全通型無線電磁環(huán)境模擬器平臺(tái)是雷達(dá)、通信產(chǎn)品研制過程中必需的核心設(shè)備之一，它會(huì)模擬各種場(chǎng)景下的電磁環(huán)境，全面、便捷且可控的的對(duì)雷達(dá)和通信產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。該產(chǎn)品可以用于國(guó)防或者民用通信的信道仿真，國(guó)防或者民用雷達(dá)的信道仿真，雷達(dá)/通信一體化的綜合信道仿真。
全通型無線電磁環(huán)境模擬器平臺(tái)技術(shù)方案
1． 背景和意義
在未來的現(xiàn)代化對(duì)抗中，電子對(duì)抗尤其是通信與雷達(dá)的電子對(duì)抗能力，將對(duì)戰(zhàn)略攻防起到關(guān)鍵作用。構(gòu)建戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境模擬器，對(duì)提高未來電子對(duì)抗能力具有重要的意義，具體而言，包括以下三個(gè)方面：
圖 1 戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境示意圖
1） 為電磁環(huán)境感知學(xué)習(xí)關(guān)鍵技術(shù)算法研究提供性能評(píng)估和快速驗(yàn)證平臺(tái)
復(fù)雜電磁環(huán)境中的通信或作戰(zhàn)設(shè)備，需要環(huán)境感知獲取頻譜狀態(tài)信息，綜合出當(dāng)前頻譜利用狀態(tài)圖譜，并通過學(xué)習(xí)推理，提取出信道特征和干擾特征等信息。近年來，利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)方法已成為頻譜感知，提取感知電磁環(huán)境信息的一種重要手段。然而在面向各種真實(shí)的復(fù)雜環(huán)境中，快速驗(yàn)證關(guān)鍵技術(shù)算法的有效性和可靠性，目前尚未有效的手段。圍繞這一目的，擬構(gòu)建戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境模擬器，提供復(fù)雜場(chǎng)景實(shí)時(shí)無線信道模擬，為電磁環(huán)境感知學(xué)習(xí)關(guān)鍵技術(shù)算法研究提供性能評(píng)估和快速驗(yàn)證平臺(tái)。
2） 為面向戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的自組織通信技術(shù)研究提供驗(yàn)證與評(píng)估平臺(tái)
在復(fù)雜電磁環(huán)境中，根據(jù)電磁環(huán)境實(shí)時(shí)環(huán)境自適應(yīng)/自組織通信，為電子偵察、作戰(zhàn)協(xié)調(diào)等局部通信目標(biāo)提供保障，對(duì)獲得信息權(quán)具有重要意義。當(dāng)前，面向復(fù)雜環(huán)境的自組織/自適應(yīng)通信技術(shù)圍繞自組織鏈路建立、頻率選擇、鏈路自適應(yīng)、抗干擾通信等目標(biāo)展開，但其驗(yàn)證手段以計(jì)算機(jī)仿真或者理想環(huán)境為主。構(gòu)建戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境模擬器，可以為自組織通信技術(shù)的研究提供面向戰(zhàn)場(chǎng)的復(fù)雜電磁模擬環(huán)境，進(jìn)行更有效的技術(shù)驗(yàn)證和評(píng)估。
3） 為實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的電子對(duì)抗提供模擬演練平臺(tái)
