Link11數(shù)據(jù)鏈性能仿真分析

譚志強,徐 軍

(1.國防科技大學(xué),長沙 410000;2.解放軍 63891部隊,洛陽 471003)

0 引 言

Link11(美軍稱之為TADIL A)于20世紀(jì)70年代投入使用,計劃服役到2015年。通常所說11號數(shù)據(jù)鏈除?；腖ink11數(shù)據(jù)鏈外,還包括陸基的Link11B數(shù)據(jù)鏈,Link11B是一條專用、點對點、全雙工的數(shù)據(jù)鏈路,主要用于陸基防空和空中控制單元,采用的消息格式與Link11相同,下面主要針對Link11進行分析論述。

Link11是一條保密的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)鏈路,用于艦艇之間、艦岸之間、艦空之間、空岸之間實現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)數(shù)字信息交換。該數(shù)據(jù)鏈采用M序列報文,報文標(biāo)準(zhǔn)由美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-6011和北約標(biāo)準(zhǔn)STANAG5511定義,通信標(biāo)準(zhǔn)由美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-188-203-1A定義。標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率為1 364 bps或2 250 bps。它通常在網(wǎng)絡(luò)控制站的控制下,以輪詢方式進行工作,也可采用廣播模式工作。Link11數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)褂肏F和UHF頻段。當(dāng)使用HF頻段時,能夠覆蓋信息發(fā)送地點周圍300 nmile的區(qū)域;使用UHF頻段時,能夠提供艦對艦25 nmile、艦對空150 nmile的覆蓋。

1 Link11數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)組成

Link11數(shù)據(jù)鏈于20世紀(jì)70年代投入使用,是一條保密的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)鏈路。通常所說的11號數(shù)據(jù)鏈除?；腖ink11數(shù)據(jù)鏈外,還包括陸基的Link11B數(shù)據(jù)鏈,它們分別對應(yīng)于美軍的TADIL-A和TADIL-B。Link11B主要用于陸基防空和空中控制單元,相對?；?Link11來講 Link11B應(yīng)用范圍較小,本文主要研究對象為?；鵏ink11數(shù)據(jù)鏈(以下簡稱Link11數(shù)據(jù)鏈)。Link11數(shù)據(jù)鏈主要用于艦艇、艦岸、艦空、空岸之間實現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)數(shù)字信息交換。該數(shù)據(jù)鏈采用M 序列報文,工作模式包括網(wǎng)絡(luò)同步(Net Sync)、網(wǎng)絡(luò)測試(Net Test)、輪詢(Roll Call)、廣播(Broadcast)、簡短廣播(Short Broadcast)、無線電靜默(Radio Silence)6種,輪詢模式為其主要工作模式。Link11數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)褂肏F和UHF頻段,當(dāng)使用HF頻段時,能夠覆蓋信息發(fā)送地點周圍300 nmile的區(qū)域;使用UHF頻段時,能夠提供艦對艦25 nmile、艦對空150 nmile的覆蓋。

圖1 典型的Link11數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)

典型的Link11數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)配置如圖1所示,由計算機、保密設(shè)備、數(shù)據(jù)終端機(DTS)、HF或 UHF無線電設(shè)備組成。數(shù)據(jù)終端機與無線電設(shè)備相連,完成所有與網(wǎng)絡(luò)操作有關(guān)的控制功能。

2 Link11數(shù)據(jù)鏈仿真算法分析

2.1 仿真原理

按照Link11數(shù)據(jù)鏈通信標(biāo)準(zhǔn)[1]的描述,數(shù)據(jù)終端是Link11數(shù)據(jù)鏈的核心,由它完成Link11音頻信號的產(chǎn)生和接收檢測,因此Link11物理層算法主要是指Link11數(shù)據(jù)終端的物理層算法。下面對數(shù)據(jù)終端的功能進行詳細分析。

(1)編碼

Link11使用的編碼方式是漢明編碼,就是在每組信息碼元的后面加補一些附加位以達到檢錯糾錯的目的。DTS從TDS計算機接收24位二進制數(shù)據(jù),然后加上6位檢錯糾錯數(shù)據(jù)(EDAC)把24位數(shù)據(jù)擴展為30位,其值是基于對24位數(shù)據(jù)字特定組合的奇偶校驗,具體的監(jiān)督關(guān)系下:

