基于USRP的L-DACS1前向链路设计与实现

胡文博,李昊洋,刘海涛

(1.中国民航大学 电子信息与自动化学院，天津 300300；2.四川九洲空管科技有限责任公司，四川 绵阳 621000)

0 引言

L-band Digital Aeronautical Communications System 1(L-DACS1)[1-2]是一种基于OFDM多载波技术的未来宽带航空通信系统，主要为陆地航路及终端区飞行的航空器提供数据及语音通信服务[3-4]。L-DACS1系统具有传输容量大、用户数据吞吐量高和信息速率高等优点，更适用于航空信道传输[5]。因此，L-DACS1系统被视为未来民用航空领域移动通信的重要技术手段，并获得学术界和业界的广泛关注[6-7]。

为解决宽带航空数据链系统的优化设计问题，德宇航(DLR)开展了宽带航空数据链物理层传输方案的研究，提出了L-DACS1系统的技术规范(草案)[8-9]，并研制了L-DACS1原型系统[10]。

为解决L-DACS1高层协议的设计与优化问题，文献[11]研究了L-DACS1系统数据链路层协议，文献[12]研究了L-DACS1系统的移动切换问题。为解决测距仪(Distance Measure Equipment，DME)[13]干扰L-DACS1接收机的关键问题，文献[14-15]提出了脉冲熄灭干扰抑制方法，文献[16]提出了脉冲限幅干扰抑制方法，文献[17]提出了基于脉冲重构的干扰抑制方法，文献[18]提出了一种基于判决反馈脉冲噪声估计的DME抑制方法。文献[14-16]存在门限设置困难的问题，文献[17-18]无法避免残存的DME干扰降低接收机可靠性的问题。

为了便于开展L-DACS1系统受DME干扰抑制问题的研究，需要研制L-DACS1系统前向链路试验测试系统。本文基于USRP软件无线电平台，利用LabVIEW设计实现了L-DACS1系统前向链路，并在实验室环境下构建了L-DACS1系统前向链路测试系统，并基于测试系统开展了L-DACS1系统前向链路测试。

已有的关于L-DACS1系统物理层前向链路的研究大多是关于该系统发射过程、接收过程中的部分细节，本文的创新之处是利用USRP N210软件无线电平台搭建了完整的L-DACS1系统物理层前向链路系统原型，并利用该平台测试验证了收发过程的正确性。

1 L-DACS1系统的设计

1.1 系统技术参数

L-DACS1系统物理层的主要参数如表1所示。

表1 L-DACS1前向链路主要参数

OFDM系统有64个子载波数。其中，有效子载波数量为50个，直流子载波与虚拟子载波数量共14个，子载波间隔为9.765 kHz，传输带宽为498.05 kHz，OFDM有效符号长度为102.4 μs，循环前缀长度为17.6 μs，OFDM符号总长度为120 μs[19-20]。其规范指出，为了提高系统的频率利用率、降低子载波间干扰，数据子载波两侧插入空子载波，零频处的子载波作为直流子载波，不携带信息。

1.2 前向链路帧结构

L-DACS1系统超帧结构如图1所示。超帧是L-DACS1系统前向链路的基本单元，它的持续时间为240 ms，每个超帧可传输2 000个OFDM符号。在前向链路中，每个超帧结构由一个广播(BC)帧和4个多帧组成[4]。其中，BC帧由3个连续的子帧组成，长度为6.72 ms，可传输56个OFDM符号，每个多帧包含2个数据(Data)子帧和一个控制(CC)子帧，长度为58.32 ms，进一步包含9个Data/CC子帧，多帧中Data和CC子帧的长度是可变的[19]。

图1 前向链路超帧结构

1.3 发射机与接收机结构

L-DACS1系统前向链路发射机结构示意如图2所示。信源输出的比特序列首先根据传输帧的类型选择合适的编码及调制方式，之后送入比特扰码器进行添加比特扰码，扰码器输出的比特序列依次通过RS编码器、块交织器、卷积编码器和螺旋交织器完成信道编码与交织，螺旋交织器输出的比特序列进一步通过调制器完成符号映射，调制符号及生成的同步序列、导频序列映射成帧，并在串并转换后通过傅里叶逆变换(IFFT)完成OFDM调制，之后再添加循环前缀(CP)及加窗处理后通过并串转换形成OFDM基带信号，最后通过USRP转换为射频信号，经射频天线送入信道传输。

图2 发射机结构

文献[19]指出，BC帧的RS码字数量、每个交织块的数量均为1；Data/CC帧的RS码字数量为1，每个交织块的数量为3，因此Data/CC帧成帧过程需要块交织器，而BC帧不需要。

L-DACS1系统前向链路接收机结构示意图如图3所示。USRP完成射频信号的接收、下变频及A/D转换，得到的数字基带信号首先送入超帧同步器，确定超帧帧头的大概位置，之后送入载波同步器，完成载波频偏估计与校正，再送入精定时同步器，确定出超帧帧头的准确位置并取出一个完整的超帧，然后对超帧进行拆分，在经过串并转换及移除CP后通过傅里叶变换(FFT)完成OFDM解调，之后在移除虚子载波后送入信道估计器并利用得到的信道估计值进行迫零均衡，再移除导频及并串转换，并串转换得到的串行信息进一步送入解调器进行符号解映射，解映射后的比特序列再送入解螺旋交织器、卷积译码器、解块交织器、RS编码器完成解交织和信道译码，RS译码器输出的比特序列通过解扰器完成解扰，重建出所发射的信息。

图3 接收机结构

2 L-DACS1前向链路的实现

2.1 USRP软件无线电平台

NI-USRP-N210(USRP N210)是美国国家仪器(NI)公司设计的产品，作为硬件前端与LabVIEW软件配套使用，构成完整的软件无线电平台，能完成通信系统原型的快速搭建和算法验证等科研工作。

