基于USRP的L-DACS1前向鏈路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡文博,李昊洋,劉海濤

(1.中國(guó)民航大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300；2.四川九洲空管科技有限責(zé)任公司，四川 綿陽 621000)

0 引言

L-band Digital Aeronautical Communications System 1(L-DACS1)[1-2]是一種基于OFDM多載波技術(shù)的未來寬帶航空通信系統(tǒng)，主要為陸地航路及終端區(qū)飛行的航空器提供數(shù)據(jù)及語音通信服務(wù)[3-4]。L-DACS1系統(tǒng)具有傳輸容量大、用戶數(shù)據(jù)吞吐量高和信息速率高等優(yōu)點(diǎn)，更適用于航空信道傳輸[5]。因此，L-DACS1系統(tǒng)被視為未來民用航空領(lǐng)域移動(dòng)通信的重要技術(shù)手段，并獲得學(xué)術(shù)界和業(yè)界的廣泛關(guān)注[6-7]。

為解決寬帶航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，德宇航(DLR)開展了寬帶航空數(shù)據(jù)鏈物理層傳輸方案的研究，提出了L-DACS1系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范(草案)[8-9]，并研制了L-DACS1原型系統(tǒng)[10]。

為解決L-DACS1高層協(xié)議的設(shè)計(jì)與優(yōu)化問題，文獻(xiàn)[11]研究了L-DACS1系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，文獻(xiàn)[12]研究了L-DACS1系統(tǒng)的移動(dòng)切換問題。為解決測(cè)距儀(Distance Measure Equipment，DME)[13]干擾L-DACS1接收機(jī)的關(guān)鍵問題，文獻(xiàn)[14-15]提出了脈沖熄滅干擾抑制方法，文獻(xiàn)[16]提出了脈沖限幅干擾抑制方法，文獻(xiàn)[17]提出了基于脈沖重構(gòu)的干擾抑制方法，文獻(xiàn)[18]提出了一種基于判決反饋脈沖噪聲估計(jì)的DME抑制方法。文獻(xiàn)[14-16]存在門限設(shè)置困難的問題，文獻(xiàn)[17-18]無法避免殘存的DME干擾降低接收機(jī)可靠性的問題。

為了便于開展L-DACS1系統(tǒng)受DME干擾抑制問題的研究，需要研制L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。本文基于USRP軟件無線電平臺(tái)，利用LabVIEW設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下構(gòu)建了L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路測(cè)試系統(tǒng)，并基于測(cè)試系統(tǒng)開展了L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路測(cè)試。

已有的關(guān)于L-DACS1系統(tǒng)物理層前向鏈路的研究大多是關(guān)于該系統(tǒng)發(fā)射過程、接收過程中的部分細(xì)節(jié)，本文的創(chuàng)新之處是利用USRP N210軟件無線電平臺(tái)搭建了完整的L-DACS1系統(tǒng)物理層前向鏈路系統(tǒng)原型，并利用該平臺(tái)測(cè)試驗(yàn)證了收發(fā)過程的正確性。

1 L-DACS1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

L-DACS1系統(tǒng)物理層的主要參數(shù)如表1所示。

表1 L-DACS1前向鏈路主要參數(shù)

OFDM系統(tǒng)有64個(gè)子載波數(shù)。其中，有效子載波數(shù)量為50個(gè)，直流子載波與虛擬子載波數(shù)量共14個(gè)，子載波間隔為9.765 kHz，傳輸帶寬為498.05 kHz，OFDM有效符號(hào)長(zhǎng)度為102.4 μs，循環(huán)前綴長(zhǎng)度為17.6 μs，OFDM符號(hào)總長(zhǎng)度為120 μs[19-20]。其規(guī)范指出，為了提高系統(tǒng)的頻率利用率、降低子載波間干擾，數(shù)據(jù)子載波兩側(cè)插入空子載波，零頻處的子載波作為直流子載波，不攜帶信息。

1.2 前向鏈路幀結(jié)構(gòu)

