全通型无线电磁环境模拟器平台技术方案
1． 背景和意义
在未来的现代化对抗中，电子对抗尤其是通信与雷达的电子对抗能力，将对战略攻防起到关键作用。构建战场电磁环境模拟器，对提高未来电子对抗能力具有重要的意义，具体而言，包括以下三个方面：
图 1 战场复杂电磁环境示意图
1） 为电磁环境感知学习关键技术算法研究提供性能评估和快速验证平台
复杂电磁环境中的通信或作战设备，需要环境感知获取频谱状态信息，综合出当前频谱利用状态图谱，并通过学习推理，提取出信道特征和干扰特征等信息。近年来，利用深度神经网络等机器学习方法已成为频谱感知，提取感知电磁环境信息的一种重要手段。然而在面向各种真实的复杂环境中，快速验证关键技术算法的有效性和可靠性，目前尚未有效的手段。围绕这一目的，拟构建战场电磁环境模拟器，提供复杂场景实时无线信道模拟，为电磁环境感知学习关键技术算法研究提供性能评估和快速验证平台。
2） 为面向战场环境中的自组织通信技术研究提供验证与评估平台
在复杂电磁环境中，根据电磁环境实时环境自适应/自组织通信，为电子侦察、作战协调等局部通信目标提供保障，对获得信息权具有重要意义。当前，面向复杂环境的自组织/自适应通信技术围绕自组织链路建立、频率选择、链路自适应、抗干扰通信等目标展开，但其验证手段以计算机仿真或者理想环境为主。构建战场电磁环境模拟器，可以为自组织通信技术的研究提供面向战场的复杂电磁模拟环境，进行更有效的技术验证和评估。
3） 为实际战场环境的电子对抗提供模拟演练平台
为满足适应复杂对抗环境的需求，军事通信需要具备感知环境状态、学习对抗策略、重构通信参数等功能。以多兵种联合作战为例，空军的飞机、海军的舰艇与海岛、火箭军的导弹等各作战平台要素之间需要通过无线传输进行文本、语音、图像、视频等各种信息的交互，同时面临着敌方干扰、攻击和窃听等严峻威胁。通过环境感知获取频谱状态信息、通过学习推理得到敌方干扰等特征与规律、通过结合感知与学习的结果来智能重构通信参数以实现灵巧躲避干扰、积极主动防御、自适应稳健通信。构建战场电磁环境模拟器，可以为电子对抗的提供模拟演练平台。
2． 主要任务与功能
2.1 主要任务
战场电磁环境模拟器，连接多个无线电设备，提供64收发通道，可提供战场复杂无线信道环境的实时模拟，其主要任务及功能如图2所示。具体包括以下部分：可视化电磁环境配置部分、射频及模数/数模转换部分、全连接数字基带信道部分。
2.2 射频及模数/数模转换部分
射频及模数/数模转换部分连接射频部分与全连接数字基带信道，并通过可视化电磁环境配置与显示界面进行基本配置。在模拟器的输入端，接收来自无线设备的射频信号，经过下变频和模数转换，在经过数字中频处理，得到数字基带信号，并输入至全连接数字基带信道部分。经过全连接数字基带信道部分的数字基带信号，经过数字中频处理，数模转换和上变频，输出射频信号，发送至无线设备。
2.3 全连接数字信道部分
基于可视化电磁环境配置与显示界面的配置参数，实现多输入多输出全连接数字信道模拟，即每个输入信号经历独立或相关的信道到达每个输出口。每个输入至输出的信道可以独立配置并实现多径衰落、传播时延、多普勒频偏等信道特性。
2.4 可视化电磁环境配置与显示界面部分
该部分包括以下功能：
1) 配置无线设备的连接的个数，模拟器工作频点、工作带宽，每个无线设备的占用的通道数等信息。
2) 可视化信道环境配置，配置无线信道场景，并包括每个用户的位置信息，运动信息的实时显示，并根据这些信息实时生成多径信道系数，并发送至全连接数字信道部分。
3) 显示所有通道和给定接收信道的实时频谱。
3． 系统硬件组成与说明
3.1 设备组成概述
全通型无线电磁环境模拟器平台硬件组成如下图3所示：
射频及模数/数模转换部分由USRP X310+ UBX子板组成。用于接入用户射频设备，并实现A/D、D/A转换，数字上下变频及与数据流网络部分的通信。
全连接数字信道部分由四个高速数字信号处理单元组成。设备实现基带数据的传输和信道模拟的矩阵运算。如和射频信号处理部分的数据交互及FPGA间的数据交互。
可视化电磁环境配置与显示界面部分由一台高性能X86双CPU服务器组成。实现对本系统各部分的监控、战场场景参数的传输等内容。
时钟分配网络由时钟分配器组成。产生10MHz时钟及PPS信号，实现X310与高速数字信号处理板的时钟同步。
系统网络通信由一台千兆交换器组成。
实现服务器对各组件的监控，数据传输及各组件间的数据通信。
如图3.1所示，32台USRP、4台高速数字信号处理单元和服务器等组成信道模拟器，32个USRP用于用户接入信道模拟器，两者通过SMA线缆直接连接。一台服务器用于控制USRP和高速数字信号处理单元，并负责存储及传输滤波器系数给高速数字信号处理单元。设备间通信接口为10GE以太网，采用UDP协议，配置一台10GE交换机实现相互通信。
