榮 剛 張聲艷 馮忠偉 陳玉坤

（中國(guó)運(yùn)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(jì)與實(shí)現(xiàn)

榮 剛 張聲艷 馮忠偉 陳玉坤

（中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京 100076）

簡(jiǎn)要介紹了數(shù)據(jù)鏈的基本概念和國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，根據(jù)實(shí)際作戰(zhàn)模式需求給出總體設(shè)計(jì)方案。詳細(xì)給出了系統(tǒng)構(gòu)架及設(shè)備組成，采用模塊化設(shè)計(jì)方案，實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明總體方案可行，可以在后續(xù)武器型號(hào)中投入使用。

數(shù)據(jù)鏈 飛行器設(shè)計(jì) 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?zhǔn)钱?dāng)今世界信息技術(shù)領(lǐng)域的核心技術(shù)之一，一直是各國(guó)無(wú)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(duì)系統(tǒng)信息化的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，急需在飛行器上裝載小型高速數(shù)據(jù)鏈設(shè)備。通過(guò)開(kāi)展基于群聚OFDM的超寬帶高速高效自動(dòng)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(guò)真實(shí)低仰角長(zhǎng)距離飛行考核方式，驗(yàn)證數(shù)據(jù)鏈關(guān)鍵技術(shù)有效性及原理樣機(jī)傳輸性能，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)的飛行器抗多徑高速傳輸技術(shù)方案，并在無(wú)人機(jī)或者小型飛行器等武器平臺(tái)上推廣。

2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)

將數(shù)據(jù)鏈按照其用途進(jìn)行分類(lèi)，可以分為通用數(shù)據(jù)鏈和專(zhuān)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(tái)間交換不同類(lèi)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(chēng)為通用數(shù)據(jù)鏈（Common Data Link，CDL）。

2.1 國(guó)外發(fā)展情況

國(guó)外中、高空長(zhǎng)航時(shí)飛行器都會(huì)同時(shí)配備視距和超視距衛(wèi)通數(shù)據(jù)鏈，CDL和TCDL數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)且暰鄶?shù)據(jù)鏈的主要選擇，衛(wèi)通數(shù)據(jù)鏈則是作戰(zhàn)時(shí)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕溌?。?zhàn)術(shù)類(lèi)飛行器現(xiàn)階段多采用定制視距數(shù)據(jù)鏈，類(lèi)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(huì)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(huì)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(jī)控制或一機(jī)多站控制等。外軍典型數(shù)據(jù)鏈包括：

1）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)鏈（Digtal Data Link，DDL）

DDL是AeroVironment公司為美陸軍的“烏鴉”飛行器開(kāi)發(fā)的一種基于IP的數(shù)字?jǐn)?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(dú)立收發(fā)信機(jī)。

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

TCDL是美軍專(zhuān)門(mén)針對(duì)飛行器的列裝需求、基于標(biāo)準(zhǔn)型CDL數(shù)據(jù)鏈發(fā)展出來(lái)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(dá)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(wú)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(guó)內(nèi)發(fā)展情況

目前國(guó)內(nèi)的數(shù)據(jù)鏈設(shè)備的研制基本按照型號(hào)需求進(jìn)行定制，各平臺(tái)、各系統(tǒng)間兼容性差，迫切需求一種能夠良好兼容各類(lèi)型數(shù)據(jù)鏈的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)鏈設(shè)備的設(shè)計(jì)主要針對(duì)不同應(yīng)用，通過(guò)分立元件或直接數(shù)字頻率合成（DDS）的方法進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)。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(guó)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(shí)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(chǎng)測(cè)控?cái)?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(cè)控站能夠同時(shí)控制8發(fā)彈，中繼裝置天線指向這8發(fā)彈。地面站通過(guò)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(jìn)行任務(wù)協(xié)同通信，只能通過(guò)中繼裝置進(jìn)行作戰(zhàn)目標(biāo)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(cè)控站能夠同時(shí)控制8發(fā)彈，高空巡航段可對(duì)所有導(dǎo)彈進(jìn)行直接通信，在導(dǎo)彈進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域時(shí)，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(jìn)行組網(wǎng)巡航，母艦通過(guò)中繼彈控制導(dǎo)彈進(jìn)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(diǎn)，并可在任意導(dǎo)彈失去聯(lián)系時(shí)進(jìn)行智能組網(wǎng)，根據(jù)預(yù)置策略實(shí)施協(xié)同攻擊。