L-DACS1系統(tǒng)超幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。超幀是L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路的基本單元，它的持續(xù)時(shí)間為240 ms，每個(gè)超幀可傳輸2 000個(gè)OFDM符號(hào)。在前向鏈路中，每個(gè)超幀結(jié)構(gòu)由一個(gè)廣播(BC)幀和4個(gè)多幀組成[4]。其中，BC幀由3個(gè)連續(xù)的子幀組成，長(zhǎng)度為6.72 ms，可傳輸56個(gè)OFDM符號(hào)，每個(gè)多幀包含2個(gè)數(shù)據(jù)(Data)子幀和一個(gè)控制(CC)子幀，長(zhǎng)度為58.32 ms，進(jìn)一步包含9個(gè)Data/CC子幀，多幀中Data和CC子幀的長(zhǎng)度是可變的[19]。

圖1 前向鏈路超幀結(jié)構(gòu)

1.3 發(fā)射機(jī)與接收機(jī)結(jié)構(gòu)

L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。信源輸出的比特序列首先根據(jù)傳輸幀的類型選擇合適的編碼及調(diào)制方式，之后送入比特?cái)_碼器進(jìn)行添加比特?cái)_碼，擾碼器輸出的比特序列依次通過RS編碼器、塊交織器、卷積編碼器和螺旋交織器完成信道編碼與交織，螺旋交織器輸出的比特序列進(jìn)一步通過調(diào)制器完成符號(hào)映射，調(diào)制符號(hào)及生成的同步序列、導(dǎo)頻序列映射成幀，并在串并轉(zhuǎn)換后通過傅里葉逆變換(IFFT)完成OFDM調(diào)制，之后再添加循環(huán)前綴(CP)及加窗處理后通過并串轉(zhuǎn)換形成OFDM基帶信號(hào)，最后通過USRP轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)，經(jīng)射頻天線送入信道傳輸。

圖2 發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[19]指出，BC幀的RS碼字?jǐn)?shù)量、每個(gè)交織塊的數(shù)量均為1；Data/CC幀的RS碼字?jǐn)?shù)量為1，每個(gè)交織塊的數(shù)量為3，因此Data/CC幀成幀過程需要塊交織器，而BC幀不需要。

L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路接收機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。USRP完成射頻信號(hào)的接收、下變頻及A/D轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)字基帶信號(hào)首先送入超幀同步器，確定超幀幀頭的大概位置，之后送入載波同步器，完成載波頻偏估計(jì)與校正，再送入精定時(shí)同步器，確定出超幀幀頭的準(zhǔn)確位置并取出一個(gè)完整的超幀，然后對(duì)超幀進(jìn)行拆分，在經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換及移除CP后通過傅里葉變換(FFT)完成OFDM解調(diào)，之后在移除虛子載波后送入信道估計(jì)器并利用得到的信道估計(jì)值進(jìn)行迫零均衡，再移除導(dǎo)頻及并串轉(zhuǎn)換，并串轉(zhuǎn)換得到的串行信息進(jìn)一步送入解調(diào)器進(jìn)行符號(hào)解映射，解映射后的比特序列再送入解螺旋交織器、卷積譯碼器、解塊交織器、RS編碼器完成解交織和信道譯碼，RS譯碼器輸出的比特序列通過解擾器完成解擾，重建出所發(fā)射的信息。

圖3 接收機(jī)結(jié)構(gòu)

2 L-DACS1前向鏈路的實(shí)現(xiàn)

2.1 USRP軟件無線電平臺(tái)

NI-USRP-N210(USRP N210)是美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，作為硬件前端與LabVIEW軟件配套使用，構(gòu)成完整的軟件無線電平臺(tái)，能完成通信系統(tǒng)原型的快速搭建和算法驗(yàn)證等科研工作。

