全通型無線電磁環(huán)境模擬器平臺技術方案
1． 背景和意義
在未來的現(xiàn)代化對抗中，電子對抗尤其是通信與雷達的電子對抗能力，將對戰(zhàn)略攻防起到關鍵作用。構建戰(zhàn)場電磁環(huán)境模擬器，對提高未來電子對抗能力具有重要的意義，具體而言，包括以下三個方面：
圖 1 戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境示意圖
1） 為電磁環(huán)境感知學習關鍵技術算法研究提供性能評估和快速驗證平臺
復雜電磁環(huán)境中的通信或作戰(zhàn)設備，需要環(huán)境感知獲取頻譜狀態(tài)信息，綜合出當前頻譜利用狀態(tài)圖譜，并通過學習推理，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)絡等機器學習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的復雜環(huán)境中，快速驗證關鍵技術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，擬構建戰(zhàn)場電磁環(huán)境模擬器，提供復雜場景實時無線信道模擬，為電磁環(huán)境感知學習關鍵技術算法研究提供性能評估和快速驗證平臺。
2） 為面向戰(zhàn)場環(huán)境中的自組織通信技術研究提供驗證與評估平臺
在復雜電磁環(huán)境中，根據(jù)電磁環(huán)境實時環(huán)境自適應/自組織通信，為電子偵察、作戰(zhàn)協(xié)調(diào)等局部通信目標提供保障，對獲得信息權具有重要意義。當前，面向復雜環(huán)境的自組織/自適應通信技術圍繞自組織鏈路建立、頻率選擇、鏈路自適應、抗干擾通信等目標展開，但其驗證手段以計算機仿真或者理想環(huán)境為主。構建戰(zhàn)場電磁環(huán)境模擬器，可以為自組織通信技術的研究提供面向戰(zhàn)場的復雜電磁模擬環(huán)境，進行更有效的技術驗證和評估。
3） 為實際戰(zhàn)場環(huán)境的電子對抗提供模擬演練平臺
為滿足適應復雜對抗環(huán)境的需求，軍事通信需要具備感知環(huán)境狀態(tài)、學習對抗策略、重構通信參數(shù)等功能。以多兵種聯(lián)合作戰(zhàn)為例，空軍的飛機、海軍的艦艇與海島、火箭軍的導彈等各作戰(zhàn)平臺要素之間需要通過無線傳輸進行文本、語音、圖像、視頻等各種信息的交互，同時面臨著敵方干擾、攻擊和竊聽等嚴峻威脅。通過環(huán)境感知獲取頻譜狀態(tài)信息、通過學習推理得到敵方干擾等特征與規(guī)律、通過結合感知與學習的結果來智能重構通信參數(shù)以實現(xiàn)靈巧躲避干擾、積極主動防御、自適應穩(wěn)健通信。構建戰(zhàn)場電磁環(huán)境模擬器，可以為電子對抗的提供模擬演練平臺。
2． 主要任務與功能
2.1 主要任務
戰(zhàn)場電磁環(huán)境模擬器，連接多個無線電設備，提供64收發(fā)通道，可提供戰(zhàn)場復雜無線信道環(huán)境的實時模擬，其主要任務及功能如圖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行基本配置。在模擬器的輸入端，接收來自無線設備的射頻信號，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，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，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，發(fā)送至無線設備。
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)，實現(xiàn)多輸入多輸出全連接數(shù)字信道模擬，即每個輸入信號經(jīng)歷獨立或相關的信道到達每個輸出口。每個輸入至輸出的信道可以獨立配置并實現(xiàn)多徑衰落、傳播時延、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) 配置無線設備的連接的個數(shù)，模擬器工作頻點、工作帶寬，每個無線設備的占用的通道數(shù)等信息。
2) 可視化信道環(huán)境配置，配置無線信道場景，并包括每個用戶的位置信息，運動信息的實時顯示，并根據(jù)這些信息實時生成多徑信道系數(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時頻譜。
3． 系統(tǒng)硬件組成與說明
3.1 設備組成概述
全通型無線電磁環(huán)境模擬器平臺硬件組成如下圖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備，并實現(xiàn)A/D、D/A轉(zhuǎn)換，數(shù)字上下變頻及與數(shù)據(jù)流網(wǎng)絡部分的通信。
全連接數(shù)字信道部分由四個高速數(shù)字信號處理單元組成。設備實現(xiàn)基帶數(shù)據(jù)的傳輸和信道模擬的矩陣運算。如和射頻信號處理部分的數(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高性能X86雙CPU服務器組成。實現(xiàn)對本系統(tǒng)各部分的監(jiān)控、戰(zhàn)場場景參數(shù)的傳輸?shù)葍?nèi)容。
時鐘分配網(wǎng)絡由時鐘分配器組成。產(chǎn)生10MHz時鐘及PPS信號，實現(xiàn)X310與高速數(shù)字信號處理板的時鐘同步。