在Link11系統(tǒng)中,只對數(shù)據(jù)信息進行漢明編碼,起始碼、終止碼、地址碼不進行漢明編碼。

(2)調(diào)制解調(diào)

在Link11系統(tǒng)中,通過對音頻信號分成數(shù)據(jù)幀來標(biāo)示各個30 bit的數(shù)據(jù),在這15個數(shù)據(jù)音頻中每個音頻的相移角度傳遞了這個音頻中包含的數(shù)字信息,每幀的每個數(shù)據(jù)頻率都有特定的相位。在每幀的邊界,每個數(shù)據(jù)音頻的相位根據(jù)前一幀進行相移。相移的大小即相位差決定了這2位數(shù)據(jù)的值,其相位變化服從表1的規(guī)律。

表1 相位變化列表

2.2 主要算法

將數(shù)據(jù)終端的物理層過程進行了模塊化分解,如圖2和圖3所示,其中虛線框內(nèi)為數(shù)據(jù)終端的物理層過程。除AD和DA轉(zhuǎn)換2個模塊外都需要進行算法設(shè)計,下面按照信號從發(fā)送到接收的流向,對主要算法模塊進行分析。

圖2 信號發(fā)送流程

圖3 信號接收檢測流程

(1)信道編碼

Link11的戰(zhàn)術(shù)報文采用(30,24)的漢明編碼,編碼方案由Link11數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)通信標(biāo)準(zhǔn)[1]定義,從中可以推出生成矩陣G24×39。將戰(zhàn)術(shù)報文信息mn×24通過生成矩陣G即得到n幀30 bit的并行數(shù)據(jù):

(2)π/4-DQPSK調(diào)制

吳邦偉在民國時期歷任國民體育委員會委員、教育廳督學(xué)、省立體育場場長，創(chuàng)辦期刊、編撰書籍，對當(dāng)時的社會體育事業(yè)做出了卓越的貢獻；許多思想在今天看來都具有超越時代性和前瞻性；對其社會體育思想的深入探討，不僅是對老一輩體育人的深切懷念，更是從歷史的發(fā)展中探尋前人的智慧，為當(dāng)下全民健身與全民健康深入融合提供借鑒意義。

Link11數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)采用多音并行體制,沒有信道估計的機制,所以只能采用相對移相的調(diào)制方式——差分四進制移相鍵控(π/4-DQPSK以下簡稱DQPSK),從而可以解決相位模糊影響相干解調(diào)輸出的問題。首先在基帶生成DQPSK符號對,再搬移到音頻。信號可表示為:

式中:Ik、Qk為本次輸出的符號對;Ik-1、Qk-1為上一次輸出的符號對;θk為輸入二元組對應(yīng)的相位變化。

(3)副載波調(diào)制

Link11數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)采用了多音并行體制,即用15個音頻載波來同時傳遞信號。一個DQPSK符號對(Ik,Qk)到其對應(yīng)頻率的DQPSK離散音頻調(diào)制信號的計算:

如果令dk=Ik+j Qk,則s(fcnTs)=Re(dkej2πfcnTs),于是 N個單音的 DQPSK離散音頻調(diào)制信號可合成:

令N=15,且 fk分別對應(yīng)通信標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的15個數(shù)據(jù)副載波單音,那么式(10)就是Link11音頻信號(離散)。將n×15的并行DQPSK符號對進行副載波調(diào)制后,可以得到n幀音頻調(diào)制信號的離散序列。

(4)副載波解調(diào)

副載波解調(diào)完成的是將多音并行信號變換到基帶,輸出DQPSK符號對。將式(10)的解析式通過數(shù)學(xué)變換改寫如下:

那么攜帶數(shù)據(jù)信息的DQPSK符號對dk的解析式可以表示為:

