网电协同管控与通信一体微型软件化终端

眼镜一米二

叁芯智能科技FPGA就业班08月开班中

概述

   

       在日常生活中，电子信息技术已全面渗透到现代社会的各个方面，随着5G脚步的临近，万物互联已经是一个不远的未来，因此万物皆用频，用频必联网将是一个普遍客观存在，无论是平时日常无线信号/信息管控，还是关系国家安全和个人隐私的安防，都越发显得重要，目前单从网络层面管控和单从无线信号层面管控已难以满足未来需求，必须将两者统一起来。随着无线用频设备的海量剧增，及时地感知、有效地探查及不间断地防控，已成为刻不容缓的需求，而仅靠体积庞大，价格不菲，只有少数专业机构才能配备的专业监测设备，管控实时性、范围和密度远远不能满足要求，一种既可成为网格化节点，又灵活便携甚至可大众持有的终端设备呼之欲出。

       在现代战争中，信息技术也像血管一样，从主干到末梢，遍布作战系统的全要素和全过程。武器装备的信息化程度越来越高，不仅表现在计算机网络技术的广泛运用，更表现为用频设备的大量增加，目前几乎所有的装备系统都是用频设备。随着电磁频谱战概念的提出，已经将电子战和赛博战结合起来，网络电磁空间随即跃升为第五大作战域，网络与电子制约手段的融合成为战场作战的主要发展趋势。例如，国外著名的“狼群”系统和“小精灵”系统具备共同的特点是：网络化、小型化、低功率、抵近式运作。典型的运用是搭载无人机成为一种“半一次性”侦察与电子战无人机，无人机之间通过网络化来实现压制敌方导弹防御系统、切断敌方通信乃至向敌方数据网络中注入恶意代码等功能。目前类似设备我国还是空白。当用频设备像汪洋大海一样多时，相应制约作战力量已呈现关口下移的态势，相应的班排甚至单兵装备问题开始凸显。此外，我军目前的手持通信设备多样化，使用时无所适从，也需要集中一体化解决。


       因此，本选题立足于网电空间这一全新领域，具体包含两个层面：在应用层面上，融合了网络、情报、通信等多领域的对抗需求；在技术层面上，通过软件无线电的宽带数字接收技术、频谱分析技术和信号重构技术提供支撑，将多个功能模块压缩至Pocket形态的微型终端。虽然软件无线电理论和技术已日臻成熟和完善，然而，随着应用越来越广泛，针对各种具体应用的课题层出不穷，基于最新的单片集成软件无线电芯片技术，为需求众多、信息丰富、功能复杂的网电管控和通信一体化终端提供统一的解决方案是本文的出发点。


       网电管控（军事上称为网电对抗）是一种广义上的信息制约（信息战）模式，以网电空间为基础，以信息对抗为核心。其中网电空间这一概念最初由美军提出并定义为信息环境中的一个全球域，由相互依赖的电磁设备、信息网络及其数据构成，涵盖互联网、电信网、战场无线网等多层次信息，而以分布式、多节点、网络化、常态化、小型化为特点的网电空间作战是未来网电对抗的重要发展方向。将软件无线电巨大丰富的内涵、网电对抗复杂的功能以超小体积容积，并构建灵活可定义的平台，无疑是相当的挑战，给设备的电构一体化紧缩设计和与此要求相对应的电子系统的小微化设计提出了相当的严峻的课题。本文作者通过此次作品设计，零距离触摸了这些前沿的技术，获得了诸多的感性认识，经历了一次有益的创新实践。

主要创新点

       1、本作品基于Linux计算单元，设计了一种集成宽带RF收发前端+信号处理和ARM主控FPGA+DDR2大容量存储+USB通信接口+LAN网络接口+串行接口的集成宽带SDR硬件平台架构，除了自带的RF收发前端可以完成软件无线电可定义的功能外，还可以通过丰富的接口外接制式模块实现网电一体化功能，具有一定的先进性和前瞻性。此外具备GPS PPS和clock两种同步接口，可以多模块实现MIMO功能，其基本功能和NI公司推出的E310设备相当，但体积可以更轻薄。

图1-2平台架构方案

       该架构采用了集成单芯片宽带RF前端这一关键技术，高度集成了LNA、Mixer、PLL、片内滤波、放大器和IQ调制器等RF前端以及IF电路（ADC、DAC），单一芯片可以完成多发多收通道的射频及中频处理，提供零中频的数据流给基带电路，不但性能高，而且大大降低了系统复杂度和硬件设备量，是软件无线电应用领域的最新成果之一，非常贴合网电制约终端小型化的目标需求，加之以串口、网口和USB 2.0的丰富接口设计，使设备可以通过外接制式模块，完成板卡自身可定义功能外的其他多种功能，具有很强的灵活性和可拓展性。

       2、本作品采用精巧的一体化设计和高度集成的物理结构，尝试了小型化的射频电路及屏蔽、高速数字电路、系统架构与物理结构的一体化设计，先后根据不同的应用场景，设计了三种设备形态。分别是：


