDR320平臺和Matlab軟件平臺設計實現(xiàn)了L?DACS1系統(tǒng)前向鏈路的發(fā)射機與接收機,發(fā)射機產(chǎn)生發(fā)射信號并經(jīng)過真實的無線信道后由接收機接收。該平臺可以驗證L?DACS1系統(tǒng)發(fā)射機和接收機的性能,也為進一步驗證和比較不同DME干擾抑制算法的有效性提供了一個真實的環(huán)境平臺。

1 Yun SDR 軟件無線電平臺

軟件無線電是指在硬件條件不變的前提下,通過軟件編程對物理硬件進行配置來實現(xiàn)各種無線電功能[9]。利用軟件無線電技術,通過軟件平臺實現(xiàn)通信系統(tǒng)鏈路的各種功能,包括信號的產(chǎn)生、調(diào)制解調(diào)、編碼譯碼、濾波等。

北京威視銳科技公司的產(chǎn)品Yun SDR320實驗平臺是專為無線通信系統(tǒng)研究而開發(fā)的一款便攜式軟件無線電平臺。Yun SDR320通過千兆以太網(wǎng)線與PC機進行數(shù)據(jù)交互,由于其具有更寬的頻譜范圍和模擬帶寬而受到廣泛應用。Yun SDR320實驗平臺的基本硬件結構由 ZYNQ 嵌入式處理器AD9361[10]射頻前端和電源電路三部分構成。其中,嵌入式處理器采用 Xilinx ZYNQZC7Z020 CLG400型號的SoC芯片完成信源的數(shù)字基帶信號處理過程。射頻前端采用 ADI公司的 AD9361芯片實現(xiàn)數(shù)字信號處理、數(shù)字上/下變頻、數(shù)/模和模/數(shù)轉換、濾波、射頻收發(fā)等功能。Yun SDR320的硬件系統(tǒng)框圖如圖 1所示。

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2 L?DACS1系統(tǒng)前向鏈路物理層傳輸特性

L?DACS1是一個基于正交頻分復用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing,OFDM)多載波傳輸技術的航空移動通信系統(tǒng),采用頻分雙工(Frequency ?Division Duplex,F(xiàn)DD)的通信方式[2]。系統(tǒng)前向鏈路采用OFDM傳輸技術,基本數(shù)據(jù)傳輸單元是超幀,工作頻段為985.5~1 085.5MHz,比特傳輸速率為303~1373Kb/s。

2.1 L?DACS1系統(tǒng)前向鏈路物理層技術參數(shù)

L?DACS1系統(tǒng)物理層的主要技術參數(shù)如表1所示。

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L?DACS1系統(tǒng)前向鏈路OFDM系統(tǒng)子載波總數(shù)為64個,其中包含50個有效子載波,14個直流子載波和空子載波,子載波間隔為9.765 625 kHz,射頻信道帶寬為498.05kHz。OFDM 符號總長度為120 μs,其中有效符號長度為102.4 μs,循環(huán)前綴長度為17.6 μs。

2.2 L?DACS1系統(tǒng)前向鏈路幀結構

L?DACS1系統(tǒng)前向鏈路的超幀結構如圖2所示。每個超幀由1個廣播(BC)幀和4個多幀(MF)組成,其中,廣播幀用于傳輸前向鏈路的廣播信息,多幀用于承載高層的調(diào)制符號。每個廣播幀的持續(xù)時間為6.72ms,由3個子幀組成,分別是BC1、BC2和BC3,BC1和BC3子幀完全相同,持續(xù)時間為1.8 ms,BC2子幀的持續(xù)時間為3.12 ms。每個多幀的持續(xù)時間為58.32 ms,由9個長度可變的Data/CC子幀組成,Data/CC子幀的持續(xù)時間為6.48 ms。每個超幀的持續(xù)時間為240 ms,可以傳輸?shù)腛FDM符號總數(shù)為2000個。

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BC1/BC3子幀結構如圖3所示,每個子幀包含三部分:同步符號、數(shù)據(jù)符號和導頻符號。其中,同步符號用于接收機建立超幀同步,定位幀頭的準確起始位置;數(shù)據(jù)符號用于承載高層的比特信息;導頻符號用于接收機進行信道估計。

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BC2、Data/CC 子幀結構與BC1/BC3子幀結構類似,其參數(shù)如表2所示。

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3 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)平臺結構設計

L?DACS1系統(tǒng)前向鏈路通信平臺主要包括兩個部分,即PC端和Yun SDR320設備,其結構示意圖如圖4所示。

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在發(fā)射端,由發(fā)送端PC產(chǎn)生的數(shù)字基帶信號通過千兆以太網(wǎng)線送入DSP處理器完成數(shù)字調(diào)制,再由數(shù)字上變頻器將基帶信號轉變?yōu)橹蓄l信號,之后經(jīng)過數(shù)模轉換器轉換為模擬信號,通過射頻部分將模擬信號放大到足夠功率,由天線發(fā)射到無線信道中。在接收端,由天線接收到的無線電信號經(jīng)過射頻放大后對其進行模/數(shù)轉換,數(shù)字化之后的信號經(jīng)過數(shù)字下變頻器將中頻信號轉變?yōu)榛鶐盘枺缓髮⒒鶐盘査腿隓SP處理器完成數(shù)字解調(diào),將解調(diào)后的信號通過千兆以太網(wǎng)線送入接收端PC恢復出原始發(fā)送序列。Y320的參數(shù)配置如表3所示。