工作过程为用户将射频数据通过SMA线缆传输到模拟器的USRP，然后被USRP还原的基带信号传输到高速数字信号处理单元中，经过64x64 FIR滤波器矩阵运算后，数据又被同一台USRP接收回来，并通过射频SMA接口传输回用户。
3.2 硬件组成
3.2.1 USRP X310说明
USRP X310作为中频信号处理核心器件，一是负责接收来自波束成型部分的基带信号，将基带信号上变频转化为射频信号发送出去；二是接收射频信号，并将射频信号下变频转化为基带信号传送给后端波束成型部分。
表1 USRP X310主要参数说明
参数类别 | 数值 | 单位 |
输入\输出 |
直流电压输入 | 12 | V |
功率消耗 | 45 | W |
转换模块参数 |
ADC采样速率(最大) | 200 | MS/s |
ADC分辨率 | 14 | bits |
DAC采样速率 | 800 | MS/s |
DAC分辨率 | 16 | bits |
与主机最大速率(16b) | 200 | MS/s |
本振精度 | 2.5 | ppm |
未锁定GPSDO精度 | 20 | ppb |
设备主要由基带主板和射频子板组成。基带主板采用Xilinx Kintex系列FPGA，及DDR3、Flash、JTAG、时钟和参考时钟 、PPS信号输入输出组成。射频子板由UBX子板实现2x2模式，包括AD/DA，射频前端电路等组成。UBX子板工作频率为10M-6GHz，两通道最高160MHz带宽。本系统中
Flash中存有FPGA bit文件，上电后bit被自动加载到FPGA中，FPGA具备收发SFP+数据及AD/DA数据功能。上位机软件通过SFP+接口配置FPGA相关参数，使得FPGA可以收发特定采样率及频点的射频信号，另一个SFP+接口即可收发IQ信号。上位机软件需要安装特定驱动及应用软件即可实现软件端操作。
表 2 X310接口说明
序号 | 接口 | 类型 | 描述 |
1 | JTAG | USB-B | FPGA调试接口 |
2 | RF A | SMA | 射频信号收发 |
3 | RF B | SMA | 射频信号收发 |
4 | AUX I/O | D-SUB | 12bit GPIO |
5 | 1G/10G ETH | SFP+ | 传输以太网或Aurora数据 |
6 | REF OUT |
全通型无线电磁环境模拟器平台技术方案 1． 背景和意义 在未来的现代化对抗中，电子对抗尤其是通信与雷达的电子对抗能力，将对战略攻防起到关键作用。构建战场电磁环境模拟器，对提高未来电子对抗能力具有重要的意义，具体而言，包括以下三个方面： 图 1 战场复杂电磁环境示意图
1） 为电磁环境感知学习关键技术算法研究提供性能评估和快速验证平台 复杂电磁环境中的通信或作战设备，需要环境感知获取频谱状态信息，综合出当前频谱利用状态图谱，并通过学习推理，提取出信道特征和干扰特征等信息。近年来，利用深度神经网络等机器学习方法已成为频谱感知，提取感知电磁环境信息的一种重要手段。然而在面向各种真实的复杂环境中，快速验证关键技术算法的有效性和可靠性，目前尚未有效的手段。围绕这一目的，拟构建战场电磁环境模拟器，提供复杂场景实时无线信道模拟，为电磁环境感知学习关键技术算法研究提供性能评估和快速验证平台。 2） 为面向战场环境中的自组织通信技术研究提供验证与评估平台 在复杂电磁环境中，根据电磁环境实时环境自适应/自组织通信，为电子侦察、作战协调等局部通信目标提供保障，对获得信息权具有重要意义。当前，面向复杂环境的自组织/自适应通信技术围绕自组织链路建立、频率选择、链路自适应、抗干扰通信等目标展开，但其验证手段以计算机仿真或者理想环境为主。构建战场电磁环境模拟器，可以为自组织通信技术的研究提供面向战场的复杂电磁模拟环境，进行更有效的技术验证和评估。 3） 为实际战场环境的电子对抗提供模拟演练平台 为满足适应复杂对抗环境的需求，军事通信需要具备感知环境状态、学习对抗策略、重构通信参数等功能。以多兵种联合作战为例，空军的飞机、海军的舰艇与海岛、火箭军的导弹等各作战平台要素之间需要通过无线传输进行文本、语音、图像、视频等各种信息的交互，同时面临着敌方干扰、攻击和窃听等严峻威胁。通过环境感知获取频谱状态信息、通过学习推理得到敌方干扰等特征与规律、通过结合感知与学习的结果来智能重构通信参数以实现灵巧躲避干扰、积极主动防御、自适应稳健通信。构建战场电磁环境模拟器，可以为电子对抗的提供模拟演练平台。 2． 主要任务与功能 2.1 主要任务 战场电磁环境模拟器，连接多个无线电设备，提供64收发通道，可提供战场复杂无线信道环境的实时模拟，其主要任务及功能如图2所示。具体包括以下部分：可视化电磁环境配置部分、射频及模数/数模转换部分、全连接数字基带信道部分。