當(dāng)USRP N210作為發(fā)射機(jī)時(shí)，基帶信號(hào)在主機(jī)上產(chǎn)生，通過千兆網(wǎng)線傳送給USRP外設(shè)完成射頻信號(hào)的發(fā)射；當(dāng)USRP N210作為接收機(jī)時(shí)，射頻信號(hào)的接收在USRP外設(shè)上完成，通過千兆網(wǎng)線傳送給主機(jī)完成基帶信號(hào)的后續(xù)處理。其中，發(fā)射機(jī)輸出、接收機(jī)輸入均為射頻信號(hào)。

LabVIEW是NI公司開發(fā)的一種圖形化編程環(huán)境，USRP N210平臺(tái)上所有功能組件都是在這個(gè)環(huán)境中定義的。LabVIEW和USRP N210所構(gòu)成的軟件無線電平臺(tái)結(jié)合了軟件及硬件的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)回避了傳統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方式所存在的靈活性差、開發(fā)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，因此無需考慮復(fù)雜的硬件實(shí)現(xiàn)，可以簡(jiǎn)化算法的驗(yàn)證過程[21]。USRP與PC機(jī)的連接關(guān)系如圖4所示。

圖4 USRP與PC機(jī)的連接關(guān)系

2.2 前向鏈路發(fā)射機(jī)

前向鏈路發(fā)射機(jī)基于LabVIEW的實(shí)現(xiàn)如圖5所示。發(fā)射機(jī)由發(fā)射機(jī)配置、基帶信號(hào)處理、OFDM調(diào)制和數(shù)據(jù)寫入4個(gè)單元構(gòu)成。

圖5 發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)

發(fā)射機(jī)配置單元的技術(shù)參數(shù)包括I/Q采樣率、載波頻率和增益等；基帶信號(hào)處理單元完成擾碼、信道編碼、交織、調(diào)制和成幀的過程；OFDM調(diào)制單元將成幀的信號(hào)生成所需的OFDM信號(hào)；最后通過數(shù)據(jù)寫入單元將產(chǎn)生的基帶信號(hào)傳入U(xiǎn)SRP設(shè)備，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)射。

2.3 前向鏈路接收機(jī)

前向鏈路接收機(jī)基于LabVIEW的實(shí)現(xiàn)如圖6所示。接收機(jī)由15個(gè)單元構(gòu)成：接收機(jī)配置、超幀同步、粗載波同步、精載波同步、精定時(shí)同步、拆分超幀、OFDM解調(diào)、信道估計(jì)、去除導(dǎo)頻、解調(diào)、解螺旋交織、卷積譯碼、解塊交織、RS譯碼和解擾碼。

圖6 接收機(jī)實(shí)現(xiàn)

接收機(jī)配置單元的技術(shù)參數(shù)與發(fā)射機(jī)相同。接收到的信號(hào)經(jīng)過超幀同步可以確定超幀中各子幀可能的起始位置，經(jīng)過粗、精載波同步完成載波頻偏估計(jì)與校正，隨后拆分超幀，對(duì)各子幀完成解調(diào)、解交織、信道譯碼，經(jīng)過解擾碼實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的還原。

3 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果

3.1 測(cè)試系統(tǒng)

L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路測(cè)試環(huán)境如圖7所示，從左到右依次是PC前向鏈路發(fā)射機(jī)(USRP N210)2臺(tái)、信道模擬器(NI 5791)1臺(tái)和PC前向鏈路接收機(jī)(USRP N210)。

圖7 測(cè)試系統(tǒng)組成

發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和信道模擬器的連接示意圖如圖8所示。

圖8 測(cè)試系統(tǒng)示意

3.2 發(fā)射機(jī)結(jié)果

L-DACS1前向鏈路發(fā)射機(jī)測(cè)試結(jié)果如圖9所示，包括USRP參數(shù)設(shè)置、各子幀傳輸?shù)奈谋?、L-DACS1功率譜圖和時(shí)域波形圖。

