開源SDR：開發(fā)和部署電子戰(zhàn)功能的更快、更好方法

作者：CHAD AUGUSTINE，HAYDN NELSON

保持電磁頻譜的主導(dǎo)地位對任務(wù)的成功從未如此重要。系統(tǒng)設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)是如何加速新的通信和電子戰(zhàn)（EW）能力從概念到實驗室的過渡，然后加快將這些新功能部署到作戰(zhàn)人員。

為國防應(yīng)用提供新的無線技術(shù)需要大量的時間和成本來試驗、設(shè)計和迭代新技術(shù)。例如，軟件定義無線電（SDR）系統(tǒng)設(shè)計人員通常在同樣堅固且昂貴的SDR任務(wù)系統(tǒng)硬件上開發(fā)和測試新穎的無線，傳感和電子戰(zhàn)（EW）方法，這些波形（如MUOS，SINCGARS和MN-MIMO）將部署在硬件上。這種方法增加了開發(fā)進度，同時降低了工程靈活性，并且通常會將開發(fā)人員鎖定在供應(yīng)商非常具體的軟件框架中。

SDR 波形開發(fā)的新突破性方法通過利用經(jīng)過驗證的商用 SDR USRP ［通用軟件無線電外設(shè)］ 技術(shù)進行實驗室開發(fā)，提供了一種更好的方法。商用USRP最初由Ettus Research開發(fā)，是包含FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）和處理器資源的可調(diào)諧硬件收發(fā)器，當(dāng)連接到計算機時，工程師可以使用開源軟件工具訪問電磁頻譜。通過利用 USRP 硬件，生成的波形可以無縫部署在符合傳感器開放系統(tǒng)架構(gòu) （SOSA） 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或符合 C5ISR/電子戰(zhàn)模塊化開放標(biāo)準(zhǔn)套件 （CMOSS） 的堅固耐用的 3U OpenVPX 板上?，F(xiàn)在，它們基于與開發(fā)它們的實驗室系統(tǒng)完全相同的USRP架構(gòu)。

有些 USRP 型號可以無頭運行以進行移動操作，還有一種型號具有用于戶外安裝的 IP-67 等級外殼?？蛻艉秃献骰锇檫€構(gòu)建了定制外殼，用于在車輛、無人機或背包上部署 USRP。然而，商用實驗室級 USRP SDR 本身并不是在極端溫度或高沖擊和高振動環(huán)境中部署的理想選擇。為了對使用 USRP SDR 原型的波形和算法進行堅固部署，這種現(xiàn)實使得需要在外殼上進行機械工作，以便將 USRP 帶到現(xiàn)場，或者通過 FPGA 導(dǎo)出工具或軟件重寫將 IP 遷移到任務(wù)硬件。如果沒有兩個平臺共享的通用API，將商用硬件上開發(fā)的波形轉(zhuǎn)換為任務(wù)系統(tǒng)需要大量的軟件和固件工作，有時需要幾個月的時間，只是為了修改特定專有SDR或FPGA板的定制板支持包（BSP）。

現(xiàn)在，使用 SOSA 兼容 USRP 的商用現(xiàn)貨 （COTS） VPX 硬件，實驗室開發(fā)可以從幾個月減少到幾周。工程師可以在短短一周內(nèi)完成從接收商用 USRP 到開發(fā)電子戰(zhàn)干擾技術(shù)測試，而將波形遷移到 OpenVPX 板只需幾分鐘即可完成。

更好的是，使用商業(yè)SDR解決方案進行實驗室開發(fā)打開了廣泛的開源社區(qū)，使系統(tǒng)開發(fā)人員能夠立即訪問龐大的SDR波形IP庫，包括一些專用的國防代碼庫。其結(jié)果是一種經(jīng)濟高效的SDR技術(shù)創(chuàng)新和原型設(shè)計方法，它還為將IP從原型硬件遷移到基于任務(wù)就緒的堅固模塊化開放系統(tǒng)平臺上部署提供了無縫和直接的途徑。使用開源社區(qū)，波形開發(fā)人員可以訪問來自多個來源的軟件代碼，并立即試用，然后將其迭代到他們想要的方式執(zhí)行。與傳統(tǒng)的一級軍事供應(yīng)商的工程師面臨的開發(fā)過程相比：首先，他們必須編寫需求規(guī)范，然后必須獲得規(guī)范批準(zhǔn)，然后必須在開發(fā)開始之前簽署合同。

降低 SDR 開發(fā)成本并使工程師能夠利用現(xiàn)有的開源 IP 極大地激發(fā)了創(chuàng)造力，并使新技術(shù)能夠更快地得到驗證。由于商用USRP（可通過筆記本電腦運行）比任務(wù)系統(tǒng)硬件便宜得多，因此實驗室開發(fā)現(xiàn)在可以擴展。實驗室 USRP 可以提供給開發(fā)團隊中的更多工程師。每個工程師現(xiàn)在都可以合理地負擔(dān)自己的SDR，而不必共享時間來訪問有限數(shù)量的更昂貴的任務(wù)系統(tǒng)。

