榮 剛 張聲艷 馮忠偉 陳玉坤

（中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京 100076）

一種具有高抗干擾能力高速數(shù)據(jù)鏈的設(shè)計與實現(xiàn)

榮 剛 張聲艷 馮忠偉 陳玉坤

（中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京 100076）

簡要介紹了數(shù)據(jù)鏈的基本概念和國內(nèi)外發(fā)展狀況，根據(jù)實際作戰(zhàn)模式需求給出總體設(shè)計方案。詳細給出了系統(tǒng)構(gòu)架及設(shè)備組成，采用模塊化設(shè)計方案，實現(xiàn)設(shè)備的通用化、小型化和輕質(zhì)化。著重提出基于群聚（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術(shù)方案，以解決低仰角抗多徑高速數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用需求。實驗結(jié)果表明總體方案可行，可以在后續(xù)武器型號中投入使用。

數(shù)據(jù)鏈 飛行器設(shè)計 收發(fā)器

AbstractThe concept and development of the high speed data link are introduced.The whole design plan is given based on the real combat model.The system architecture and device composition are given in some details.The modularized design scheme is adopt，which make the equipment universal and miniaturization and light.The technology plan is given based on(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)，which solve the low elevation and anti-multipath in the high speed transmission application requirement.It is result that the whole design scheme is feasible，which can be used in the future weapon task.

Key wordsData Link Aircraft Design Transceiver

1 引言

數(shù)據(jù)鏈是當今世界信息技術(shù)領(lǐng)域的核心技術(shù)之一，一直是各國無線電子系統(tǒng)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。隨著高速飛行器的快速發(fā)展，對系統(tǒng)信息化的需求越來越強烈，急需在飛行器上裝載小型高速數(shù)據(jù)鏈設(shè)備。通過開展基于群聚OFDM的超寬帶高速高效自動編碼調(diào)制技術(shù)、形成有效的低仰角抗多徑高速傳輸解決方案。通過真實低仰角長距離飛行考核方式，驗證數(shù)據(jù)鏈關(guān)鍵技術(shù)有效性及原理樣機傳輸性能，實現(xiàn)長距離、低仰角下800Mb/s高速數(shù)據(jù)的可靠傳輸。形成可直接用于工程實現(xiàn)的飛行器抗多徑高速傳輸技術(shù)方案，并在無人機或者小型飛行器等武器平臺上推廣。

2 國內(nèi)外發(fā)展趨勢

將數(shù)據(jù)鏈按照其用途進行分類，可以分為通用數(shù)據(jù)鏈和專用數(shù)據(jù)鏈，通用數(shù)據(jù)鏈又包括戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈和寬帶數(shù)據(jù)鏈。其中，用于多軍兵種間以及多平臺間交換不同類型的信息，為滿足多樣化任務(wù)需求而研制的數(shù)據(jù)鏈一般稱為通用數(shù)據(jù)鏈（Common Data Link，CDL）。

2.1 國外發(fā)展情況

國外中、高空長航時飛行器都會同時配備視距和超視距衛(wèi)通數(shù)據(jù)鏈，CDL和TCDL數(shù)據(jù)鏈是視距數(shù)據(jù)鏈的主要選擇，衛(wèi)通數(shù)據(jù)鏈則是作戰(zhàn)時的遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕溌?。?zhàn)術(shù)類飛行器現(xiàn)階段多采用定制視距數(shù)據(jù)鏈，類型多樣。中高空飛行器為了確保系統(tǒng)的可靠性，其配備的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)一般都會采用冗余配置，有的甚至是三重冗余配置，冗余鏈路一般還會支持一些特殊需求如空中交通管理話音、兼容Link16數(shù)據(jù)鏈、支持一站多機控制或一機多站控制等。外軍典型數(shù)據(jù)鏈包括：

1）數(shù)字數(shù)據(jù)鏈（Digtal Data Link，DDL）

DDL是AeroVironment公司為美陸軍的“烏鴉”飛行器開發(fā)的一種基于IP的數(shù)字數(shù)據(jù)鏈，也是一種比較典型的適用戰(zhàn)術(shù)飛行器的數(shù)據(jù)鏈，它能為小型飛行器的指揮與控制提供低功率的寬帶數(shù)字網(wǎng)絡(luò)，最大限度地提高頻譜利用效率。DDL終端有兩種形式：定制模塊和獨立收發(fā)信機。

2）戰(zhàn)術(shù)通用數(shù)據(jù)鏈（Tactics Common Data Link，TCDL）

TCDL是美軍專門針對飛行器的列裝需求、基于標準型CDL數(shù)據(jù)鏈發(fā)展出來的一種全雙工、抗干擾戰(zhàn)術(shù)寬帶數(shù)據(jù)鏈。為了降低終端尺寸、重量和功耗，它只能工作在Ku頻段，作用距離（斜距）最大可達200km，其上行鏈路數(shù)據(jù)率為200kb/s，而下行鏈路數(shù)據(jù)率為10.71Mb/s和45Mb/s。由于TCDL是衍生自CDL，因而兩者可以無縫地互操作，從而避免了在該領(lǐng)域出現(xiàn)“煙囪”系統(tǒng)，這也促使TCDL系統(tǒng)在飛行器上廣泛應(yīng)用。

