一種短波動(dòng)態(tài)頻譜接入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

   頻譜接入也稱頻率接入、無(wú)線電信道接入等，是無(wú)線電接入技術(shù)的基礎(chǔ)。動(dòng)態(tài)頻譜接入是相對(duì)于靜態(tài)頻譜接入而言的。靜態(tài)頻譜接入是指通信系統(tǒng)只能在頻率管理部門(mén)預(yù)先分配的頻率或頻段上工作，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是管理規(guī)范，能夠確保各系統(tǒng)有序可靠地運(yùn)行，但同時(shí)也存在著頻譜資源利用率低的缺點(diǎn)。而動(dòng)態(tài)頻譜接入廣義上的概念是把整個(gè)無(wú)線電頻譜作為可資利用的信道資源，實(shí)時(shí)地感知、識(shí)別，有效地加以利用; 狹義上的動(dòng)態(tài)頻譜接入是指在較寬的頻段上，對(duì)頻譜進(jìn)行感知、識(shí)別和利用。短波動(dòng)態(tài)頻譜接入就是對(duì)短波頻譜環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)地感知，實(shí)時(shí)選擇最優(yōu)空閑工作頻率，自適應(yīng)改變短波通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)，使短波通信系統(tǒng)始終建鏈在傳輸條件較好的信道上，從而有效利用空閑頻譜，大大提高短波頻段的頻譜資源利用率。

　　短波動(dòng)態(tài)頻譜接入系統(tǒng)基于ARM 嵌入式系統(tǒng)硬件和軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，針對(duì)短波頻譜資源日益貧乏、信道傳播特性不穩(wěn)定的問(wèn)題，采用無(wú)源與有源相結(jié)合的動(dòng)態(tài)信道監(jiān)測(cè)方法，以及基于多用戶的協(xié)作頻譜感知方法，實(shí)現(xiàn)了短波空閑頻譜的感知、短波最佳工作頻率的自動(dòng)選擇以及頻譜的動(dòng)態(tài)接入控制，提高了短波頻譜的利用率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃约坝行浴?/p>

　　1   短波動(dòng)態(tài)頻譜接入系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　短波動(dòng)態(tài)頻譜接入系統(tǒng)的硬件組成部分主要包括:TMS320VC5502 數(shù)字信號(hào)處理器、音頻信號(hào)處理模塊以及外部存儲(chǔ)器等部分。

　　TMS320VC5502 是信號(hào)處理部分的核心，主要負(fù)責(zé)對(duì)音頻信號(hào)處理模塊送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析;TLV320AIC10 音頻處理模塊主要完成對(duì)輸入模擬信號(hào)的濾波和A/ D 轉(zhuǎn)換工作; SST39LF800A 作為程序存儲(chǔ)器，存放DSP 的引導(dǎo)程序; SDRAM 作為外部存儲(chǔ)空間的擴(kuò)展，存放處理的數(shù)據(jù); DSP 與各外設(shè)的聯(lián)絡(luò)由XC2C128VQ100 來(lái)完成; 2410 開(kāi)發(fā)板承載整個(gè)應(yīng)用程序，同時(shí)通過(guò)RS 232 串口實(shí)現(xiàn)對(duì)短波電臺(tái)的自動(dòng)化操作和控制，并通過(guò)反饋信息獲取電臺(tái)的工作狀態(tài)，圖1 為系統(tǒng)的硬件框圖。

圖1  系統(tǒng)硬件框圖

　　系統(tǒng)工作過(guò)程如下: 系統(tǒng)加電TMS320VC5502復(fù)位后，由其內(nèi)部固化的引導(dǎo)程序( BOOT) 將存于FLASH 的程序和數(shù)據(jù)搬移至內(nèi)部RAM。由電臺(tái)音頻口送來(lái)的音頻信號(hào)經(jīng)TLV320AIC10 采樣后，送到高速處理器TMS320VC5502 進(jìn)行基帶信號(hào)的FFT 運(yùn)算。DSP 每運(yùn)行一次算法，將結(jié)果送至RAM，在信道掃描一周后，RAM 將結(jié)果送到DSP，將各個(gè)信道的噪聲功率值排序，并將結(jié)果通過(guò)RS232 口送給SBC 2410 開(kāi)發(fā)板，SBC 2410 開(kāi)發(fā)板收到后，根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的噪聲門(mén)限為每個(gè)信道劃分等級(jí)，并將其存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

　　2   短波動(dòng)態(tài)頻譜接入系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　2. 1   探測(cè)信號(hào)發(fā)送主程序設(shè)計(jì)

