基于Yun SDR的L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李冬霞，孟龍，王磊，李昊洋，劉海濤

（中國民航大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津300300）

0 引言

為了保障民用航空器安全、可靠、高效的運(yùn)行，提升空域容量，國際民航組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）將L頻段數(shù)字航空通信系統(tǒng)（L-band Digital Aeronautical Communication System，L-DACS）確立為未來航空移動(dòng)通信主要依賴的技術(shù)手段之一。目前，L-DACS有兩種候選技術(shù)方案：一種是基于多載波調(diào)制技術(shù)的L-DACS1；另一種是基于單載波高斯最小頻移鍵控的L-DACS2。其中，L-DACS1因其具有傳輸容量大、抗多徑能力強(qiáng)、頻譜效率高的優(yōu)點(diǎn)而獲得航空制造業(yè)和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。由于L-DACS1系統(tǒng)的工作頻譜與L頻段已有的DME（Distance Measure Equipment，DME）系統(tǒng)頻譜存在部分交疊，導(dǎo)致DME信號(hào)對(duì)L-DACS1系統(tǒng)接收機(jī)產(chǎn)生了不可避免的干擾。

目前，國內(nèi)外針對(duì)L-DACS1系統(tǒng)接收機(jī)如何抑制DME信號(hào)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、壓縮感知信號(hào)重構(gòu)干擾抑制算法、判決反饋脈沖噪聲估計(jì)干擾抑制算法等，這些干擾抑制算法的研究主要通過理論分析與仿真相結(jié)合的方式，并沒有搭建真實(shí)的測(cè)試平臺(tái)驗(yàn)證其有效性。為了更深入地研究DME信號(hào)對(duì)L-DACS1系統(tǒng)接收機(jī)性能的影響，本文根據(jù)L-DACS1系統(tǒng)規(guī)范，基于軟件無線電Yun SDR320平臺(tái)和Matlab軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了LDACS1系統(tǒng)前向鏈路的發(fā)射機(jī)與接收機(jī)，發(fā)射機(jī)產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)并經(jīng)過真實(shí)的無線信道后由接收機(jī)接收。該平臺(tái)可以驗(yàn)證L-DACS1系統(tǒng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的性能，也為進(jìn)一步驗(yàn)證和比較不同DME干擾抑制算法的有效性提供了一個(gè)真實(shí)的環(huán)境平臺(tái)。

1 Yun SDR軟件無線電平臺(tái)

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(duì)物理硬件進(jìn)行配置來實(shí)現(xiàn)各種無線電功能。利用軟件無線電技術(shù)，通過軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)鏈路的各種功能，包括信號(hào)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(tái)。Yun SDR320通過千兆以太網(wǎng)線與PC機(jī)進(jìn)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(yīng)用。Yun SDR320實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本硬件結(jié)構(gòu)由ZYNQ嵌入式處理器、AD9361射頻前端和電源電路三部分構(gòu)成。其中，嵌入式處理器采用Xilinx ZYNQ ZC7Z020 CLG400型號(hào)的SoC芯片完成信源的數(shù)字基帶信號(hào)處理過程。射頻前端采用ADI公司的AD9361芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)字上/下變頻、數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)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。

圖1 Yun SDR320硬件系統(tǒng)框圖

2 L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路物理層傳輸特性

L-DACS1是一個(gè)基于正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）多載波傳輸技術(shù)的航空移動(dòng)通信系統(tǒng)，采用頻分雙工（Frequency-Division Duplex，F(xiàn)DD）的通信方式。系統(tǒng)前向鏈路采用OFDM傳輸技術(shù)，基本數(shù)據(jù)傳輸單元是超幀，工作頻段為985.5～1 085.5 MHz，比特傳輸速率為303～1 373 Kb/s。

2.1 L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路物理層技術(shù)參數(shù)

L-DACS1系統(tǒng)物理層的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 L-DACS1系統(tǒng)物理層的主要技術(shù)參數(shù)

L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路OFDM系統(tǒng)子載波總數(shù)為64個(gè)，其中包含50個(gè)有效子載波，14個(gè)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498.05 kHz。OFDM符號(hào)總長(zhǎng)度為120 μs，其中有效符號(hào)長(zhǎng)度為102.4 μs，循環(huán)前綴長(zhǎng)度為17.6 μs。

2.2 L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路幀結(jié)構(gòu)

L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路的超幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。每個(gè)超幀由1個(gè)廣播（BC）幀和4個(gè)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(hào)。每個(gè)廣播幀的持續(xù)時(shí)間為6.72 ms，由3個(gè)子幀組成，分別是BC1、BC2和BC3，BC1和BC3子幀完全相同，持續(xù)時(shí)間為1.8 ms，BC2子幀的持續(xù)時(shí)間為3.12 ms。每個(gè)多幀的持續(xù)時(shí)間為58.32 ms，由9個(gè)長(zhǎng)度可變的Data/CC子幀組成，Data/CC子幀的持續(xù)時(shí)間為6.48 ms。每個(gè)超幀的持續(xù)時(shí)間為240 ms，可以傳輸?shù)腛FDM符號(hào)總數(shù)為2 000個(gè)。

圖2 L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路超幀結(jié)構(gòu)

BC1/BC3子幀結(jié)構(gòu)如圖3所示，每個(gè)子幀包含三部分：同步符號(hào)、數(shù)據(jù)符號(hào)和導(dǎo)頻符號(hào)。其中，同步符號(hào)用于接收機(jī)建立超幀同步，定位幀頭的準(zhǔn)確起始位置；數(shù)據(jù)符號(hào)用于承載高層的比特信息；導(dǎo)頻符號(hào)用于接收機(jī)進(jìn)行信道估計(jì)。

