多徑效應對Link16消息同步段的影響分析

邱丙益，金衛同，盛 瑩，劉春茂

(洛陽電子裝備試驗中心，河南濟源459000)

0 引言

美軍稱Link16為TADIL-J，是保密、大容量、抗干擾和無節點的數據鏈路，是美國防部用于指揮、控制和情報的主要戰術數據鏈［1］。Link16數據鏈采用了直接序列擴頻和跳頻技術，具有很強的抗干擾能力。但由于采用了這2種技術，為了使接收端正確恢復信碼，接收端產生的用于解擴的偽隨機碼必須和發送端的偽隨機碼同步，因此同步成為Link16通信的關鍵［2，3］。通信雙方一旦失去同步，任何信息都無法正確傳輸。而當多徑時延小于Link16跳頻駐留期時，多徑信號和直射波信號將同時進入接收機，造成接收信號的相關性發生變化，進而對消息同步段造成影響，導致數據丟失［4，5］。本文從Link16消息同步和調制解調的機理入手，分析多徑效應對消息包接收成功率的影響。

1 Link16接收解調分析

1.1 消息同步原理

Link16采用時分多址(TDMA)工作方式，將時間軸劃分為多個長度為7.812 5 ms的時隙，根據TADIL-J數據協議規范，數據包格式分為STD/DP、P2DP、P2SP 和 P4SP［6］，這 4 種數據包格式盡管攜帶的信息不同，但在傳輸數據報文之前要進行同步，數據包中用于同步的脈沖都是一致的，如圖1所示。

圖1 Link16時隙結構

消息的同步分為粗同步和精同步2個部分［7］，用于消息同步的二進制序列按5 bit分組構成20個同步字符，每個字符用2個不同頻率的脈沖發射，因此同步段共包括40個脈沖。其中32個脈沖用于粗同步，由具有較好自相關性的32 bit偽隨機碼直擴后經MSK調制而成，剩余8個脈沖用于精同步［8］。根據不同的時隙，選用的偽隨機碼也不相同，即調制前，需要進行CCSK編碼，通過對長度為32的CCSK碼字進行循環移位，產生32種狀態，表示1個傳輸符號，對應5 bit的信息。在一個偽碼周期內，載波頻率不變，Link16傳輸1個符號的信息，可能進入接收機輸入端的信號波形共有32種。

1.2 消息解調過程

由于Link16跳頻速率過快，高達76 923 hop/s，在接收端進行相干解調比較困難，而采用并行非相干匹配濾波器組是個不錯的選擇，它能同時完成軟擴頻信號的解擴和解調，而且速度快、可編程性好，在軟擴頻系統中有著很好的應用［9，10］。Link16的接收機共有32組匹配濾波器，其接收機框圖如圖2所示。

圖2 Link16接收機解調原理

圖2中，T=6.4 μs，為一個偽碼周期。在一個偽碼周期內，接收機只有一個支路與信號相匹配。在t=T時刻，該支路的檢測輸出超過門限值Vth，可恢復該支路所對應的5 bit信息。

第j路輸入信號表達式為:

式中，pj為第j路輸入信號對應的M序列碼元，取值為±1;Tp=0.2 μs為碼元寬度。

一個碼元周期內，第j路輸入信號與本地擴頻碼相關處理得相關峰值:

當i=j時，中頻頻率取50 MHz，將式(1)代入式(3)，令φj=0，計算可得主瓣的相關峰值Ki(i)=T/2。當i≠j時，相關峰值Ki(j)＜T/2。設原始序列S0=01111100111010010000101011101100，i=j=1，各路檢波器輸出的相關峰值如圖3所示，第1個包絡檢波器輸出為主瓣的相關峰值。