系統(tǒng)網(wǎng)絡通信由一臺千兆交換器組成。
實現(xiàn)服務器對各組件的監(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USRP、4臺高速數(shù)字信號處理單元和服務器等組成信道模擬器，32個USRP用于用戶接入信道模擬器，兩者通過SMA線纜直接連接。一臺服務器用于控制USRP和高速數(shù)字信號處理單元，并負責存儲及傳輸濾波器系數(shù)給高速數(shù)字信號處理單元。設備間通信接口為10GE以太網(wǎng)，采用UDP協(xié)議，配置一臺10GE交換機實現(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還原的基帶信號傳輸?shù)礁咚贁?shù)字信號處理單元中，經(jīng)過64x64 FIR濾波器矩陣運算后，數(shù)據(jù)又被同一臺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作為中頻信號處理核心器件，一是負責接收來自波束成型部分的基帶信號，將基帶信號上變頻轉(zhuǎn)化為射頻信號發(fā)送出去；二是接收射頻信號，并將射頻信號下變頻轉(zhuǎn)化為基帶信號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 |
與主機最大速率(16b) | 200 | MS/s |
本振精度 | 2.5 | ppm |
未鎖定GPSDO精度 | 20 | ppb |
設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、時鐘和參考時鐘 、PPS信號輸入輸出組成。射頻子板由UBX子板實現(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。上位機軟件通過SFP+接口配置FPGA相關參數(shù)，使得FPGA可以收發(fā)特定采樣率及頻點的射頻信號，另一個SFP+接口即可收發(fā)IQ信號。上位機軟件需要安裝特定驅(qū)動及應用軟件即可實現(xiàn)軟件端操作。
表 2 X310接口說明
序號 | 接口 | 類型 | 描述 |
1 | JTAG | USB-B | FPGA調(diào)試接口 |
2 | RF A | SMA | 射頻信號收發(fā) |
3 | RF B | SMA | 射頻信號收發(fā) |
4 | AUX I/O | D-SUB | 12bit GPIO |
5 | 1G/10G ETH | SFP+ | 傳輸以太網(wǎng)或Aurora數(shù)據(jù) |
6 | REF OUT |
全通型無線電磁環(huán)境模擬器平臺技術方案 1． 背景和意義 在未來的現(xiàn)代化對抗中，電子對抗尤其是通信與雷達的電子對抗能力，將對戰(zhàn)略攻防起到關鍵作用。構建戰(zhàn)場電磁環(huán)境模擬器，對提高未來電子對抗能力具有重要的意義，具體而言，包括以下三個方面： 圖 1 戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境示意圖
1） 為電磁環(huán)境感知學習關鍵技術算法研究提供性能評估和快速驗證平臺 復雜電磁環(huán)境中的通信或作戰(zhàn)設備，需要環(huán)境感知獲取頻譜狀態(tài)信息，綜合出當前頻譜利用狀態(tài)圖譜，并通過學習推理，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)絡等機器學習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的復雜環(huán)境中，快速驗證關鍵技術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，擬構建戰(zhàn)場電磁環(huán)境模擬器，提供復雜場景實時無線信道模擬，為電磁環(huán)境感知學習關鍵技術算法研究提供性能評估和快速驗證平臺。 2） 為面向戰(zhàn)場環(huán)境中的自組織通信技術研究提供驗證與評估平臺 在復雜電磁環(huán)境中，根據(jù)電磁環(huán)境實時環(huán)境自適應/自組織通信，為電子偵察、作戰(zhàn)協(xié)調(diào)等局部通信目標提供保障，對獲得信息權具有重要意義。當前，面向復雜環(huán)境的自組織/自適應通信技術圍繞自組織鏈路建立、頻率選擇、鏈路自適應、抗干擾通信等目標展開，但其驗證手段以計算機仿真或者理想環(huán)境為主。構建戰(zhàn)場電磁環(huán)境模擬器，可以為自組織通信技術的研究提供面向戰(zhàn)場的復雜電磁模擬環(huán)境，進行更有效的技術驗證和評估。 3） 為實際戰(zhàn)場環(huán)境的電子對抗提供模擬演練平臺 為滿足適應復雜對抗環(huán)境的需求，軍事通信需要具備感知環(huán)境狀態(tài)、學習對抗策略、重構通信參數(shù)等功能。以多兵種聯(lián)合作戰(zhàn)為例，空軍的飛機、海軍的艦艇與海島、火箭軍的導彈等各作戰(zhàn)平臺要素之間需要通過無線傳輸進行文本、語音、圖像、視頻等各種信息的交互，同時面臨著敵方干擾、攻擊和竊聽等嚴峻威脅。通過環(huán)境感知獲取頻譜狀態(tài)信息、通過學習推理得到敵方干擾等特征與規(guī)律、通過結合感知與學習的結果來智能重構通信參數(shù)以實現(xiàn)靈巧躲避干擾、積極主動防御、自適應穩(wěn)健通信。構建戰(zhàn)場電磁環(huán)境模擬器，可以為電子對抗的提供模擬演練平臺。 