邱丙益，金衛(wèi)同，盛 瑩，劉春茂

(洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心，河南濟(jì)源459000)

0 引言

美軍稱Link16為TADIL-J，是保密、大容量、抗干擾和無(wú)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)鏈路，是美國(guó)防部用于指揮、控制和情報(bào)的主要戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈［1］。Link16數(shù)據(jù)鏈采用了直接序列擴(kuò)頻和跳頻技術(shù)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。但由于采用了這2種技術(shù)，為了使接收端正確恢復(fù)信碼，接收端產(chǎn)生的用于解擴(kuò)的偽隨機(jī)碼必須和發(fā)送端的偽隨機(jī)碼同步，因此同步成為L(zhǎng)ink16通信的關(guān)鍵［2，3］。通信雙方一旦失去同步，任何信息都無(wú)法正確傳輸。而當(dāng)多徑時(shí)延小于Link16跳頻駐留期時(shí)，多徑信號(hào)和直射波信號(hào)將同時(shí)進(jìn)入接收機(jī)，造成接收信號(hào)的相關(guān)性發(fā)生變化，進(jìn)而對(duì)消息同步段造成影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失［4，5］。本文從Link16消息同步和調(diào)制解調(diào)的機(jī)理入手，分析多徑效應(yīng)對(duì)消息包接收成功率的影響。

1 Link16接收解調(diào)分析

1.1 消息同步原理

Link16采用時(shí)分多址(TDMA)工作方式，將時(shí)間軸劃分為多個(gè)長(zhǎng)度為7.812 5 ms的時(shí)隙，根據(jù)TADIL-J數(shù)據(jù)協(xié)議規(guī)范，數(shù)據(jù)包格式分為STD/DP、P2DP、P2SP 和 P4SP［6］，這 4 種數(shù)據(jù)包格式盡管攜帶的信息不同，但在傳輸數(shù)據(jù)報(bào)文之前要進(jìn)行同步，數(shù)據(jù)包中用于同步的脈沖都是一致的，如圖1所示。

圖1 Link16時(shí)隙結(jié)構(gòu)

消息的同步分為粗同步和精同步2個(gè)部分［7］，用于消息同步的二進(jìn)制序列按5 bit分組構(gòu)成20個(gè)同步字符，每個(gè)字符用2個(gè)不同頻率的脈沖發(fā)射，因此同步段共包括40個(gè)脈沖。其中32個(gè)脈沖用于粗同步，由具有較好自相關(guān)性的32 bit偽隨機(jī)碼直擴(kuò)后經(jīng)MSK調(diào)制而成，剩余8個(gè)脈沖用于精同步［8］。根據(jù)不同的時(shí)隙，選用的偽隨機(jī)碼也不相同，即調(diào)制前，需要進(jìn)行CCSK編碼，通過(guò)對(duì)長(zhǎng)度為32的CCSK碼字進(jìn)行循環(huán)移位，產(chǎn)生32種狀態(tài)，表示1個(gè)傳輸符號(hào)，對(duì)應(yīng)5 bit的信息。在一個(gè)偽碼周期內(nèi)，載波頻率不變，Link16傳輸1個(gè)符號(hào)的信息，可能進(jìn)入接收機(jī)輸入端的信號(hào)波形共有32種。

1.2 消息解調(diào)過(guò)程

由于Link16跳頻速率過(guò)快，高達(dá)76 923 hop/s，在接收端進(jìn)行相干解調(diào)比較困難，而采用并行非相干匹配濾波器組是個(gè)不錯(cuò)的選擇，它能同時(shí)完成軟擴(kuò)頻信號(hào)的解擴(kuò)和解調(diào)，而且速度快、可編程性好，在軟擴(kuò)頻系統(tǒng)中有著很好的應(yīng)用［9，10］。Link16的接收機(jī)共有32組匹配濾波器，其接收機(jī)框圖如圖2所示。

圖2 Link16接收機(jī)解調(diào)原理

圖2中，T=6.4 μs，為一個(gè)偽碼周期。在一個(gè)偽碼周期內(nèi)，接收機(jī)只有一個(gè)支路與信號(hào)相匹配。在t=T時(shí)刻，該支路的檢測(cè)輸出超過(guò)門限值Vth，可恢復(fù)該支路所對(duì)應(yīng)的5 bit信息。

第j路輸入信號(hào)表達(dá)式為:

式中，pj為第j路輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)的M序列碼元，取值為±1;Tp=0.2 μs為碼元寬度。

一個(gè)碼元周期內(nèi)，第j路輸入信號(hào)與本地?cái)U(kuò)頻碼相關(guān)處理得相關(guān)峰值:

當(dāng)i=j時(shí)，中頻頻率取50 MHz，將式(1)代入式(3)，令φj=0，計(jì)算可得主瓣的相關(guān)峰值Ki(i)=T/2。當(dāng)i≠j時(shí)，相關(guān)峰值Ki(j)＜T/2。設(shè)原始序列S0=01111100111010010000101011101100，i=j=1，各路檢波器輸出的相關(guān)峰值如圖3所示，第1個(gè)包絡(luò)檢波器輸出為主瓣的相關(guān)峰值。