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3.2 發(fā)射機的實現(xiàn)

L?DACS1系統(tǒng)前向鏈路發(fā)射機主要由編碼交織、調(diào)制、映射成幀和加窗成型幾部分構成,其實現(xiàn)框圖如圖5所示。

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為了將傳輸?shù)谋忍匦蛄须S機化,信源產(chǎn)生的比特序列首先經(jīng)過比特擾碼處理;選擇合適的編碼方式,其中,外編碼采用RS編碼,其參數(shù)設置如表4所示,內(nèi)編碼采用(171,133,7)卷積碼;之后根據(jù)傳輸幀的類型選擇合適的交織方式,其中,廣播(BC)幀采用的交織方式為螺旋交織,Data/CC幀采用的交織方式為塊交織與螺旋交織,其參數(shù)設置如表5所示。

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對編碼和交織后的比特序列進行符號調(diào)制;將符號調(diào)制后的序列與生成的導頻序列、同步序列分別映射到BC1、BC2、BC3子幀及Data/CC子幀;根據(jù)L?DACS1系統(tǒng)前向鏈路超幀結構將各子幀組合成為一個超幀,再將超幀通過IFFT完成OFDM符號調(diào)制;最后插入循環(huán)前綴(CP),進行時域加窗處理,通過并/串轉換將并行數(shù)據(jù)轉換為串行數(shù)據(jù),通過千兆以太網(wǎng)線傳送到Y320。至此實現(xiàn)了L?DACS1系統(tǒng)前向鏈路的發(fā)射機部分設計。

3.3 接收機的實現(xiàn)

L?DACS1系統(tǒng)前向鏈路接收機主要由同步、信道估計、信道均衡和解調(diào)譯碼等部分構成,其實現(xiàn)框圖如圖6所示。

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Y320接收到的信號經(jīng)過千兆以太網(wǎng)線傳送到PC端,將得到的信號首先根據(jù)廣播(BC)幀的特定結構確定出超幀幀頭的大概起始位置,建立接收機的超幀同步,然后利用前向鏈路各數(shù)據(jù)幀的同步符號獲得接收信號的載波頻偏,并對其進行補償,之后利用同步符號進行細定時同步,確定出超幀幀頭的準確起始位置;從接收數(shù)據(jù)中提取出一個完整的超幀,并進行串并轉換,移除CP,之后通過FFT完成OFDM解調(diào);將解調(diào)之后的超幀進行幀拆解,拆解出BC1、BC2、BC3子幀和Data/CC子幀;移除子幀中的空子載波和直流子載波,分別提取子幀中的導頻符號進行信道估計,并根據(jù)各個子信道的信道估計值進行一維線性插值,之后進行信道均衡;將信道均衡之后的數(shù)據(jù)移除導頻符號,進行并串轉換;根據(jù)傳輸幀的類型,對得到的串行數(shù)據(jù)進行解調(diào)、解交織和譯碼,其中解交織和譯碼的參數(shù)設置均與發(fā)射機保持一致;最后經(jīng)過解擾恢復出原始發(fā)送比特序列。至此實現(xiàn)了L?DACS1系統(tǒng)前向鏈路的接收機部分設計。

4 測試及分析

為了測試基于Y320的L?DACS1系統(tǒng)前向鏈路發(fā)射機與接收機設計的正確性,本文從發(fā)射機超幀功率譜圖、接收機接收信號功率譜圖和子幀星座圖的收斂程度三方面進行觀測。

L?DACS1系統(tǒng)前向鏈路發(fā)射機超幀功率譜圖如圖7所示。由發(fā)射機功率譜圖可以觀測出,L?DACS1系統(tǒng)前向鏈路的射頻信號帶寬接近0.5MHz,零頻處為直流,不傳輸任何信息,測試結果與L?DACS1系統(tǒng)前向鏈路發(fā)射機標準一致。

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L?DACS1系統(tǒng)前向鏈路接收機超幀功率譜圖如圖8所示。

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由接收機功率譜圖可以觀測出,接收機接收到的信號功率譜帶寬也接近0.5 MHz,零頻處為直流,證明了接收機成功接收到發(fā)射機發(fā)送在空中的調(diào)制信號。

在L?DACS1系統(tǒng)前向鏈路發(fā)射機采用QPSK調(diào)制方式的情況下,利用子幀中的導頻符號進行信道估計和均衡之后的星座如圖9所示。

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其中,圖9a)是BC1/BC3子幀均衡后的星座圖;圖9b)是BC2子幀均衡后的星座圖;圖 9c)是 Data/CC 子幀均衡后的星座圖。

由均衡之后的星座圖可以觀測出,BC1、BC2、BC3、Data/CC子幀的星座點收斂較好,滿足設計需求。

5 結 語本文按照L?DACS1系統(tǒng)協(xié)議規(guī)定的技術參數(shù)和超幀結構,基于軟件無線電Y320和Matlab設計實現(xiàn)了L?DACS1系統(tǒng)前向鏈路的發(fā)射機和接收機,并進行了發(fā)射機和接收機的聯(lián)調(diào)測試。通過測試發(fā)射機和接收機功率譜圖、觀測星座圖的收斂性,可以證明所設計的L?DACS1系統(tǒng)平臺運行有效,該平臺將用作后續(xù)算法研究的實際驗證平臺。 審核編輯 :李倩

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原文標題:論文速覽 | 基于 Yun SDR 的 L?DACS1系統(tǒng)前向鏈路平臺的設計與實現(xiàn)

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