2． 主要任務與功能 2.1 主要任務 戰(zhàn)場電磁環(huán)境模擬器，連接多個無線電設備，提供64收發(fā)通道，可提供戰(zhàn)場復雜無線信道環(huán)境的實時模擬，其主要任務及功能如圖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行基本配置。在模擬器的輸入端，接收來自無線設備的射頻信號，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，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，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，發(fā)送至無線設備。 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)，實現(xiàn)多輸入多輸出全連接數(shù)字信道模擬，即每個輸入信號經(jīng)歷獨立或相關的信道到達每個輸出口。每個輸入至輸出的信道可以獨立配置并實現(xiàn)多徑衰落、傳播時延、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) 配置無線設備的連接的個數(shù)，模擬器工作頻點、工作帶寬，每個無線設備的占用的通道數(shù)等信息。 2) 可視化信道環(huán)境配置，配置無線信道場景，并包括每個用戶的位置信息，運動信息的實時顯示，并根據(jù)這些信息實時生成多徑信道系數(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時頻譜。 3． 系統(tǒng)硬件組成與說明 3.1 設備組成概述 全通型無線電磁環(huán)境模擬器平臺硬件組成如下圖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備，并實現(xiàn)A/D、D/A轉(zhuǎn)換，數(shù)字上下變頻及與數(shù)據(jù)流網(wǎng)絡部分的通信。 全連接數(shù)字信道部分由四個高速數(shù)字信號處理單元組成。設備實現(xiàn)基帶數(shù)據(jù)的傳輸和信道模擬的矩陣運算。如和射頻信號處理部分的數(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高性能X86雙CPU服務器組成。實現(xiàn)對本系統(tǒng)各部分的監(jiān)控、戰(zhàn)場場景參數(shù)的傳輸?shù)葍?nèi)容。 時鐘分配網(wǎng)絡由時鐘分配器組成。產(chǎn)生10MHz時鐘及PPS信號，實現(xiàn)X310與高速數(shù)字信號處理板的時鐘同步。 系統(tǒng)網(wǎng)絡通信由一臺千兆交換器組成。 實現(xiàn)服務器對各組件的監(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USRP、4臺高速數(shù)字信號處理單元和服務器等組成信道模擬器，32個USRP用于用戶接入信道模擬器，兩者通過SMA線纜直接連接。一臺服務器用于控制USRP和高速數(shù)字信號處理單元，并負責存儲及傳輸濾波器系數(shù)給高速數(shù)字信號處理單元。設備間通信接口為10GE以太網(wǎng)，采用UDP協(xié)議，配置一臺10GE交換機實現(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還原的基帶信號傳輸?shù)礁咚贁?shù)字信號處理單元中，經(jīng)過64x64 FIR濾波器矩陣運算后，數(shù)據(jù)又被同一臺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作為中頻信號處理核心器件，一是負責接收來自波束成型部分的基帶信號，將基帶信號上變頻轉(zhuǎn)化為射頻信號發(fā)送出去；二是接收射頻信號，并將射頻信號下變頻轉(zhuǎn)化為基帶信號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 | 與主機最大速率(16b) | 200 | MS/s | 本振精度 | 2.5 | ppm | 未鎖定GPSDO精度 | 20 | ppb |
設備主要由基帶主板和射頻子板組成。基帶主板采用Xilinx Kintex系列FPGA，及DDR3、Flash、JTAG、時鐘和參考時鐘 、PPS信號輸入輸出組成。射頻子板由UBX子板實現(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。上位機軟件通過SFP+接口配置FPGA相關參數(shù)，使得FPGA可以收發(fā)特定采樣率及頻點的射頻信號，另一個SFP+接口即可收發(fā)IQ信號。上位機軟件需要安裝特定驅(qū)動及應用軟件即可實現(xiàn)軟件端操作。 表 2 X310接口說明 序號 | 接口 | 類型 | 描述 | 1 | JTAG | USB-B | FPGA調(diào)試接口 | 2 | RF A | SMA | 射頻信號收發(fā) | 3 | RF B | SMA | 射頻信號收發(fā) | 4 | AUX I/O | D-SUB | 12bit GPIO | 5 | 1G/10G ETH | SFP+ | 傳輸以太網(wǎng)或Aurora數(shù)據(jù) | 6 | REF OUT |
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