       ①结构强化的模块型。


       主要将其担任网电管控节点，通过网络接口组建一个专用网，以实现网电信息信号的区域网格化监管。也可用于飞行平台挂载。如图1-3所示。

图1-3结构强化的模块型

       ②结构袖珍的掌中型。


       由主机模块和电池模块组合而成。主要面向国安机构临侦便携场合使用和个人隐私、安防。固定场合采用适配器供电，就如一部手机大小。移动场合配上电池，长宽尺寸不变，厚度相应增加电池厚度。

图1-4结构袖珍的掌中型

       ③结构粗犷的野战型。


       该型设备在袖珍掌中型设备的基础上，加强结构设计而成，主要在野战等较为恶劣的自然环境中使用。（由于外协加工尚未返回，无实物图片）  

图1-5结构粗犷的野战型

       通过高密组装，最小的袖珍型大小仅为157mm×80 mm×10mm约6吋屏手机尺寸的设备，电路模块容纳了5大功能区除7个主芯片外，52个器件、10多个电源模块以及千余个阻容件，结构设计精密，工程难度颇大，作品两种形态结构如下图所示。         

  

结构示意图

实物图

图1-6 作品结构示意及实物图

       本次电子设计大赛期间，经过两轮硬件迭代，电路板设计了更超薄型模块的12层PCB板，采用射频与高速数字混合PCB设计技术和微波混压PCB板的加工工艺，实现了高密度的布局布线和低高度的安装，通过精心的方案细化推敲和元器件型号筛选，主机PCB如图1-7所示。  

  

图1-7 二次迭代的主机PCB版图

       此外，本作品的主板部分和电池部分采用了巧妙的磁吸电池安装方式，无需工具，即可方便拆卸。也可脱离电池部分通过电源适配器进行供电，这一精妙的设计保证了设备工作的便携性和可连续性。

图1-8 主板与电池部分的磁吸安装方式

       3、本作品基于软件化、可扩展、可重构、可升级的APP驱动架构，设计开发了基于安卓系统的显控APP，利用成熟的Android开源系统和资源实现了传统的显控模式和时尚触屏操作的巧妙融合。以APP软件作为顶层控制，软件无线电平台作为底层信号处理的方案架构，具有一定的新颖性和原创性，也为仪器仪表设计新架构和显控新模式提供了一种有益的参考思路。硬件本身必须包含能够运行GNURadio嵌入式系统，算法软件的开发采用开源的GNURadio开源软件包，契合流行的成为SDR开发便捷方式。  

                                                                             

  

图1-9基于安卓系统的显控APP软件设计

       本作品采用了标准的USB接口，任何品牌的手机（PAD等移动设备）都可接入，也可以通过计算机接入。此外，通过APP的开发，可以实现不同的场景和功能需求，与软件无线电的开放性理念完美契合，保证了平台的通用性和灵活性。            

  

图1-10 笔记本及手机双模式显控终端

       4、本作品实现了70MHz到6GHz的超宽带频谱覆盖，瞬时处理带宽可达50MHz，模块集成RF 2×2收发器，一般的测试仪器尚不能完全做到；板卡自身具备4GB存储容量，具有USB2.0通信接口，接收灵敏度为-90dBm，线性发射功率双0.1W，基带IQ处理速率为200Mbps，通过进一步的开发升级即可实现模拟信号、数字信号、视频图像的采集、存储和远程传输，有望改变战场通信电台种类繁多、单种电台无法实现跨兵种通信的现状。


       5、本作品契合软件无线电的灵活性理念，具备一定的模块可裁剪组合的特征，通过进一步发掘和升级可以构成多模式软件定义的多功能系统。目前，硬件平台研制已经完成，各种APP的开发已初步实现了实时频谱监测、近场信号检测、电信网监控、互联网抓包等网电管控的基本功能，具体功能介绍如下：


       ①实时频谱工作功能实现了对周围的电磁环境进行全面、实时监测，该工作模式包含了频谱仪的所有测量功能，其中包含最大值保持功能、最小值保持功能，以及频率选择功能，mark点功能等。


       ②近场信号检测功能实现了对70MHz`6GHz的超宽频带高速扫频，同时对可疑信号载频的实时捕捉和频谱分析，通过频谱特征进行智能识别、差分分离以及数据实时存储。此外，还可利用本设备的射频信号发射端口发射干扰信号，以阻断可疑信号，实现“侦扰一体化”


       ③电信网监控功能主要针对电信、联通、移动的2G-4G信号频段，可对监测敏感区域、保密场所的手机拨打信号进行监控，并通过APP可以实时显示设备周围的手机信号。
      
       ④互联网抓包功能改变了仅从信号层面对敌通信网络进行侦察的现状，通过对数据包的抓取和分析可以获取敌通信网络协议的相关细节，为为网络角度的侦察和制约打下了坚实基础。


       ⑤调频对讲功能已经实现，基于LoRa的外控模块数据传输功能业已完成。


       上述功能的开发为本作品实现网电空间态势感知提供了有力支撑，此外极具灵活性和开放性的设计使得本作品的扩展应用领域远不止于上述范畴。综上所述，本设计技术方案具有一定的独创性，作品具有微型化和软件化的的产品特征，具有创新性和技术实现难度。