2.2 國內(nèi)發(fā)展情況

目前國內(nèi)的數(shù)據(jù)鏈設(shè)備的研制基本按照型號需求進行定制，各平臺、各系統(tǒng)間兼容性差，迫切需求一種能夠良好兼容各類型數(shù)據(jù)鏈的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。國內(nèi)對數(shù)據(jù)鏈設(shè)備的設(shè)計主要針對不同應(yīng)用，通過分立元件或直接數(shù)字頻率合成（DDS）的方法進行針對性的設(shè)計。此種利用分立元件搭建的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)雖然元器件國產(chǎn)化率高，但體積和重量都偏大，靈活性欠佳；利用DDS技術(shù)實現(xiàn)的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)雖然具有較大的靈活性，但集成度仍然不足。兩種方法在適應(yīng)多種數(shù)據(jù)鏈波形的能力方面都顯不足。

3 數(shù)據(jù)鏈模式

3.1 飛行器中繼應(yīng)用模式

單彈中繼應(yīng)用模式與靶場測控數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用相似，示意圖如圖1所示。

軍艦數(shù)據(jù)鏈測控站能夠同時控制8發(fā)彈，中繼裝置天線指向這8發(fā)彈。地面站通過飛行器中繼和8發(fā)彈組成通信網(wǎng)絡(luò)，各彈之間不能進行任務(wù)協(xié)同通信，只能通過中繼裝置進行作戰(zhàn)目標指示及修訂等。

3.2 多彈組網(wǎng)中繼應(yīng)用模式

多彈組網(wǎng)中繼應(yīng)用模式示意圖如圖2所示。

軍艦數(shù)據(jù)鏈測控站能夠同時控制8發(fā)彈，高空巡航段可對所有導(dǎo)彈進行直接通信，在導(dǎo)彈進入目標區(qū)域時，其中有一枚或幾枚導(dǎo)彈保持高空巡航做為中繼彈，其它導(dǎo)彈轉(zhuǎn)入低空進行組網(wǎng)巡航，母艦通過中繼彈控制導(dǎo)彈進行組網(wǎng)協(xié)同攻擊。其中這8發(fā)導(dǎo)彈的功能及能力相同，互相均可通信，均可做為中繼節(jié)點，并可在任意導(dǎo)彈失去聯(lián)系時進行智能組網(wǎng)，根據(jù)預(yù)置策略實施協(xié)同攻擊。

4 總體方案

4.1 方案設(shè)計

在系統(tǒng)設(shè)計中為克服多徑干擾帶來的碼間干擾難題，綜合考慮應(yīng)用模式與技術(shù)需求，根據(jù)飛行高度、速度、飛行距離、接收天線波束寬度以及誤碼率指標，進行總體方案設(shè)計。為實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)射端擬采用群聚OFDM+天線分集方式實現(xiàn)，結(jié)合預(yù)估和實測的多徑衰落信道動態(tài)特性對接收機的AGC動態(tài)指標進行詳細設(shè)計，對于碼間干擾嚴重的多徑衰落，在接收端采用自適應(yīng)頻域均衡方法。

高速數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。彈體由數(shù)據(jù)鏈終端、射頻前端、兩副天線等組成，數(shù)據(jù)鏈終端是彈體的核心設(shè)備，完成高速數(shù)據(jù)調(diào)制及抗多徑傳輸算法，射頻前端完成終端輸出的兩路信號線性功率放大，兩副天線實現(xiàn)對不同方向輸出信號的空間分集輸出。彈上數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)供電由彈載配電器提供，同時彈體提供慣導(dǎo)數(shù)據(jù)。

子彈接收系統(tǒng)由天饋、高速數(shù)據(jù)接收機組成。接收天線采用雙天線分集接收形式，接收數(shù)據(jù)送高速數(shù)據(jù)接收機進行時空譯碼處理，提高抗多徑能力。高速數(shù)據(jù)接收機為子彈系統(tǒng)核心設(shè)備，完成高速數(shù)據(jù)解調(diào)及抗多徑傳輸算法。

子彈接收信號經(jīng)AD變換的輸入信號經(jīng)過自動增益控制環(huán)路得到電平穩(wěn)定的基帶數(shù)據(jù)，然后經(jīng)載波同步環(huán)路下變頻到準確頻點的基帶數(shù)據(jù)，同時完成幀同步與定時同步，至此完成同步過程，隨后進行信道估計和均衡，得到幀體數(shù)據(jù)，最后完成一系列解碼得到最終數(shù)據(jù)，實現(xiàn)協(xié)調(diào)作戰(zhàn)的目標。