將開源開發(fā)引入可部署的 SDR

在電子戰(zhàn)的貓捉老鼠世界中，加快新技術(shù)的交付至關(guān)重要，因為對手正在開發(fā)更新穎，更具創(chuàng)造性的通信方法和威脅，例如為武器系統(tǒng)采用低成本的商用無人機。更重要的是，這些新威脅正在以商業(yè)工具的速度開發(fā)，而不是防御計劃的速度要慢得多。在應(yīng)對這些新威脅時，為 SDR 系統(tǒng)開發(fā)人員提供對開源 IP 的訪問是真正的游戲規(guī)則改變者。

SDR 工程師不再局限于為非常特定的國防市場開發(fā)的 IP 支持，而是可以利用開源 USRP IP、專業(yè)知識和 SDR 成熟度，這些成熟度可以跨學(xué)術(shù)、商業(yè)無線、射電天文學(xué)和其他領(lǐng)域擴展。例如，龐大的可用開源用戶群，加上大量的IP，可以為可能沒有接受過無線電訪問培訓(xùn)的陸軍工程師提供更大的協(xié)作知識庫。

特別提款權(quán)開發(fā)平臺

用于實驗室開發(fā)的USRP的一個例子是Ettus Research USRP-E320，這是一種用于開發(fā)商業(yè)、學(xué)術(shù)、科學(xué)和國防應(yīng)用的無線應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。在由專業(yè)人士和業(yè)余愛好者組成的大型開源社區(qū)的支持下，Ettus Research USRP最初是為4G / 5G電信等無線應(yīng)用研究提供原型平臺。USRP-E320基于ADI公司的2x2 MIMO AD9361收發(fā)器，覆蓋70 MHz至6 GHz的頻率，并提供高達56 MHz的瞬時帶寬。

根據(jù)與NI的協(xié)議開發(fā)，Curtiss-Wright的VPX3-E320 SDR模 塊是USRP-E320的完全堅固耐用的3U OpenVPX功能等效變體，具有背板I/O，旨在與最新的RF系統(tǒng)實施標(biāo)準(zhǔn)保持一致，包括CMOSS和模塊化開放式RF架構(gòu)（MORA）。

USRP-E320 和 VPX3-E320 都與 USRP 硬件驅(qū)動程序 （UHD） 和開放靈活的 FPGA 框架 RF 片上網(wǎng)絡(luò) （RFNoC） 完全兼容。（圖2。這兩個軟件框架使工程師能夠在商業(yè)硬件上快速進行原型設(shè)計，并且可以成為實現(xiàn) SOSA 對齊部署解決方案的途徑，從而彌合從原型到堅固耐用的嵌入式部署的差距?；谕ㄓ玫?UHD 和 RFNoC 框架構(gòu)建意味著工程師可以利用龐大的培訓(xùn)、IP 和開源社區(qū)更快地快速構(gòu)建和部署新功能。

［圖2 |RFNoC 是一種網(wǎng)絡(luò)分布式異構(gòu)處理工具，專注于在 USRP 設(shè)備中實現(xiàn) FPGA 處理。

由于 USRP-E320 和 VPX3-E320 支持 UHD 和 RFNoC，因此許多 FPGA 編程任務(wù)都是自動抽象的，從而使編程變得更容易，在某些情況下甚至無需 FPGA 代碼開發(fā)工程師。此外，一些窄帶應(yīng)用可以由板載CPU處理，而無需任何FPGA開發(fā)。

考慮一個負責(zé)設(shè)計基于 SDR 的無人機防御應(yīng)用的工程師的情況：過去，為了進行開發(fā)，工程師需要停止使用 SDR 任務(wù)硬件，或者設(shè)計一些定制開發(fā)板（或使用一些 COTS 板構(gòu)建數(shù)據(jù)移動基礎(chǔ)設(shè)施）。工程師現(xiàn)在不必經(jīng)歷漫長而昂貴的過程 - 包括設(shè)計IP然后將其遷移到任務(wù)系統(tǒng)的雜務(wù) - 工程師現(xiàn)在可以簡單地設(shè)計應(yīng)用程序，在實驗室中運行它，然后使用USRP E320評估新功能。之后，只需很少的更改，他們就可以將新 IP 遷移到可部署的 VPX3-E320 版本。

開源SDR技術(shù)為作戰(zhàn)人員提供了將新型電子戰(zhàn)技術(shù)部署到戰(zhàn)場的新工具，并為電磁頻譜的主導(dǎo)地位提供了新途徑。

審核編輯：郭婷