当USRP N210作为发射机时，基带信号在主机上产生，通过千兆网线传送给USRP外设完成射频信号的发射；当USRP N210作为接收机时，射频信号的接收在USRP外设上完成，通过千兆网线传送给主机完成基带信号的后续处理。其中，发射机输出、接收机输入均为射频信号。

LabVIEW是NI公司开发的一种图形化编程环境，USRP N210平台上所有功能组件都是在这个环境中定义的。LabVIEW和USRP N210所构成的软件无线电平台结合了软件及硬件的优势，同时回避了传统的硬件实现方式所存在的灵活性差、开发周期长等缺点，因此无需考虑复杂的硬件实现，可以简化算法的验证过程[21]。USRP与PC机的连接关系如图4所示。

图4 USRP与PC机的连接关系

2.2 前向链路发射机

前向链路发射机基于LabVIEW的实现如图5所示。发射机由发射机配置、基带信号处理、OFDM调制和数据写入4个单元构成。

图5 发射机实现

发射机配置单元的技术参数包括I/Q采样率、载波频率和增益等；基带信号处理单元完成扰码、信道编码、交织、调制和成帧的过程；OFDM调制单元将成帧的信号生成所需的OFDM信号；最后通过数据写入单元将产生的基带信号传入USRP设备，实现信号的发射。

2.3 前向链路接收机

前向链路接收机基于LabVIEW的实现如图6所示。接收机由15个单元构成：接收机配置、超帧同步、粗载波同步、精载波同步、精定时同步、拆分超帧、OFDM解调、信道估计、去除导频、解调、解螺旋交织、卷积译码、解块交织、RS译码和解扰码。

图6 接收机实现

接收机配置单元的技术参数与发射机相同。接收到的信号经过超帧同步可以确定超帧中各子帧可能的起始位置，经过粗、精载波同步完成载波频偏估计与校正，随后拆分超帧，对各子帧完成解调、解交织、信道译码，经过解扰码实现接收信号的还原。

3 实验室测试结果

3.1 测试系统

L-DACS1系统前向链路测试环境如图7所示，从左到右依次是PC前向链路发射机(USRP N210)2台、信道模拟器(NI 5791)1台和PC前向链路接收机(USRP N210)。

图7 测试系统组成

发射机、接收机和信道模拟器的连接示意图如图8所示。

图8 测试系统示意

3.2 发射机结果

L-DACS1前向链路发射机测试结果如图9所示，包括USRP参数设置、各子帧传输的文本、L-DACS1功率谱图和时域波形图。

图9 L-DACS1前向链路发射机测试结果

从功率谱图中可以看出，信号带宽接近0.5 MHz，零频处为直流，不传输信息，符合L-DACS1协议标准。从L-DACS1信号时域波形图可以看出，在数据符号前有4个重复的短同步符号及2个重复的长同步符号。

3.3 接收机结果

L-DACS1前向链路接收机测试结果(噪声功率为零)如图10所示，包含USRP硬件参数、信道参数的设置、每个子帧接收到的文本、功率谱图、超帧同步图、精定时同步图、各子帧星座图及时域波形图。

图10 L-DACS1前向链路接收机测试结果

从功率谱图和时域波形图可以看出，接收信号的波形与发射机完全一致。从超帧同步图和精定时同步图中可以看出部分子帧的起始位置。从各子帧星座图可以看出，当噪声功率为零时，星座图收敛性很好。

3.4 BER性能

3.4.1 仿真参数设置

部分仿真参数如表2所示(其余参数如表1所示)。

表2 仿真参数

3.4.2 软件仿真与硬件实测

软件仿真：假定L-DACS1物理层前向链路接收机已经正确地完成了同步过程(包括定时同步、载波同步)。

硬件实测：针对接收机超帧同步门限值的合理取值问题，国内外有关接收机的研究没有给出具体的定量公式，实测过程不能确保接收机每次都能绝对正确地完成同步过程。

3.4.3 AWGN信道

Data/CC子帧在AWGN信道下的BER性能曲线如图11所示。信噪比(SNR)取值范围0～5 dB，图中“◇”曲线代表设备实测结果，“﹡”曲线代表仿真结果。仿真和实测的BER均随着SNR的增加而降低，实测过程存在接收机未能正确同步的问题，会造成信宿出现错误，导致实测的BER性能略高于仿真得到的BER性能，2条曲线基本平行，验证了所设计系统的正确性。

图11 AWGN信道下的BER性能

3.4.4 多径信道

Data/CC子帧在多径信道(2径信道：时延分别为0，2.06 μs)下的BER性能曲线如图12所示。

图12 多径信道下的BER性能

SNR取值范围0～14 dB，图中“□”曲线代表设备实测结果，“﹡”曲线代表仿真结果。仿真和实测的BER均随着SNR的增加而降低，实测的BER性能略高于仿真得到的BER性能(同3.4.3节)，2条曲线基本平行，验证了所设计系统的正确性。

3.5 实验改进

由于实验室条件有限，所用射频收发仪适配器模块(型号：NI 5791)不能模拟最大时延超过2.06 μs的多径信道，但是没有信道径数的限制。

为了改进本文所开展的传输实验，采用径间延迟分别为d1=0，0

4 结束语

本文基于USRP N210软件无线电平台设计实现了L-DACS1物理层前向链路发射机和接收机，并在实验室环境下开展了L-DACS1系统前向链路传输试验。试验测试结果与计算机仿真结果完全一致，验证了研制的L-DACS1前向链路发射机与接收机的正确性。未来将基于研制的系统开展L-DACS1前向链路测距仪干扰抑制的研究。