系统架构

       整套系统的设备架构可通过外挂制式模块的方式形成多种应用形态，也可采用普通的上位机操控形式，这些均可通过标准的协议方式实现，技术比较成熟，在稍后介绍。在外在上最便携的应用形态呈现为两部分，集成宽带RF信号处理平台和装有专用APP的普通智能移动终端，两者之间通过USB进行互联，如图2-1(a)所示，在此专门加以阐述。显控APP将在软件设计部分加以讨论，此处主要对集成宽带RF信号处理平台方案进行描述。


       平台总体架构方案[tr]如图[tr]2-1(b)[tr]所示[tr]，主要包括以下部分：外置天线接口，集成宽带RF收发前端（除宽带RF收发芯片外，还包括接收通道前端的低噪放LNA和数控衰减器DSA、发射通道的RF预放和RF功放以及T/R开关。），含双ARM核计算单元的基带信号处理FPGA，DDR2大容量存储， UART、LAN和USB通信接口。

(a) 系统组成

(b) 宽带RF信号处理平台架构

图2-1系统总体实现方案

       本设计实现宽带RF信号处理平台方案的技术路线就是：以ADI的 AD9361单片集成宽带RF信号处理芯片为集成射频前端，以包含双ARM核的嵌入式计算系统（可运行Linux操作系统）的FPGA为核心，辅助其他功能模块电路。单片集成宽带RF信号处理芯片是一种高集成的解决方案，以ADI的AD9361为典型代表，内部集成了模拟滤波、混频器、数据转换器、发射和接收通道的频率合成器以及包括可编程增益、直流偏置校准等数字域的其他功能。器件通过正交误差校准和直流偏置校准的功能优化，很好的解决了以往零中频架构的直流偏置和正交误差限制，也因此无需外置滤波器。本次设计采用了该单芯片解决方案，实现了从宽带RF到零中频IQ的直接渡越，省去了变频、滤波、采样及数字上下变频等一系列中间环节研发，极大减轻了为后续的基带处理的压力。

       输出的IQ信号通过该芯片提供的LVDS高速链路接口，接驳FPGA进行基带信号预处理，处理的结果可以通过USB或LAN/LAN之一的通信接口，进入移动终端进行后处理显示以及其他一些应用性操作，其控制性操作由移动终端通过通信接口反向施行。IQ数据也可以作为电子信号侦察的数据，存储在2颗DDR2存储颗粒中，或通过通信接口外存于移动终端的内存中，以备后期分析使用；存储的IQ数据还可以作为RF转发干扰的数据源，通过DUC和DAC变为干扰信号发射出去，TX的IQ数据也可以来自移动终端或其他GPP。每个发射通道有两个天线馈电通路，其一是小功率通道，通向收发公用的外置天线接口及内置天线，通过T/R开关进行收发切换；其二是大功率通道，经过功率放大器，通过专用外置发射天线接口，接驳外置天线。内置天线按照双频超宽带平面Monopole方案设计。

设计演示

       对周天线测试


       对周天线在实验室加工完成后，在矢量网络分析仪上进行了测试，结果表明其s11参数的-10dB特性具有0.8~8G以上的宽带特性。很好达到设计要求。  

图5-7  对周天线测试

       智能移动终端显控测试
       模块型如图5-8所示。袖珍型如图5-9所示。野战加固型，电路与袖珍型相同，外壳尚未加工返回，暂无图片。测试方法是和频谱仪进行对照。所设计的APP编写了电脑版和手机版两种，对比测试的结果如图5-10所示。

图5-8  模块型平台电路

图5-9  袖珍型平台电路

图5-10 对比实验场景

手机屏幕截图如图5-11所示。

图5-11  系统室内定性摸底实验结果

      
       对比测试表明，电脑、手机的显示和频谱仪上的显示结果是一致的，但频谱质量还是有差距的，主要是本机附带的噪声较大，说明还有改进的空间。测试结果表明，系统整体工作是正常的，设计技术路线是正确。


       功能测试结果如下：

图a APP图标

图b 功能界面

图c 频率设置界面

图d Mark和门限设置界面

图e  实时频谱界面

图f  近场异常信号追踪界面

图g  非法近场通联信号控守界面

图5-12  功能示意图


       无线网络抓包实验


       采用本作品软无模块，针对WiFi信号进行了抓包实验，基本验证了平台所预定的能力。如图5-13所示。

图5-13  抓包示意图

       远程无线控制数据链路试验采用本作品软无模块，外挂LoRa模块，实现了远端上位机对软无模块的远距离控制，做了2km拉距试验，结果表明可有效进行通信数据传输，根据数据手册实际还有潜力。室内实验如图5-14所示。

图5-14 LoRa传输试验