張志科，朱鐵林，宋 哲

(天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津 300457)

0 引 言

直升機具有快速、機動靈活、不受地理條件限制等優(yōu)點，在救災過程中作為空中救援平臺，得到了大量應用[1]。目前，直升機的通信手段主要依靠短波和超短波，短波受電離層大氣傳播條件變化影響大，超短波限于視距通信、易受高山遮擋、多徑效應等因素影響，通信距離有限。衛(wèi)星通信具有不受陸地環(huán)境影響、通信范圍廣等優(yōu)勢[2]，可有效解決上述問題，但是直升機衛(wèi)星通信還未廣泛應用，主要受限于直升機旋翼對衛(wèi)星信號遮擋導致通信鏈路中斷[3-5]。

目前，有很多人在直升機衛(wèi)星通信抗旋翼遮擋方面進行了研究。王健等人[6]提出一種改進的低密度奇偶校驗(Low Density Parity Check,LDPC)譯碼算法，并經(jīng)過仿真證明對已知遮擋和預知遮擋譯碼性能都有一定提高。羅飛騰等人[7]建立了周期性刪除信道模型，討論了重發(fā)模式與系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)系，得出兩次重發(fā)可在大多數(shù)遮擋信道下實現(xiàn)可靠通信，并且具有很好的靈活性和較低復雜度。董孝東[8]闡述了旋翼遮擋對信號的影響，并介紹了幾種前向鏈路克服旋翼遮擋的方法。姚國義等人[9]提出前向鏈路反饋地面信噪比的方法優(yōu)化縫隙檢測，并仿真可行。湯明文[10]提出一種前向鏈路采用時間發(fā)射分集，返向鏈路采用基于信號功率的縫隙檢測，在無遮擋間隙進行數(shù)據(jù)回傳的方法，并經(jīng)過仿真證明了方案的可行性。阮先麗等人[11]根據(jù)實際飛行情況，發(fā)現(xiàn)縫隙檢測算法漏洞，并提出了優(yōu)化方法。魏瑞剛[12]設(shè)計了一種頻率跟蹤和相位跟蹤方法，可消除多普勒頻偏，并經(jīng)理論推導和仿真證明有較高的頻率跟蹤精度。

本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，采用射頻收發(fā)器AD9361模擬了信道周期性衰減特性，在現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)上實現(xiàn)縫隙檢測算法，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一套直升機衛(wèi)星通信方案。該方案不受直升機機型限制，在40%遮擋率下能實現(xiàn)前向鏈路25.6 kb/s和返向鏈路4 Mb/s速率下的可靠通信。

1 直升機衛(wèi)星通信旋翼遮擋信道模擬

在直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，準確地模擬出因旋翼遮擋導致的信道周期衰減特性是后續(xù)系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。衰減周期與直升機旋翼轉(zhuǎn)速、槳葉寬度和數(shù)量有關(guān)，典型的機型遮擋周期為47±3 ms和62±3 ms[7]，遮擋時間大概在10 ms。L頻段的仿真和實驗數(shù)據(jù)表明，旋翼遮擋衰減超過8 dB的概率可達20%，衰減超過20 dB的概率約3%[7]。根據(jù)文獻[7],Ku頻段因遮擋造成中斷比例最壞情況下可達35%，Ka頻段遮擋造成的衰減將更寬更深。

本系統(tǒng)中模擬了一個遮擋周期為40 ms、遮擋時間分別為8 ms(20%遮擋率)和16 ms(40%遮擋率)的遮擋模型，發(fā)送端控制射頻發(fā)射器AD9361的發(fā)射功率，在前一半遮擋時間內(nèi)每0.5 ms衰減增加4 dB，后一半時間內(nèi)每0.5 ms衰減減少4 dB，這樣20%遮擋率的最大衰減可以達到32 dB，比真實情況更嚴格，在Vivado上在線采樣20%遮擋率情況下接收端接收到的信號如圖1所示。

圖1 遮擋信道模擬圖

系統(tǒng)的碼片速率為6.875 Mb/s，采樣間隔為128個碼片，可見在衰減增加12 dB后信號已經(jīng)很小，無法正常解調(diào)。通過此方法模擬的信道衰減特性更接近真實情況，甚至比真實情況更加嚴格，為后續(xù)縫隙檢測算法實現(xiàn)和系統(tǒng)設(shè)計提供了硬件驗證平臺。

2 縫隙檢測算法優(yōu)化與實現(xiàn)