為滿足適應(yīng)復(fù)雜對(duì)抗環(huán)境的需求，軍事通信需要具備感知環(huán)境狀態(tài)、學(xué)習(xí)對(duì)抗策略、重構(gòu)通信參數(shù)等功能。以多兵種聯(lián)合作戰(zhàn)為例，空軍的飛機(jī)、海軍的艦艇與海島、火箭軍的導(dǎo)彈等各作戰(zhàn)平臺(tái)要素之間需要通過無線傳輸進(jìn)行文本、語音、圖像、視頻等各種信息的交互，同時(shí)面臨著敵方干擾、攻擊和竊聽等嚴(yán)峻威脅。通過環(huán)境感知獲取頻譜狀態(tài)信息、通過學(xué)習(xí)推理得到敵方干擾等特征與規(guī)律、通過結(jié)合感知與學(xué)習(xí)的結(jié)果來智能重構(gòu)通信參數(shù)以實(shí)現(xiàn)靈巧躲避干擾、積極主動(dòng)防御、自適應(yīng)穩(wěn)健通信。構(gòu)建戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境模擬器，可以為電子對(duì)抗的提供模擬演練平臺(tái)。
2． 主要任務(wù)與功能
2.1 主要任務(wù)
戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境模擬器，連接多個(gè)無線電設(shè)備，提供64收發(fā)通道，可提供戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜無線信道環(huán)境的實(shí)時(shí)模擬，其主要任務(wù)及功能如圖2所示。具體包括以下部分：可視化電磁環(huán)境配置部分、射頻及模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換部分、全連接數(shù)字基帶信道部分。
2.2 射頻及模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換部分
射頻及模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換部分連接射頻部分與全連接數(shù)字基帶信道，并通過可視化電磁環(huán)境配置與顯示界面進(jìn)行基本配置。在模擬器的輸入端，接收來自無線設(shè)備的射頻信號(hào)，經(jīng)過下變頻和模數(shù)轉(zhuǎn)換，在經(jīng)過數(shù)字中頻處理，得到數(shù)字基帶信號(hào)，并輸入至全連接數(shù)字基帶信道部分。經(jīng)過全連接數(shù)字基帶信道部分的數(shù)字基帶信號(hào)，經(jīng)過數(shù)字中頻處理，數(shù)模轉(zhuǎn)換和上變頻，輸出射頻信號(hào)，發(fā)送至無線設(shè)備。
2.3 全連接數(shù)字信道部分
基于可視化電磁環(huán)境配置與顯示界面的配置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多輸入多輸出全連接數(shù)字信道模擬，即每個(gè)輸入信號(hào)經(jīng)歷獨(dú)立或相關(guān)的信道到達(dá)每個(gè)輸出口。每個(gè)輸入至輸出的信道可以獨(dú)立配置并實(shí)現(xiàn)多徑衰落、傳播時(shí)延、多普勒頻偏等信道特性。
2.4 可視化電磁環(huán)境配置與顯示界面部分
該部分包括以下功能：
1) 配置無線設(shè)備的連接的個(gè)數(shù)，模擬器工作頻點(diǎn)、工作帶寬，每個(gè)無線設(shè)備的占用的通道數(shù)等信息。
2) 可視化信道環(huán)境配置，配置無線信道場(chǎng)景，并包括每個(gè)用戶的位置信息，運(yùn)動(dòng)信息的實(shí)時(shí)顯示，并根據(jù)這些信息實(shí)時(shí)生成多徑信道系數(shù)，并發(fā)送至全連接數(shù)字信道部分。
3) 顯示所有通道和給定接收信道的實(shí)時(shí)頻譜。
3． 系統(tǒng)硬件組成與說明
3.1 設(shè)備組成概述
全通型無線電磁環(huán)境模擬器平臺(tái)硬件組成如下圖3所示：
射頻及模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換部分由 X310+ UBX子板組成。用于接入用戶射頻設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)A/D、D/A轉(zhuǎn)換，數(shù)字上下變頻及與數(shù)據(jù)流網(wǎng)絡(luò)部分的通信。
全連接數(shù)字信道部分由四個(gè)高速數(shù)字信號(hào)處理單元組成。設(shè)備實(shí)現(xiàn)基帶數(shù)據(jù)的傳輸和信道模擬的矩陣運(yùn)算。如和射頻信號(hào)處理部分的數(shù)據(jù)交互及FPGA間的數(shù)據(jù)交互。