圖9 L-DACS1前向鏈路發(fā)射機(jī)測(cè)試結(jié)果

從功率譜圖中可以看出，信號(hào)帶寬接近0.5 MHz，零頻處為直流，不傳輸信息，符合L-DACS1協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。從L-DACS1信號(hào)時(shí)域波形圖可以看出，在數(shù)據(jù)符號(hào)前有4個(gè)重復(fù)的短同步符號(hào)及2個(gè)重復(fù)的長(zhǎng)同步符號(hào)。

3.3 接收機(jī)結(jié)果

L-DACS1前向鏈路接收機(jī)測(cè)試結(jié)果(噪聲功率為零)如圖10所示，包含USRP硬件參數(shù)、信道參數(shù)的設(shè)置、每個(gè)子幀接收到的文本、功率譜圖、超幀同步圖、精定時(shí)同步圖、各子幀星座圖及時(shí)域波形圖。

圖10 L-DACS1前向鏈路接收機(jī)測(cè)試結(jié)果

從功率譜圖和時(shí)域波形圖可以看出，接收信號(hào)的波形與發(fā)射機(jī)完全一致。從超幀同步圖和精定時(shí)同步圖中可以看出部分子幀的起始位置。從各子幀星座圖可以看出，當(dāng)噪聲功率為零時(shí)，星座圖收斂性很好。

3.4 BER性能

3.4.1 仿真參數(shù)設(shè)置

部分仿真參數(shù)如表2所示(其余參數(shù)如表1所示)。

表2 仿真參數(shù)

3.4.2 軟件仿真與硬件實(shí)測(cè)

軟件仿真：假定L-DACS1物理層前向鏈路接收機(jī)已經(jīng)正確地完成了同步過程(包括定時(shí)同步、載波同步)。

硬件實(shí)測(cè)：針對(duì)接收機(jī)超幀同步門限值的合理取值問題，國(guó)內(nèi)外有關(guān)接收機(jī)的研究沒有給出具體的定量公式，實(shí)測(cè)過程不能確保接收機(jī)每次都能絕對(duì)正確地完成同步過程。

3.4.3 AWGN信道

Data/CC子幀在AWGN信道下的BER性能曲線如圖11所示。信噪比(SNR)取值范圍0～5 dB，圖中“◇”曲線代表設(shè)備實(shí)測(cè)結(jié)果，“﹡”曲線代表仿真結(jié)果。仿真和實(shí)測(cè)的BER均隨著SNR的增加而降低，實(shí)測(cè)過程存在接收機(jī)未能正確同步的問題，會(huì)造成信宿出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致實(shí)測(cè)的BER性能略高于仿真得到的BER性能，2條曲線基本平行，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的正確性。

圖11 AWGN信道下的BER性能

3.4.4 多徑信道

Data/CC子幀在多徑信道(2徑信道：時(shí)延分別為0，2.06 μs)下的BER性能曲線如圖12所示。

圖12 多徑信道下的BER性能

SNR取值范圍0～14 dB，圖中“□”曲線代表設(shè)備實(shí)測(cè)結(jié)果，“﹡”曲線代表仿真結(jié)果。仿真和實(shí)測(cè)的BER均隨著SNR的增加而降低，實(shí)測(cè)的BER性能略高于仿真得到的BER性能(同3.4.3節(jié))，2條曲線基本平行，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的正確性。

3.5 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

由于實(shí)驗(yàn)室條件有限，所用射頻收發(fā)儀適配器模塊(型號(hào)：NI 5791)不能模擬最大時(shí)延超過2.06 μs的多徑信道，但是沒有信道徑數(shù)的限制。

為了改進(jìn)本文所開展的傳輸實(shí)驗(yàn)，采用徑間延遲分別為d1=0，0

4 結(jié)束語

本文基于USRP N210軟件無線電平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了L-DACS1物理層前向鏈路發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下開展了L-DACS1系統(tǒng)前向鏈路傳輸試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果完全一致，驗(yàn)證了研制的L-DACS1前向鏈路發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的正確性。未來將基于研制的系統(tǒng)開展L-DACS1前向鏈路測(cè)距儀干擾抑制的研究。