縫隙檢測算法是直升機衛(wèi)星通信中最重要一環(huán)，縫隙檢測結(jié)果是前向鏈路分集接收的依據(jù)，同時也是返向鏈路在無遮擋縫隙傳輸數(shù)據(jù)的依據(jù)。因此，能否有效檢測出遮擋縫隙是直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)可靠通信的關(guān)鍵。本系統(tǒng)采用的縫隙檢測算法在張峰[15]和高凱等人[14]的邏輯框圖上進行了優(yōu)化，并借鑒了阮先麗等人[11]的飛行經(jīng)驗，在快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)之后加入濾波器，有效防止了誤捕獲?？p隙檢測算法原理框圖如圖2所示。

圖2 縫隙檢測算法原理框圖

縫隙檢測算法進行了兩點優(yōu)化：第一，對解調(diào)后的信號非線性變換，而非在AD9361后直接進行非線性變換，因為AD9361下變頻后的信號還存在很小的頻偏，此頻偏會對FFT結(jié)果產(chǎn)生嚴重影響；第二，先進行濾波再進行門限比較，因為測試結(jié)果表明，在遮擋開始和結(jié)束階段，F(xiàn)FT峰值提取結(jié)果會發(fā)生跳變，經(jīng)過濾波器后可有效濾掉跳變，防止誤判。

圖3和圖4分別為對AD9361下變頻后的信號和解調(diào)后的信號進行縫隙檢測的結(jié)果，對比表明后者正確且穩(wěn)定。

圖3 對AD9361下變頻后信號峰值檢測結(jié)果

圖4 對解調(diào)后信號縫隙檢測結(jié)果

由圖3 可見，頻偏的存在導致FFT計算的信號功率隨之周期變化，無法有效提取出旋翼遮擋參數(shù)。由圖4可見，解調(diào)后的信號有效消除了載波頻偏，檢測結(jié)果穩(wěn)定正確。根據(jù)縫隙檢測結(jié)果，可有效得到前向鏈路旋翼遮擋周期、遮擋時間和返向鏈路無遮擋時間，為鏈路可靠通信提供保障。

3 系統(tǒng)設(shè)計

在解決信道遮擋模型和縫隙檢測算法等關(guān)鍵技術(shù)問題后，根據(jù)前向鏈路和返向鏈路的數(shù)據(jù)速率和帶寬要求，制定了一套直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)通信方案，即前向鏈路采用重發(fā)和分集接收及短碼LDPC編碼技術(shù)，返向鏈路采用在無旋翼遮擋縫隙突發(fā)通信和長碼LDPC編碼技術(shù)。要求系統(tǒng)可適應大多數(shù)直升機機型，并在6.875 Mb/s碼片速率(12 MHz帶寬)和40%遮擋率下，實現(xiàn)前向鏈路25.6 kb/s和返向鏈路4 Mb/s速率下的可靠通信。

3.1 前向鏈路設(shè)計

直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)中前向鏈路傳送遙控指令，遙控指令對速率要求較低，但對安全性要求較高，無人直升機在一定時間內(nèi)如果一直收不到遙控指令將進入失控保護狀態(tài)。針對這些特點，本設(shè)計中前向鏈路采用地面站對數(shù)據(jù)進行重發(fā)，機載端分集接收，并采用短碼LDPC編碼技術(shù)確保鏈路穩(wěn)定可靠。

3.1.1 重發(fā)機制設(shè)計

重發(fā)和分集接收設(shè)計方案需滿足大多數(shù)機型的要求，因此重發(fā)的時間設(shè)置尤為重要。本設(shè)計中采用二次重發(fā)，兼顧靈活性和安全性，同時節(jié)省資源[7]。在評估系統(tǒng)設(shè)計是否滿足要求時遵循兩個原則：一是重發(fā)幀時間與原始幀時間之和小于旋翼遮擋周期，但要接近旋翼遮擋周期；二是原始幀時間大于旋翼遮擋時間，并大得越多越好。第一條原則可保證在一輪發(fā)送時間內(nèi)只發(fā)生一次遮擋，第二條原則可保證每次遇到遮擋時都可以分集接收到有用信息。

本設(shè)計中重發(fā)原理框圖如圖5所示。原始幀和重發(fā)幀一共包含16組，每一組中包含16個時隙，每個時隙長度為1 024個碼片；前8組為原始幀后8組為重發(fā)幀，重發(fā)幀和原始幀發(fā)送的數(shù)據(jù)完全一致；原始幀和重發(fā)幀的第一組前兩個時隙發(fā)送不同的同步偽碼，通過兩個偽碼的不同來區(qū)分是原始幀和重發(fā)幀。