2.2 射频及模数/数模转换部分 射频及模数/数模转换部分连接射频部分与全连接数字基带信道，并通过可视化电磁环境配置与显示界面进行基本配置。在模拟器的输入端，接收来自无线设备的射频信号，经过下变频和模数转换，在经过数字中频处理，得到数字基带信号，并输入至全连接数字基带信道部分。经过全连接数字基带信道部分的数字基带信号，经过数字中频处理，数模转换和上变频，输出射频信号，发送至无线设备。 2.3 全连接数字信道部分 基于可视化电磁环境配置与显示界面的配置参数，实现多输入多输出全连接数字信道模拟，即每个输入信号经历独立或相关的信道到达每个输出口。每个输入至输出的信道可以独立配置并实现多径衰落、传播时延、多普勒频偏等信道特性。 2.4 可视化电磁环境配置与显示界面部分 该部分包括以下功能： 1) 配置无线设备的连接的个数，模拟器工作频点、工作带宽，每个无线设备的占用的通道数等信息。 2) 可视化信道环境配置，配置无线信道场景，并包括每个用户的位置信息，运动信息的实时显示，并根据这些信息实时生成多径信道系数，并发送至全连接数字信道部分。 3) 显示所有通道和给定接收信道的实时频谱。 3． 系统硬件组成与说明 3.1 设备组成概述 全通型无线电磁环境模拟器平台硬件组成如下图3所示： 射频及模数/数模转换部分由USRP X310+ UBX子板组成。用于接入用户射频设备，并实现A/D、D/A转换，数字上下变频及与数据流网络部分的通信。 全连接数字信道部分由四个高速数字信号处理单元组成。设备实现基带数据的传输和信道模拟的矩阵运算。如和射频信号处理部分的数据交互及FPGA间的数据交互。 可视化电磁环境配置与显示界面部分由一台高性能X86双CPU服务器组成。实现对本系统各部分的监控、战场场景参数的传输等内容。 时钟分配网络由时钟分配器组成。产生10MHz时钟及PPS信号，实现X310与高速数字信号处理板的时钟同步。 系统网络通信由一台千兆交换器组成。 实现服务器对各组件的监控，数据传输及各组件间的数据通信。 如图3.1所示，32台USRP、4台高速数字信号处理单元和服务器等组成信道模拟器，32个USRP用于用户接入信道模拟器，两者通过SMA线缆直接连接。一台服务器用于控制USRP和高速数字信号处理单元，并负责存储及传输滤波器系数给高速数字信号处理单元。设备间通信接口为10GE以太网，采用UDP协议，配置一台10GE交换机实现相互通信。 工作过程为用户将射频数据通过SMA线缆传输到模拟器的USRP，然后被USRP还原的基带信号传输到高速数字信号处理单元中，经过64x64 FIR滤波器矩阵运算后，数据又被同一台USRP接收回来，并通过射频SMA接口传输回用户。
3.2 硬件组成 3.2.1 USRP X310说明 USRP X310作为中频信号处理核心器件，一是负责接收来自波束成型部分的基带信号，将基带信号上变频转化为射频信号发送出去；二是接收射频信号，并将射频信号下变频转化为基带信号传送给后端波束成型部分。 表1 USRP X310主要参数说明 参数类别 | 数值 | 单位 | 输入\输出 | 直流电压输入 | 12 | V | 功率消耗 | 45 | W | 转换模块参数 | ADC采样速率(最大) | 200 | MS/s | ADC分辨率 | 14 | bits | DAC采样速率 | 800 | MS/s | DAC分辨率 | 16 | bits | 与主机最大速率(16b) | 200 | MS/s | 本振精度 | 2.5 | ppm | 未锁定GPSDO精度 | 20 | ppb |
设备主要由基带主板和射频子板组成。基带主板采用Xilinx Kintex系列FPGA，及DDR3、Flash、JTAG、时钟和参考时钟 、PPS信号输入输出组成。射频子板由UBX子板实现2x2模式，包括AD/DA，射频前端电路等组成。UBX子板工作频率为10M-6GHz，两通道最高160MHz带宽。本系统中 Flash中存有FPGA bit文件，上电后bit被自动加载到FPGA中，FPGA具备收发SFP+数据及AD/DA数据功能。上位机软件通过SFP+接口配置FPGA相关参数，使得FPGA可以收发特定采样率及频点的射频信号，另一个SFP+接口即可收发IQ信号。上位机软件需要安装特定驱动及应用软件即可实现软件端操作。 表 2 X310接口说明 序号 | 接口 | 类型 | 描述 | 1 | JTAG | USB-B | FPGA调试接口 | 2 | RF A | SMA | 射频信号收发 | 3 | RF B | SMA | 射频信号收发 | 4 | AUX I/O | D-SUB | 12bit GPIO | 5 | 1G/10G ETH | SFP+ | 传输以太网或Aurora数据 | 6 | REF OUT |
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