圖3 各包絡檢波器輸出的相關峰值

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

2 二徑干擾對Link16消息同步段的影響

Link16跳速高達 76 923 hop/s，駐留期僅為13 μs，經多徑傳輸的一些多徑信號的多徑時延大于駐留期，不會進入本跳內，從而可以躲避這些多徑信號的干擾［11］。但在近距離通信(2 km內)時，對于只經過一次反射的二徑信號，其二徑時延很小(如1 km通信距離上，天線高5 m，二徑時延為0.016 7 μs＜13 μs)，因此二徑信號會落入本跳內。直射波信號和反射波信號共同進入接收機時，對數據鏈接收端同步信號必然造成影響。

二徑模型中，Link16接收機接收到的信號為:

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

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

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

式中，ωc=2π×50 MHz，p1k取值為±1，Tp=0.2 μs。影響式(6)結果的只有二徑時延τk和路徑增益ak。經計算，在通信距離在2 km內時，Tp＞τk，而ak服從瑞利分布［12］。

通過上述分析發現，當Link16在近距離通信時，只經過一次反射的反射波信號到達接收機后，與直射波信號疊加，造成接收信號的相關性發生變化。經過解調時，導致主瓣的相關峰發生變化，當主瓣相關峰值變低至檢測門限以下時，會造成數據丟失。如果同步段數據丟失，就會造成整條消息丟失。

3 試驗及結果分析

為驗證上述結論，使用2部Link16信號發射與接收設備進行近距離通信測試，2部設備通視，且地反射信號不受遮擋。為方便分析，二者天線高度一致，每次發送100包數據。試驗結果如表1所示。

表1 Link16模擬設備近距離通信情況

從表1中可以看出，在特定的天線高度和通信距離上出現了信號丟失，可見反射信號在一些情況下會嚴重影響接收端信號的相關性，導致同步段數據丟失，進而導致整包數據的丟失;另外，由前文分析可知，由于相關峰值變化的影響因子為τk和ak，而ak服從瑞利分布，結合表1中的數據，發現難以找到數據丟失出現的條件與上述因子之間的關系，但在不同的距離通過適當調整收發雙方的天線高度可降低二徑影響。

4 結束語

Link16的高速跳頻工作方式，使敵方難以實施有效的偵察和干擾，也能抗多徑干擾，但對于較近距離的多徑干擾，由于多徑時延小于跳頻駐留期，多徑反射信號進入接收機，造成接收信號相關性發生變化，影響同步信號的解調，進而導致在一些情況下信號會丟失。通過研究Link16同步調制與解調機制，分析了二徑模型下影響其丟包現象的原因，指出造成該影響的關鍵因素和減小影響的適當措施。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，從而給信號分析、研究其干擾策略造成迷惑。

［1］梅文華，蔡善法.JTIDS/Link16數據鏈［M］.北京:國防工業出版社，2007:85－86.

［2］郭建蓬，王可人，蔡小霞，等.Link16數據鏈消息同步段有效干擾策略研究［J］.電子對抗技術，2005(1):3－7.

［3］孫繼銀，付光遠，車曉春，等.戰術數據鏈技術與系統［M］.北京:國防工業出版社，2007:13－15.

［4］張 弛，陳錫春.空 －空數據鏈抗多徑技術［J］.電光系統，2006，9(3):6 －10.

［5］郭永林.擴頻數據鏈路干擾技術研究［D］.西安:西安電子科技大學碩士學位論文，2008:1－49.

［6］張 醒，張旭東.Link－16數據鏈J序列消息標準研究［J］.自動化與儀器儀表，2006(4):81－85.

［7］于國榮.Link16數據鏈通信組網技術分析［J］.無線電通信技術，2010，36(3):4 －7.

［8］劉徐德.戰術通信、導航定位和識別綜合系統文集(第1集)［M］.北京:電子工業出版社，1991:112－114.

［9］包中華，劉曉東，黃高明.Link16數據鏈抗多徑衰落性能分析［J］.電子信息對抗技術，2008(1):51－52.

［10］夏琳英.戰術數據鏈技術研究［D］.西安:西北工業大學碩士論文，2007:21－23.

［11］姚富強.通信抗干擾工程與實踐［M］.北京:電子工業出版社，2008:77－78.

［12］向敬成.信號檢測與估計［M］.北京:國防工業出版社，1990.