圖5 前向鏈路重發(fā)原理框圖

記To為原始幀時間，Tr為重發(fā)幀時間，系統(tǒng)碼片速率為6.875 Mb/s，記Tc為每個碼片時間，因此，

To=Tr=8×16×1024×Tc=19.07 ms 。

本設(shè)計中設(shè)置旋翼遮擋周期為40 ms，旋翼遮擋時間分別為8 ms(20%遮擋率)和16 ms(40%遮擋率)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的兩個原則，To+Tr=38.14 ms <旋翼遮擋周期，To=Tr>旋翼遮擋時間，可見重發(fā)方案滿足要求。

3.1.2 前向鏈路速率計算

前向鏈路速率由系統(tǒng)設(shè)計決定，與遮擋率無關(guān)。本系統(tǒng)設(shè)計中碼片速率為6.875 Mb/s，采用QPSK調(diào)制、二次重發(fā)機制和3/4 LDPC編碼，因此前向鏈路速率計算公式為

式中：256表示一輪發(fā)送一共256個時隙，126表示一輪發(fā)送時隙中發(fā)送有效數(shù)據(jù)的時隙，2表示QPSK調(diào)制，3/4表示3/4LDPC編碼，N為擴頻倍數(shù)。

當Vf為25.6 kb/s時，計算得擴頻倍數(shù)為200，可見滿足前向鏈路速率25.6 kb/s要求，且擴頻倍數(shù)足夠。

3.1.3 分集接收機制設(shè)計

機載端根據(jù)縫隙檢測的結(jié)果對原始幀和重發(fā)幀分集接收，分集接收的原理為在原始幀和重發(fā)幀中找出無遮擋幀并正確接收，原理框圖如圖6所示。對每一輪接收時隙進行檢測，如果本組幀中發(fā)生遮擋，記錄其編號，一輪檢測結(jié)束后將無遮擋時隙組結(jié)果輸出。

圖6 分集接收原理框圖

輸出結(jié)果時，應盡量舍棄遮擋結(jié)束后的幾個時隙組，因為由于遮擋導致這幾個時隙組接收不穩(wěn)定，如圖6所示，在5、6、7、8時隙組發(fā)生遮擋，因此應輸出1、2、3、4、13、14、15、16時隙組的結(jié)果。

3.1.4 短碼LDPC碼長設(shè)計

LDPC編碼技術(shù)是一種特殊的線性分組碼，并具有天然的交織特性，非常適合抗遮擋[6]。LPDC碼長的設(shè)置是系統(tǒng)設(shè)計需要考慮的重要因素，碼長太短不利于抗遮擋，碼長太長會引入很大的系統(tǒng)延時，因此需根據(jù)遮擋周期設(shè)置LDPC編碼的幀長。LDPC幀長應大于等于系統(tǒng)速率和遮擋周期的乘積，可保證每個LDPC幀中大部分數(shù)據(jù)正確。本設(shè)計中，前向速率為25.6 kb/s，遮擋周期為40 ms，因此短碼LDPC的幀長設(shè)置為1 024 b。

3.2 返向鏈路設(shè)計

直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)中返向鏈路傳輸內(nèi)容包括圖像、載荷以及遙測信息等，因此返向鏈路速率較快，重發(fā)和分集接收帶寬利用率低，不適合返向鏈路。本系統(tǒng)中采用無遮擋縫隙突發(fā)通信和長碼LDPC編碼，實現(xiàn)返向鏈路正常通信。

由于下行速率為4 Mb/s，在進行LDPC編碼碼長設(shè)計時不必遵循前向鏈路的數(shù)據(jù)方法，因為返向鏈路已經(jīng)沒有遮擋的概念，如果還是按照前向鏈路LDPC碼長設(shè)計，將引入很大系統(tǒng)時延。