可視化電磁環(huán)境配置與顯示界面部分由一臺(tái)高性能X86雙CPU服務(wù)器組成。實(shí)現(xiàn)對(duì)本系統(tǒng)各部分的監(jiān)控、戰(zhàn)場(chǎng)場(chǎng)景參數(shù)的傳輸?shù)葍?nèi)容。
時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)由時(shí)鐘分配器組成。產(chǎn)生10MHz時(shí)鐘及PPS信號(hào)，實(shí)現(xiàn)X310與高速數(shù)字信號(hào)處理板的時(shí)鐘同步。
系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信由一臺(tái)千兆交換器組成。
實(shí)現(xiàn)服務(wù)器對(duì)各組件的監(jiān)控，數(shù)據(jù)傳輸及各組件間的數(shù)據(jù)通信。
如圖3.1所示，32臺(tái)USRP、4臺(tái)高速數(shù)字信號(hào)處理單元和服務(wù)器等組成信道模擬器，32個(gè)USRP用于用戶接入信道模擬器，兩者通過SMA線纜直接連接。一臺(tái)服務(wù)器用于控制USRP和高速數(shù)字信號(hào)處理單元，并負(fù)責(zé)存儲(chǔ)及傳輸濾波器系數(shù)給高速數(shù)字信號(hào)處理單元。設(shè)備間通信接口為10GE以太網(wǎng)，采用UDP協(xié)議，配置一臺(tái)10GE交換機(jī)實(shí)現(xiàn)相互通信。
工作過程為用戶將射頻數(shù)據(jù)通過SMA線纜傳輸?shù)侥M器的USRP，然后被USRP還原的基帶信號(hào)傳輸?shù)礁咚贁?shù)字信號(hào)處理單元中，經(jīng)過64x64 FIR濾波器矩陣運(yùn)算后，數(shù)據(jù)又被同一臺(tái)USRP接收回來，并通過射頻SMA接口傳輸回用戶。
3.2 硬件組成
3.2.1 USRP X310說明
USRP X310作為中頻信號(hào)處理核心器件，一是負(fù)責(zé)接收來自波束成型部分的基帶信號(hào)，將基帶信號(hào)上變頻轉(zhuǎn)化為射頻信號(hào)發(fā)送出去；二是接收射頻信號(hào)，并將射頻信號(hào)下變頻轉(zhuǎn)化為基帶信號(hào)傳送給后端波束成型部分。
表1 USRP X310主要參數(shù)說明
參數(shù)類別 | 數(shù)值 | 單位 |
輸入\輸出 | ||
直流電壓輸入 | 12 | V |
功率消耗 | 45 | W |
轉(zhuǎn)換模塊參數(shù) | ||
ADC采樣速率(最大) | 200 | MS/s |
ADC分辨率 | 14 | bits |
DAC采樣速率 | 800 | MS/s |
DAC分辨率 | 16 | bits |
與主機(jī)最大速率(16b) | 200 | MS/s |
本振精度 | 2.5 | ppm |
未鎖定GPSDO精度 | 20 | ppb |
設(shè)備主要由基帶主板和射頻子板組成?；鶐е靼宀捎?span style="border: 0px none;padding: 0px">Xilinx Kintex系列FPGA，及DDR3、Flash、JTAG、時(shí)鐘和參考時(shí)鐘 、PPS信號(hào)輸入輸出組成。射頻子板由UBX子板實(shí)現(xiàn)2x2模式，包括AD/DA，射頻前端電路等組成。UBX子板工作頻率為10M-6GHz，兩通道最高160MHz帶寬。本系統(tǒng)中
Flash中存有FPGA bit文件，上電后bit被自動(dòng)加載到FPGA中，FPGA具備收發(fā)SFP+數(shù)據(jù)及AD/DA數(shù)據(jù)功能。上位機(jī)軟件通過SFP+接口配置FPGA相關(guān)參數(shù)，使得FPGA可以收發(fā)特定采樣率及頻點(diǎn)的射頻信號(hào)，另一個(gè)SFP+接口即可收發(fā)IQ信號(hào)。上位機(jī)軟件需要安裝特定驅(qū)動(dòng)及應(yīng)用軟件即可實(shí)現(xiàn)軟件端操作。
表 2 X310接口說明
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