2022年10月25日 星期二 8時38分18秒
全通型無線電磁環境模擬器平臺技術方案
1． 背景和意義
在未來的現代化對抗中，電子對抗尤其是通信與雷達的電子對抗能力，將對戰略攻防起到關鍵作用。構建戰場電磁環境模擬器，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 戰場復雜電磁環境示意圖
1） 為電磁環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
復雜電磁環境中的通信或作戰設備，需要環境感知獲取頻譜狀態信息，綜合出當前頻譜利用狀態圖譜，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，利用深度神經網絡等機器學習方法已成為頻譜感知，提取感知電磁環境信息的一種重要手段。然而在面向各種真實的復雜環境中，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，擬構建戰場電磁環境模擬器，提供復雜場景實時無線信道模擬，為電磁環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） 為面向戰場環境中的自組織通信技術研究提供驗證與評估平臺
在復雜電磁環境中，根據電磁環境實時環境自適應/自組織通信，為電子偵察、作戰協調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境為主。構建戰場電磁環境模擬器，可以為自組織通信技術的研究提供面向戰場的復雜電磁模擬環境，進行更有效的技術驗證和評估。
3） 為實際戰場環境的電子對抗提供模擬演練平臺
為滿足適應復雜對抗環境的需求，軍事通信需要具備感知環境狀態、學習對抗策略、重構通信參數等功能。以多兵種聯合作戰為例，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。通過環境感知獲取頻譜狀態信息、通過學習推理得到敵方干擾等特征與規律、通過結合感知與學習的結果來智能重構通信參數以實現靈巧躲避干擾、積極主動防御、自適應穩健通信。構建戰場電磁環境模擬器，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
戰場電磁環境模擬器，連接多個無線電設備，提供64收發通道，可提供戰場復雜無線信道環境的實時模擬，其主要任務及功能如圖2所示。具體包括以下部分：可視化電磁環境配置部分、射頻及模數/數模轉換部分、全連接數字基帶信道部分。
2.2 射頻及模數/數模轉換部分
射頻及模數/數模轉換部分連接射頻部分與全連接數字基帶信道，并通過可視化電磁環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，經過下變頻和模數轉換，在經過數字中頻處理，得到數字基帶信號，并輸入至全連接數字基帶信道部分。經過全連接數字基帶信道部分的數字基帶信號，經過數字中頻處理，數模轉換和上變頻，輸出射頻信號，發送至無線設備。
2.3 全連接數字信道部分
基于可視化電磁環境配置與顯示界面的配置參數，實現多輸入多輸出全連接數字信道模擬，即每個輸入信號經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，模擬器工作頻點、工作帶寬，每個無線設備的占用的通道數等信息。
2) 可視化信道環境配置，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，并根據這些信息實時生成多徑信道系數，并發送至全連接數字信道部分。
3) 顯示所有通道和給定接收信道的實時頻譜。
3． 系統硬件組成與說明
3.1 設備組成概述
全通型無線電磁環境模擬器平臺硬件組成如下圖3所示：
射頻及模數/數模轉換部分由USRP X310+ UBX子板組成。用于接入用戶射頻設備，并實現A/D、D/A轉換，數字上下變頻及與數據流網絡部分的通信。
全連接數字信道部分由四個高速數字信號處理單元組成。設備實現基帶數據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據交互及FPGA間的數據交互。
可視化電磁環境配置與顯示界面部分由一臺高性能X86雙CPU服務器組成。實現對本系統各部分的監控、戰場場景參數的傳輸等內容。
時鐘分配網絡由時鐘分配器組成。產生10MHz時鐘及PPS信號，實現X310與高速數字信號處理板的時鐘同步。
系統網絡通信由一臺千兆交換器組成。
實現服務器對各組件的監控，數據傳輸及各組件間的數據通信。
如圖3.1所示，32臺USRP、4臺高速數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和高速數字信號處理單元，并負責存儲及傳輸濾波器系數給高速數字信號處理單元。設備間通信接口為10GE以太網，采用UDP協議，配置一臺10GE交換機實現相互通信。
工作過程為用戶將射頻數據通過SMA線纜傳輸到模擬器的USRP，然后被USRP還原的基帶信號傳輸到高速數字信號處理單元中，經過64x64 FIR濾波器矩陣運算后，數據又被同一臺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化為射頻信號發送出去；二是接收射頻信號，并將射頻信號下變頻轉化為基帶信號傳送給后端波束成型部分。
表1 USRP X310主要參數說明
參數類別 | 數值 | 單位 |
輸入\輸出 | ||
直流電壓輸入 | 12 | V |
功率消耗 | 45 | W |
轉換模塊參數 | ||
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SFP+數據及AD/DA數據功能。上位機軟件通過SFP+接口配置FPGA相關參數，使得FPGA可以收發特定采樣率及頻點的射頻信號，另一個SFP+接口即可收發IQ信號。上位機軟件需要安裝特定驅動及應用軟件即可實現軟件端操作。
表 2 X310接口說明
序號 | 接口 | 類型 | 描述 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 | JTAG | USB-B | FPGA調試接口 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2 | RF A | SMA | 射頻信號收發 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