根據(jù)縫隙檢測結(jié)果，可以確定遮擋周期和無遮擋時間。記無遮擋時間為Tf，根據(jù)無遮擋時間可以計算出發(fā)送時隙數(shù)，記為N,則

N=Ff/Tc/1024。

計算出返向發(fā)送時隙數(shù)后，可進行返向鏈路時隙劃分。返向鏈路時隙劃分中最重要的問題是如何讓接收端知道起始時隙和結(jié)束時隙。文獻[15-16]提出通過在頭部插入前導頻和在尾部插入后導頻的方法解決起始和結(jié)束的問題。此方法雖然可行，但是接收端在沒有收到后導頻之前需對數(shù)據(jù)進行緩存，消耗緩存資源，同時引入系統(tǒng)延時。本設(shè)計中，返向鏈路時隙劃分如圖7所示，前兩個時隙為導頻，用于確定本次通信的開始，3、4時隙發(fā)送訓練序列，用于信道估計和均衡，5、6時隙發(fā)送本次突發(fā)通信要發(fā)送的時隙數(shù)目。用兩個時隙發(fā)送時隙數(shù)目，可保證很高的擴頻倍數(shù)，相對保證安全性，后面的時隙進行數(shù)據(jù)傳輸，接收端可直接將數(shù)據(jù)輸出，無需緩存，不會引入系統(tǒng)時延。

圖7 返向鏈路時隙劃分

接收端接收到前導頻后開始接收，經(jīng)過信道估計和均衡后提取本次通信時隙數(shù)目，然后開始數(shù)據(jù)接收，直到本次通信結(jié)束。接收流程如圖8所示。

圖8 接收端接收流程

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試旨在驗證縫隙檢測算法、前向鏈路重發(fā)和分集接收技術(shù)和返向鏈路無遮擋縫隙突發(fā)通信是否正常穩(wěn)定工作，因此衛(wèi)星鏈路用L頻段代替，前向鏈路1 640 MHz，返向鏈路1 340 MHz。本系統(tǒng)測試中搭建了一套回環(huán)測試環(huán)境，原理框圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)測試框圖

編寫上位機測試軟件。上位機模擬前向鏈路遙控數(shù)據(jù)，遙控數(shù)據(jù)以幀的形式發(fā)送，每幀數(shù)據(jù)中包含幀計數(shù)和CRC校驗，通過串口1發(fā)送給地面設(shè)備，模擬遙控數(shù)據(jù)經(jīng)過前向鏈路后到達機載設(shè)備，然后通過機載設(shè)備上的串口2返回給上位機；上位機測試軟件通過幀計數(shù)和CRC校驗判斷數(shù)據(jù)的正確性和連續(xù)性，完成前向鏈路測試。同時上位機模擬下行遙測數(shù)據(jù)，遙測數(shù)據(jù)同樣以幀的形式發(fā)送，每幀數(shù)據(jù)中包含幀計數(shù)和CRC校驗，通過串口2發(fā)送給機載設(shè)備，模擬遙測經(jīng)過返向鏈路后到達地面設(shè)備，然后通過地面設(shè)備上的串口1發(fā)送給上位機；上位機測試軟件通過幀計數(shù)和CRC校驗判斷數(shù)據(jù)的正確性和連續(xù)性，完成返向鏈路測試。經(jīng)過長時間拷機測試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測試結(jié)果如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)測試結(jié)果

系統(tǒng)測試結(jié)果表明，測試75萬幀數(shù)據(jù)，無錯誤，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

本文首先解決直升機衛(wèi)星通信中的旋翼遮擋導致的信道周期衰減和縫隙檢測算法兩個關(guān)鍵問題,信道的周期衰減特性采用射頻收發(fā)器AD9361模擬，更接近真實情況，更加直觀，有利于后面系統(tǒng)設(shè)計和驗證;縫隙檢測算法在FPGA上實現(xiàn)并進行了優(yōu)化，檢測結(jié)果更加穩(wěn)定。基于以上結(jié)果，設(shè)計并實現(xiàn)了一套直升機衛(wèi)星通信方案，即前向鏈路采用重發(fā)和分集接收及短碼LDPC編碼技術(shù)，返向鏈路根據(jù)前向鏈路縫隙檢測的結(jié)果在無遮擋縫隙采用突發(fā)通信和長碼LDPC編碼技術(shù)。前向鏈路設(shè)計中總結(jié)了原始幀和重發(fā)幀與遮擋周期和遮擋時間的關(guān)系以及短碼LDPC幀長與遮擋周期和遮擋時間的關(guān)系；返向鏈路設(shè)計中設(shè)計了一套突發(fā)通信時隙結(jié)構(gòu)，在通信過程中傳輸本次通信的時隙數(shù)，使接收端接收更加簡單。經(jīng)過拷機系統(tǒng)測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。但系統(tǒng)還有一點不足，即系統(tǒng)只是在實驗室硬件平臺上通過驗證，后續(xù)還需經(jīng)過多次飛行試驗，證明其穩(wěn)定性。