3 仿真模型的建立

根據(jù)Link11數(shù)據(jù)鏈通信標(biāo)準(zhǔn),可構(gòu)建的仿真模型如圖4所示。按照條件化劃分的思想,可以在a處觀察發(fā)射信號的波形,在b處考察系統(tǒng)性能,c處為干擾加入點,通過建立系統(tǒng)仿真模型可以對Link11信號頻譜、抗干擾性能進行分析。

3.1 仿真條件及假設(shè)

(1)仿真中由數(shù)據(jù)源隨機生成15幀戰(zhàn)術(shù)報文,通過編碼調(diào)制等一系列過程后,在b處觀察輸出信號的頻譜。因為Link11音頻信號是15個單音的疊加,通過功率譜可以比較直觀地體現(xiàn)信號的特征。

(2)Link11數(shù)據(jù)鏈通信標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)據(jù)終端的誤比特有明確規(guī)定,仿真中由數(shù)據(jù)源隨機生成7 500幀戰(zhàn)術(shù)報文,信噪比取0～10 dB,步進1 dB,統(tǒng)計各種信噪比下的誤比特率。

(3)c處加入單音干擾,信噪比分別選取10 dB、20 dB、30 dB 時,統(tǒng)計信干比從-5～ 10 dB時的系統(tǒng)性能;加入多音干擾,保持信道中信噪比為20 dB,統(tǒng)計比較1、5、10單音時的系統(tǒng)性能。

圖4 Link11物理層仿真模型

3.2 結(jié)果分析

(1)圖5是仿真發(fā)射的數(shù)據(jù)報文的功率譜,可以區(qū)分出譜線由16個單音疊加而成。從幅度上看,除605 Hz單音相對高6 dB左右外,其余單音幅度基本相同,與Link11數(shù)據(jù)鏈通信標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一致,驗證了系統(tǒng)仿真模型的正確性。

圖5 數(shù)據(jù)報文功率譜

(2)圖6是Link11數(shù)據(jù)終端的整體性能曲線(包括信道編譯碼),可見在10 dB信噪比下,平均誤比特率逼近10-3,系統(tǒng)性能完全滿足 Link11數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的指標(biāo)要求,這也證明了算法的正確性。

圖6 Link11系統(tǒng)性能

(3)圖7為對935 Hz采用單音干擾時,信噪比為10 dB、20 dB、30 dB,數(shù)據(jù)終端解調(diào)誤碼率隨信干比變化情況。與圖6比較,加入單音干擾后數(shù)據(jù)終端解調(diào)性能明顯下降。圖8為多音干擾下的性能曲線,隨著干擾頻點的增長系統(tǒng)解調(diào)性能急劇下降。

圖7 單音干擾仿真結(jié)果

圖8 多音干擾仿真結(jié)果

4 小結(jié)

從近幾次局部戰(zhàn)爭的情況看,Link11數(shù)據(jù)鏈目前仍在美軍及其北約盟國廣泛應(yīng)用,部分功能還無法替代,因此對Link11數(shù)據(jù)鏈及其抗干擾性能進行研究具有重要的戰(zhàn)略意義。通過仿真分析,Link11數(shù)據(jù)鏈中數(shù)據(jù)終端雖有一定檢錯能力,但總體抗干擾性能不強,特別是針對數(shù)據(jù)終端實施多音干擾時會造成系統(tǒng)性能的急劇下降,所以對Link11數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)工作時的抗干擾性、抗毀性還需進一步研究。

[1]M IL-STD-188-203-1A.Interoperability and Performance Standards for Tactical Digital Information Link(tadil)A[S].

[2]翟利超,呂久明.數(shù)據(jù)鏈及其對抗方法研究[J].艦船電子對抗,2004,27(6):26-29.

[3]范小麟,馬大瑋,李曉飛.Link11誤碼性能分析[J].中國科技信息,2007(1):101-102.

[4]季健忠.戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的分析與仿真研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2003.

[5]蔡嘯,郭偉,周應(yīng)芳.對美軍戰(zhàn)術(shù)數(shù)字信息鏈路(TADIL)A的偵察與干擾[J].艦船電子工程,2005,25(4):116-119,123.