4.2 系統(tǒng)設(shè)計

4.2.1 數(shù)據(jù)鏈終端設(shè)計

考慮到不同型號飛行器數(shù)據(jù)鏈只是應(yīng)用背景不同，產(chǎn)品的系統(tǒng)框架、模塊組件、關(guān)鍵技術(shù)等均無明顯差異，可共用產(chǎn)品平臺，統(tǒng)一考慮。終端采用基于內(nèi)總線的屜式結(jié)構(gòu)，采用模塊化設(shè)計，便于系統(tǒng)的裁剪和擴展。終端組成如圖4所示，由基帶單元、信道處理單元和電源單元構(gòu)成，各單元板卡硬件采用通用設(shè)計，支持后續(xù)不同數(shù)據(jù)鏈需求的功能設(shè)計升級。

4.2.2 接收機設(shè)計

數(shù)據(jù)鏈接收端采用基于PXI總線的模塊化板卡結(jié)構(gòu)，包含Ku下變頻板卡、高速信號采集板卡、中頻信號處理板卡、高速信號處理模塊、萬兆以太網(wǎng)模塊組成，各板卡集成到標準PXIe的工業(yè)級機箱內(nèi)，如圖5所示。

4.3 技術(shù)途徑

4.3.1 低仰角抗多徑高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實現(xiàn)途徑群聚OFDM技術(shù)中每一群路信號都是OFDM信號，多路群信號合到一起形成總的群聚OFDM信號，每一群路的信號可以通過不同的頻率或者不同的碼字來識別。群聚OFDM相比傳統(tǒng)的OFDM有以下優(yōu)點：

1）在帶寬內(nèi)根據(jù)QoS和信道質(zhì)量自適應(yīng)分配不同的群，以支持不同的數(shù)據(jù)速率；

2）群聚技術(shù)可以實現(xiàn)分集發(fā)射和抗多經(jīng)衰落；

3）峰均比（PAR）降低10log10（L），其中L為群聚的個數(shù)。

高速數(shù)據(jù)通過串并轉(zhuǎn)換為2路并行的群，數(shù)據(jù)速率下降為輸入數(shù)據(jù)的1/2。每一個群的數(shù)據(jù)同時進行編碼，星座映射和OFDM調(diào)制后分別上變頻到2個連續(xù)的子頻帶以完成中頻合成，輸出的中頻信號即可調(diào)制到射頻發(fā)射。發(fā)射部分的原理框圖如圖6所示。接收部分的原理框圖如圖7所示。

4.3.2 低功耗小型化通用終端實現(xiàn)途徑

終端收發(fā)信機的組成如圖8所示，由基帶單元、射頻單元和電源單元構(gòu)成。機載收發(fā)信機中，電源單元負責為整個平臺提供電源，將18～36V一次電源轉(zhuǎn)換為5V，射頻處理單元負責上變頻功能，基帶處理單元完成800MB/s數(shù)據(jù)編碼調(diào)制等信號處理。終端的設(shè)計采用模塊化設(shè)計，便于系統(tǒng)的裁剪和擴展。

收發(fā)信機信號處理流程如下圖9。基帶單元包括DAC和模擬正交調(diào)制，輸出射頻數(shù)傳信號?；鶐幚韱卧饕沙笠?guī)模可編程門陣FPGA、ARM，DDR存儲器，F(xiàn)lash存儲芯片，集成收發(fā)器，接口芯片等組成。采用FPGA為基帶信號處理器，ARM為主控制器。

4.4 試驗驗證

經(jīng)過飛行演示驗證考核，接收機收到的無線信號通過軟件檢測如圖10所示，可見鏈路鎖定情況正常、數(shù)據(jù)接收正常，數(shù)據(jù)誤碼率滿足系統(tǒng)要求。

5 結(jié)束語

文中給出數(shù)據(jù)鏈在實際工程中的設(shè)計方案，提出的低仰角抗多徑高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，可應(yīng)用于衛(wèi)星高速數(shù)傳、高速飛行器信息傳輸、偵查平臺高速數(shù)傳、無人機偵查數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)阮I(lǐng)域，提高信息傳輸效率，極大提升戰(zhàn)場信息快速獲取能力。

[1]丁武將.數(shù)據(jù)鏈體系研究[J].軍隊指揮自動化，2001.

[2]肖強.美海軍21世紀信息技術(shù)計劃[J].軍隊指揮自動化，2002.

[3]徐丹.航空數(shù)據(jù)鏈建設(shè)與展望[J].艦船電子工程，2006.

[4]朱燦等.航空數(shù)據(jù)鏈建設(shè)與展望[J].儀器儀表用戶，2007.

[5]傅峰.一種低空數(shù)據(jù)鏈建設(shè)方案[J].空軍工程大學(xué)，2002.

Design and Implementation of a High Speed Data Link with Strong Interference Signal Rejection Ability

RONG GangZHANG Sheng-yan FENG Zhong-weiCHEN Yu-kun
（China Academe of Launch Vehicle Technology R&D Center，Beijing 100076，China）

TB973

A

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.03.11

2017-04-06，

2017-06-26

榮剛（1982.03-），男，工程師，碩士，主要研究方向：計量測試技術(shù)與儀器研發(fā)。

1000-7202（2017）03-0051-04