圖3 BC1/BC3子幀結(jié)構(gòu)

BC2、Data/CC子幀結(jié)構(gòu)與BC1/BC3子幀結(jié)構(gòu)類似，其參數(shù)如表2所示。

表2 前向鏈路子幀參數(shù)

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路通信平臺(tái)主要包括兩個(gè)部分，即PC端和Yun SDR320設(shè)備，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路通信平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

在發(fā)射端，由發(fā)送端PC產(chǎn)生的數(shù)字基帶信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹蓄l信號(hào)，之后經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，通過射頻部分將模擬信號(hào)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(hào)經(jīng)過射頻放大后對(duì)其進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字化之后的信號(hào)經(jīng)過數(shù)字下變頻器將中頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐盘?hào)，然后將基帶信號(hào)送入DSP處理器完成數(shù)字解調(diào)，將解調(diào)后的信號(hào)通過千兆以太網(wǎng)線送入接收端PC恢復(fù)出原始發(fā)送序列。Y320的參數(shù)配置如表3所示。

表3 Y320的參數(shù)配置

3.2 發(fā)射機(jī)的實(shí)現(xiàn)

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

圖5 L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路發(fā)射機(jī)的實(shí)現(xiàn)框圖

為了將傳輸?shù)谋忍匦蛄须S機(jī)化，信源產(chǎn)生的比特序列首先經(jīng)過比特?cái)_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(shè)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(shè)置如表5所示。

表4 RS編碼器的參數(shù)設(shè)置

表5 螺旋交織器的參數(shù)設(shè)置

對(duì)編碼和交織后的比特序列進(jìn)行符號(hào)調(diào)制；將符號(hào)調(diào)制后的序列與生成的導(dǎo)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(jié)構(gòu)將各子幀組合成為一個(gè)超幀，再將超幀通過IFFT完成OFDM符號(hào)調(diào)制；最后插入循環(huán)前綴（CP），進(jìn)行時(shí)域加窗處理，通過并/串轉(zhuǎn)換將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，通過千兆以太網(wǎng)線傳送到Y(jié)320。至此實(shí)現(xiàn)了L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路的發(fā)射機(jī)部分設(shè)計(jì)。

3.3 接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)

L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路接收機(jī)主要由同步、信道估計(jì)、信道均衡和解調(diào)譯碼等部分構(gòu)成，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖6所示。

圖6 L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)框圖

Y320接收到的信號(hào)經(jīng)過千兆以太網(wǎng)線傳送到PC端，將得到的信號(hào)首先根據(jù)廣播（BC）幀的特定結(jié)構(gòu)確定出超幀幀頭的大概起始位置，建立接收機(jī)的超幀同步，然后利用前向鏈路各數(shù)據(jù)幀的同步符號(hào)獲得接收信號(hào)的載波頻偏，并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，之后利用同步符號(hào)進(jìn)行細(xì)定時(shí)同步，確定出超幀幀頭的準(zhǔn)確起始位置；從接收數(shù)據(jù)中提取出一個(gè)完整的超幀，并進(jìn)行串并轉(zhuǎn)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(jìn)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(dǎo)頻符號(hào)進(jìn)行信道估計(jì)，并根據(jù)各個(gè)子信道的信道估計(jì)值進(jìn)行一維線性插值，之后進(jìn)行信道均衡；將信道均衡之后的數(shù)據(jù)移除導(dǎo)頻符號(hào)，進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換；根據(jù)傳輸幀的類型，對(duì)得到的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)、解交織和譯碼，其中解交織和譯碼的參數(shù)設(shè)置均與發(fā)射機(jī)保持一致；最后經(jīng)過解擾恢復(fù)出原始發(fā)送比特序列。至此實(shí)現(xiàn)了L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路的接收機(jī)部分設(shè)計(jì)。

4 測(cè)試及分析

為了測(cè)試基于Y320的L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路發(fā)射機(jī)與接收機(jī)設(shè)計(jì)的正確性，本文從發(fā)射機(jī)超幀功率譜圖、接收機(jī)接收信號(hào)功率譜圖和子幀星座圖的收斂程度三方面進(jìn)行觀測(cè)。

L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路發(fā)射機(jī)超幀功率譜圖如圖7所示。由發(fā)射機(jī)功率譜圖可以觀測(cè)出，L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路的射頻信號(hào)帶寬接近0.5 MHz，零頻處為直流，不傳輸任何信息，測(cè)試結(jié)果與L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路發(fā)射機(jī)標(biāo)準(zhǔn)一致。

圖7 L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路發(fā)射機(jī)超幀功率譜圖

L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路接收機(jī)超幀功率譜圖如圖8所示。

圖8 L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路接收機(jī)超幀功率譜圖

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

在L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路發(fā)射機(jī)采用QPSK調(diào)制方式的情況下，利用子幀中的導(dǎo)頻符號(hào)進(jìn)行信道估計(jì)和均衡之后的星座如圖9所示。

圖9 均衡之后的星座圖

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(cè)出，BC1、BC2、BC3、Data/CC子幀的星座點(diǎn)收斂較好，滿足設(shè)計(jì)需求。

5 結(jié)語

本文按照L-DACS1系統(tǒng)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)參數(shù)和超幀結(jié)構(gòu)，基于軟件無線電Y320和Matlab設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了LDACS1系統(tǒng)前向鏈路的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，并進(jìn)行了發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的聯(lián)調(diào)測(cè)試。通過測(cè)試發(fā)射機(jī)和接收機(jī)功率譜圖、觀測(cè)星座圖的收斂性，可以證明所設(shè)計(jì)的LDACS1系統(tǒng)平臺(tái)運(yùn)行有效，該平臺(tái)將用作后續(xù)算法研究的實(shí)際驗(yàn)證平臺(tái)。