　　探測(cè)信號(hào)發(fā)送主程序流程如圖2 所示。

圖2  探測(cè)信號(hào)發(fā)送主程序流程

　　有效載荷經(jīng)過(guò)卷積編碼、交織和正交符號(hào)映射后，形成長(zhǎng)度為13 1*= 832 的3 bit 數(shù)據(jù)符號(hào)序列，然后與保護(hù)序列、探測(cè)報(bào)頭和數(shù)據(jù)符號(hào)序列組成信道符號(hào)序列，以2 400 符號(hào)/ s 的速率對(duì)1 800 Hz的載波進(jìn)行8PSK 調(diào)制，產(chǎn)生發(fā)送波形。

　　2. 2   接收信號(hào)恢復(fù)主程序設(shè)計(jì)

　　在沒(méi)有通信任務(wù)的狀態(tài)下，系統(tǒng)持續(xù)地監(jiān)測(cè)信道上有沒(méi)有高過(guò)門(mén)限的有效信號(hào)序列。如果發(fā)現(xiàn)信號(hào)，系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)信號(hào)進(jìn)行捕獲。當(dāng)?shù)? 次出現(xiàn)峰值大于門(mén)限時(shí)，記錄此時(shí)的頻差估計(jì)值，然后作3 次確認(rèn)。若3 次確認(rèn)中的峰值大于門(mén)限的少于2 次，或者頻差估計(jì)值之間的差值超出允許的范圍，則認(rèn)為捕獲無(wú)效，系統(tǒng)重新開(kāi)始搜索; 若確認(rèn)過(guò)程中大于門(mén)限的峰值次數(shù)和頻差估計(jì)值之間的差值在允許范圍內(nèi)，則進(jìn)行位同步和信道估計(jì)。在位同步過(guò)程中，通過(guò)與本地序列的滑動(dòng)相關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)位同步和信道估計(jì)，并對(duì)多次估計(jì)值的結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)處理，獲得最終的位同步和信道參數(shù)估值結(jié)果。根據(jù)位同步結(jié)果,通過(guò)采用分集接收、相關(guān)解擴(kuò)、解交織和解碼獲得原始信息，完成一次接收。根據(jù)前導(dǎo)序列的對(duì)比可獲得信道誤碼率，其軟件設(shè)計(jì)流程如圖3 所示。

圖3   接收信號(hào)恢復(fù)主程序流程

　　3   短波動(dòng)態(tài)頻譜接入系統(tǒng)性能測(cè)試

　　為了對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體性能進(jìn)行*估，先后在重慶? 遵義、重慶? 常州、重慶? 廣州、北京? 常州等不同距離的通信線路上進(jìn)行了3 個(gè)多月、共約1 200 余次的通信實(shí)驗(yàn)。

　　實(shí)驗(yàn)中主要對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的鏈路建立和基本數(shù)傳性能進(jìn)行了測(cè)試和*估。以鏈路建立和數(shù)據(jù)報(bào)文通信為主，每份報(bào)文以200 組為標(biāo)準(zhǔn)，每4 個(gè)字符為一組，共800 個(gè)字符進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。每隔30 min 發(fā)起一次呼叫，發(fā)起呼叫時(shí)的起始狀態(tài)為同步掃描狀態(tài)，待鏈路建立后并分別以600 baud 和1 200 baud 的數(shù)據(jù)傳輸速率發(fā)送報(bào)文。通過(guò)記錄鏈路建立情況、呼損率和數(shù)據(jù)報(bào)文的接收情況來(lái)測(cè)試系統(tǒng)的基本性能。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較分析表明，系統(tǒng)由于采用了短波頻譜感知技術(shù)、動(dòng)態(tài)頻率優(yōu)選等技術(shù)，建鏈概率和建鏈時(shí)間分別比二代短波電臺(tái)提高了約26% 和31% 。

　　在數(shù)據(jù)報(bào)文的通信過(guò)程中，由于系統(tǒng)采用了短波頻譜感知技術(shù)，通信前，系統(tǒng)根據(jù)頻譜感知結(jié)果優(yōu)選出了可靠空閑頻譜，保證了系統(tǒng)始終建鏈在可靠信道上。在數(shù)據(jù)傳輸速率為600 baud 和1 200 baud的前提條件下，報(bào)文的正確接收概率比普通的短波電臺(tái)提高了10%~ 12%，而且平均錯(cuò)誤字符的概率也比普通電臺(tái)降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到了10- 4，能夠充分滿足短波普通通信業(yè)務(wù)的需求。

　　4   結(jié)束語(yǔ)

　　綜上所述，基于短波動(dòng)態(tài)頻譜接入的頻譜感知技術(shù)改善了現(xiàn)有的二代短波通信系統(tǒng)的鏈路建立及業(yè)務(wù)傳輸性能，提高了短波數(shù)據(jù)通信的可靠性和有效性，對(duì)于提升通信裝備的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能具有十分重要的意義。