圖3 各包絡(luò)檢波器輸出的相關(guān)峰值

多徑傳輸時(shí)，由于接收到的信號(hào)不再是單純的主信號(hào)，還包含了與主信號(hào)有一定相關(guān)性的多徑信號(hào)，使接收信號(hào)和本地信號(hào)的自相關(guān)性發(fā)生了惡化，主瓣變平緩，旁瓣增大。而且路徑增益越大，路徑數(shù)越多，惡化越明顯。如果惡化到一定程度，主瓣低于檢測(cè)門限值，則會(huì)造成同步信號(hào)丟失。

2 二徑干擾對(duì)Link16消息同步段的影響

Link16跳速高達(dá) 76 923 hop/s，駐留期僅為13 μs，經(jīng)多徑傳輸?shù)囊恍┒鄰叫盘?hào)的多徑時(shí)延大于駐留期，不會(huì)進(jìn)入本跳內(nèi)，從而可以躲避這些多徑信號(hào)的干擾［11］。但在近距離通信(2 km內(nèi))時(shí)，對(duì)于只經(jīng)過(guò)一次反射的二徑信號(hào)，其二徑時(shí)延很小(如1 km通信距離上，天線高5 m，二徑時(shí)延為0.016 7 μs＜13 μs)，因此二徑信號(hào)會(huì)落入本跳內(nèi)。直射波信號(hào)和反射波信號(hào)共同進(jìn)入接收機(jī)時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)鏈接收端同步信號(hào)必然造成影響。

二徑模型中，Link16接收機(jī)接收到的信號(hào)為:

式中，si(t)表示主信號(hào);aksi(t－τk)表示反射信號(hào);ak為路徑增益;τk為路徑時(shí)延;n為噪聲。

對(duì)于式(3)，設(shè)i=j=1，中頻頻率取50 MHz，即 ωc=2π×50 MHz，將式(4)代入式(3)，φj=0，計(jì)算可得主瓣的相關(guān)峰值。

不存在多徑信號(hào)的情況下，只有直射波信號(hào)，則Ki(1)=T/2，故影響相關(guān)峰值的項(xiàng)為:

式中，ωc=2π×50 MHz，p1k取值為±1，Tp=0.2 μs。影響式(6)結(jié)果的只有二徑時(shí)延τk和路徑增益ak。經(jīng)計(jì)算，在通信距離在2 km內(nèi)時(shí)，Tp＞τk，而ak服從瑞利分布［12］。

通過(guò)上述分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Link16在近距離通信時(shí)，只經(jīng)過(guò)一次反射的反射波信號(hào)到達(dá)接收機(jī)后，與直射波信號(hào)疊加，造成接收信號(hào)的相關(guān)性發(fā)生變化。經(jīng)過(guò)解調(diào)時(shí)，導(dǎo)致主瓣的相關(guān)峰發(fā)生變化，當(dāng)主瓣相關(guān)峰值變低至檢測(cè)門限以下時(shí)，會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。如果同步段數(shù)據(jù)丟失，就會(huì)造成整條消息丟失。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

為驗(yàn)證上述結(jié)論，使用2部Link16信號(hào)發(fā)射與接收設(shè)備進(jìn)行近距離通信測(cè)試，2部設(shè)備通視，且地反射信號(hào)不受遮擋。為方便分析，二者天線高度一致，每次發(fā)送100包數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 Link16模擬設(shè)備近距離通信情況

從表1中可以看出，在特定的天線高度和通信距離上出現(xiàn)了信號(hào)丟失，可見(jiàn)反射信號(hào)在一些情況下會(huì)嚴(yán)重影響接收端信號(hào)的相關(guān)性，導(dǎo)致同步段數(shù)據(jù)丟失，進(jìn)而導(dǎo)致整包數(shù)據(jù)的丟失;另外，由前文分析可知，由于相關(guān)峰值變化的影響因子為τk和ak，而ak服從瑞利分布，結(jié)合表1中的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)難以找到數(shù)據(jù)丟失出現(xiàn)的條件與上述因子之間的關(guān)系，但在不同的距離通過(guò)適當(dāng)調(diào)整收發(fā)雙方的天線高度可降低二徑影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

Link16的高速跳頻工作方式，使敵方難以實(shí)施有效的偵察和干擾，也能抗多徑干擾，但對(duì)于較近距離的多徑干擾，由于多徑時(shí)延小于跳頻駐留期，多徑反射信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)，造成接收信號(hào)相關(guān)性發(fā)生變化，影響同步信號(hào)的解調(diào)，進(jìn)而導(dǎo)致在一些情況下信號(hào)會(huì)丟失。通過(guò)研究Link16同步調(diào)制與解調(diào)機(jī)制，分析了二徑模型下影響其丟包現(xiàn)象的原因，指出造成該影響的關(guān)鍵因素和減小影響的適當(dāng)措施。因此不能一味地只考慮到Link16的抗多徑干擾性能，忽略其受多徑干擾的情況，從而給信號(hào)分析、研究其干擾策略造成迷惑。

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