3 | RF B | SMA | 射頻信號收發 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
4 | AUX I/O | D-SUB | 12bit GPIO | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
5 | 1G/10G ETH | SFP+ | 傳輸以太網或Aurora數據 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
6 | REF OUT |
全通型無線電磁環境模擬器平臺技術方案
1． 背景和意義 在未來的現代化對抗中，電子對抗尤其是通信與雷達的電子對抗能力，將對戰略攻防起到關鍵作用。構建戰場電磁環境模擬器，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 戰場復雜電磁環境示意圖 1） 為電磁環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 復雜電磁環境中的通信或作戰設備，需要環境感知獲取頻譜狀態信息，綜合出當前頻譜利用狀態圖譜，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，利用深度神經網絡等機器學習方法已成為頻譜感知，提取感知電磁環境信息的一種重要手段。然而在面向各種真實的復雜環境中，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，擬構建戰場電磁環境模擬器，提供復雜場景實時無線信道模擬，為電磁環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） 為面向戰場環境中的自組織通信技術研究提供驗證與評估平臺 在復雜電磁環境中，根據電磁環境實時環境自適應/自組織通信，為電子偵察、作戰協調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境為主。構建戰場電磁環境模擬器，可以為自組織通信技術的研究提供面向戰場的復雜電磁模擬環境，進行更有效的技術驗證和評估。
3） 為實際戰場環境的電子對抗提供模擬演練平臺 為滿足適應復雜對抗環境的需求，軍事通信需要具備感知環境狀態、學習對抗策略、重構通信參數等功能。以多兵種聯合作戰為例，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。通過環境感知獲取頻譜狀態信息、通過學習推理得到敵方干擾等特征與規律、通過結合感知與學習的結果來智能重構通信參數以實現靈巧躲避干擾、積極主動防御、自適應穩健通信。構建戰場電磁環境模擬器，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 戰場電磁環境模擬器，連接多個無線電設備，提供64收發通道，可提供戰場復雜無線信道環境的實時模擬，其主要任務及功能如圖2所示。具體包括以下部分：可視化電磁環境配置部分、射頻及模數/數模轉換部分、全連接數字基帶信道部分。 2.2 射頻及模數/數模轉換部分 射頻及模數/數模轉換部分連接射頻部分與全連接數字基帶信道，并通過可視化電磁環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，經過下變頻和模數轉換，在經過數字中頻處理，得到數字基帶信號，并輸入至全連接數字基帶信道部分。經過全連接數字基帶信道部分的數字基帶信號，經過數字中頻處理，數模轉換和上變頻，輸出射頻信號，發送至無線設備。
2.3 全連接數字信道部分 基于可視化電磁環境配置與顯示界面的配置參數，實現多輸入多輸出全連接數字信道模擬，即每個輸入信號經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，模擬器工作頻點、工作帶寬，每個無線設備的占用的通道數等信息。 2) 可視化信道環境配置，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，并根據這些信息實時生成多徑信道系數，并發送至全連接數字信道部分。 3) 顯示所有通道和給定接收信道的實時頻譜。
3． 系統硬件組成與說明 3.1 設備組成概述 全通型無線電磁環境模擬器平臺硬件組成如下圖3所示： 射頻及模數/數模轉換部分由USRP X310+ UBX子板組成。用于接入用戶射頻設備，并實現A/D、D/A轉換，數字上下變頻及與數據流網絡部分的通信。 全連接數字信道部分由四個高速數字信號處理單元組成。設備實現基帶數據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據交互及FPGA間的數據交互。 可視化電磁環境配置與顯示界面部分由一臺高性能X86雙CPU服務器組成。實現對本系統各部分的監控、戰場場景參數的傳輸等內容。 時鐘分配網絡由時鐘分配器組成。產生10MHz時鐘及PPS信號，實現X310與高速數字信號處理板的時鐘同步。 系統網絡通信由一臺千兆交換器組成。 實現服務器對各組件的監控，數據傳輸及各組件間的數據通信。 如圖3.1所示，32臺USRP、4臺高速數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和高速數字信號處理單元，并負責存儲及傳輸濾波器系數給高速數字信號處理單元。設備間通信接口為10GE以太網，采用UDP協議，配置一臺10GE交換機實現相互通信。 工作過程為用戶將射頻數據通過SMA線纜傳輸到模擬器的USRP，然后被USRP還原的基帶信號傳輸到高速數字信號處理單元中，經過64x64 FIR濾波器矩陣運算后，數據又被同一臺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化為射頻信號發送出去；二是接收射頻信號，并將射頻信號下變頻轉化為基帶信號傳送給后端波束成型部分。 表1 USRP X310主要參數說明
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SFP+數據及AD/DA數據功能。上位機軟件通過SFP+接口配置FPGA相關參數，使得FPGA可以收發特定采樣率及頻點的射頻信號，另一個SFP+接口即可收發IQ信號。上位機軟件需要安裝特定驅動及應用軟件即可實現軟件端操作。
表 2 X310接口說明
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