4 總體方案

4.1 方案設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中為克服多徑干擾帶來(lái)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(biāo)，進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)。為實(shí)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(shí)現(xiàn)，結(jié)合預(yù)估和實(shí)測(cè)的多徑衰落信道動(dòng)態(tài)特性對(duì)接收機(jī)的AGC動(dòng)態(tài)指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，對(duì)于碼間干擾嚴(yán)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(hào)線性功率放大，兩副天線實(shí)現(xiàn)對(duì)不同方向輸出信號(hào)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(shí)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(jī)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(jī)進(jìn)行時(shí)空譯碼處理，提高抗多徑能力。高速數(shù)據(jù)接收機(jī)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(hào)經(jīng)AD變換的輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)自動(dòng)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(zhǔn)確頻點(diǎn)的基帶數(shù)據(jù)，同時(shí)完成幀同步與定時(shí)同步，至此完成同步過(guò)程，隨后進(jìn)行信道估計(jì)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(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)作戰(zhàn)的目標(biāo)。

4.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.2.1 數(shù)據(jù)鏈終端設(shè)計(jì)

考慮到不同型號(hào)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(wú)明顯差異，可共用產(chǎn)品平臺(tái)，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(jì)，便于系統(tǒng)的裁剪和擴(kuò)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(jì)，支持后續(xù)不同數(shù)據(jù)鏈需求的功能設(shè)計(jì)升級(jí)。

4.2.2 接收機(jī)設(shè)計(jì)

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(hào)采集板卡、中頻信號(hào)處理板卡、高速信號(hào)處理模塊、萬(wàn)兆以太網(wǎng)模塊組成，各板卡集成到標(biāo)準(zhǔn)PXIe的工業(yè)級(jí)機(jī)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(shí)現(xiàn)途徑群聚OFDM技術(shù)中每一群路信號(hào)都是OFDM信號(hào)，多路群信號(hào)合到一起形成總的群聚OFDM信號(hào)，每一群路的信號(hào)可以通過(guò)不同的頻率或者不同的碼字來(lái)識(shí)別。群聚OFDM相比傳統(tǒng)的OFDM有以下優(yōu)點(diǎn)：

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(shí)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(gè)數(shù)。

高速數(shù)據(jù)通過(guò)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(gè)群的數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行編碼，星座映射和OFDM調(diào)制后分別上變頻到2個(gè)連續(xù)的子頻帶以完成中頻合成，輸出的中頻信號(hào)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(shí)現(xiàn)途徑

終端收發(fā)信機(jī)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(jī)載收發(fā)信機(jī)中，電源單元負(fù)責(zé)為整個(gè)平臺(tái)提供電源，將18～36V一次電源轉(zhuǎn)換為5V，射頻處理單元負(fù)責(zé)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(hào)處理。終端的設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，便于系統(tǒng)的裁剪和擴(kuò)展。

收發(fā)信機(jī)信號(hào)處理流程如下圖9?；鶐卧―AC和模擬正交調(diào)制，輸出射頻數(shù)傳信號(hào)?；鶐幚韱卧饕沙笠?guī)?？删幊涕T(mén)陣FPGA、ARM，DDR存儲(chǔ)器，F(xiàn)lash存儲(chǔ)芯片，集成收發(fā)器，接口芯片等組成。采用FPGA為基帶信號(hào)處理器，ARM為主控制器。

4.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)飛行演示驗(yàn)證考核，接收機(jī)收到的無(wú)線信號(hào)通過(guò)軟件檢測(cè)如圖10所示，可見(jiàn)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(yǔ)

文中給出數(shù)據(jù)鏈在實(shí)際工程中的設(shè)計(jì)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(tái)高速數(shù)傳、無(wú)人機(jī)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(chǎng)信息快速獲取能力。

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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(jì)量測(cè)試技術(shù)與儀器研發(fā)。

1000-7202（2017）03-0051-04