一種具有高抗干擾能力高速數據鏈的設計與實現

榮 剛 張聲艷 馮忠偉 陳玉坤

（中國運載火箭技術研究院研究發展中心，北京 100076）

一種具有高抗干擾能力高速數據鏈的設計與實現

榮 剛 張聲艷 馮忠偉 陳玉坤

（中國運載火箭技術研究院研究發展中心，北京 100076）

簡要介紹了數據鏈的基本概念和國內外發展狀況，根據實際作戰模式需求給出總體設計方案。詳細給出了系統構架及設備組成，采用模塊化設計方案，實現設備的通用化、小型化和輕質化。著重提出基于群聚（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術方案，以解決低仰角抗多徑高速數據傳輸應用需求。實驗結果表明總體方案可行，可以在后續武器型號中投入使用。

數據鏈 飛行器設計 收發器

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

數據鏈是當今世界信息技術領域的核心技術之一，一直是各國無線電子系統發展的重要環節。隨著高速飛行器的快速發展，對系統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據鏈設備。通過開展基于群聚OFDM的超寬帶高速高效自動編碼調制技術、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，驗證數據鏈關鍵技術有效性及原理樣機傳輸性能，實現長距離、低仰角下800Mb/s高速數據的可靠傳輸。形成可直接用于工程實現的飛行器抗多徑高速傳輸技術方案，并在無人機或者小型飛行器等武器平臺上推廣。

2 國內外發展趨勢

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

2.1 國外發展情況

國外中、高空長航時飛行器都會同時配備視距和超視距衛通數據鏈，CDL和TCDL數據鏈是視距數據鏈的主要選擇，衛通數據鏈則是作戰時的遠程數據傳輸的主要鏈路。戰術類飛行器現階段多采用定制視距數據鏈，類型多樣。中高空飛行器為了確保系統的可靠性，其配備的數據鏈系統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數據鏈、支持一站多機控制或一機多站控制等。外軍典型數據鏈包括：

1）數字數據鏈（Digtal Data Link，DDL）

DDL是AeroVironment公司為美陸軍的“烏鴉”飛行器開發的一種基于IP的數字數據鏈，也是一種比較典型的適用戰術飛行器的數據鏈，它能為小型飛行器的指揮與控制提供低功率的寬帶數字網絡，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信機。

2）戰術通用數據鏈（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數據鏈發展出來的一種全雙工、抗干擾戰術寬帶數據鏈。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，其上行鏈路數據率為200kb/s，而下行鏈路數據率為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，從而避免了在該領域出現“煙囪”系統，這也促使TCDL系統在飛行器上廣泛應用。

2.2 國內發展情況

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

3 數據鏈模式

3.1 飛行器中繼應用模式

單彈中繼應用模式與靶場測控數據鏈應用相似，示意圖如圖1所示。

軍艦數據鏈測控站能夠同時控制8發彈，中繼裝置天線指向這8發彈。地面站通過飛行器中繼和8發彈組成通信網絡，各彈之間不能進行任務協同通信，只能通過中繼裝置進行作戰目標指示及修訂等。

3.2 多彈組網中繼應用模式

多彈組網中繼應用模式示意圖如圖2所示。

軍艦數據鏈測控站能夠同時控制8發彈，高空巡航段可對所有導彈進行直接通信，在導彈進入目標區域時，其中有一枚或幾枚導彈保持高空巡航做為中繼彈，其它導彈轉入低空進行組網巡航，母艦通過中繼彈控制導彈進行組網協同攻擊。其中這8發導彈的功能及能力相同，互相均可通信，均可做為中繼節點，并可在任意導彈失去聯系時進行智能組網，根據預置策略實施協同攻擊。

4 總體方案

4.1 方案設計

在系統設計中為克服多徑干擾帶來的碼間干擾難題，綜合考慮應用模式與技術需求，根據飛行高度、速度、飛行距離、接收天線波束寬度以及誤碼率指標，進行總體方案設計。為實現高速數據傳輸，發射端擬采用群聚OFDM+天線分集方式實現，結合預估和實測的多徑衰落信道動態特性對接收機的AGC動態指標進行詳細設計，對于碼間干擾嚴重的多徑衰落，在接收端采用自適應頻域均衡方法。

高速數據鏈系統構成如圖3所示。彈體由數據鏈終端、射頻前端、兩副天線等組成，數據鏈終端是彈體的核心設備，完成高速數據調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，兩副天線實現對不同方向輸出信號的空間分集輸出。彈上數據傳輸系統供電由彈載配電器提供，同時彈體提供慣導數據。

子彈接收系統由天饋、高速數據接收機組成。接收天線采用雙天線分集接收形式，接收數據送高速數據接收機進行時空譯碼處理，提高抗多徑能力。高速數據接收機為子彈系統核心設備，完成高速數據解調及抗多徑傳輸算法。

子彈接收信號經AD變換的輸入信號經過自動增益控制環路得到電平穩定的基帶數據，然后經載波同步環路下變頻到準確頻點的基帶數據，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，得到幀體數據，最后完成一系列解碼得到最終數據，實現協調作戰的目標。

4.2 系統設計

4.2.1 數據鏈終端設計

考慮到不同型號飛行器數據鏈只是應用背景不同，產品的系統框架、模塊組件、關鍵技術等均無明顯差異，可共用產品平臺，統一考慮。終端采用基于內總線的屜式結構，采用模塊化設計，便于系統的裁剪和擴展。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成，各單元板卡硬件采用通用設計，支持后續不同數據鏈需求的功能設計升級。

4.2.2 接收機設計

數據鏈接收端采用基于PXI總線的模塊化板卡結構，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、萬兆以太網模塊組成，各板卡集成到標準PXIe的工業級機箱內，如圖5所示。

4.3 技術途徑

4.3.1 低仰角抗多徑高速數據傳輸技術實現途徑群聚OFDM技術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相比傳統的OFDM有以下優點：

1）在帶寬內根據QoS和信道質量自適應分配不同的群，以支持不同的數據速率；

2）群聚技術可以實現分集發射和抗多經衰落；

3）峰均比（PAR）降低10log10（L），其中L為群聚的個數。

高速數據通過串并轉換為2路并行的群，數據速率下降為輸入數據的1/2。每一個群的數據同時進行編碼，星座映射和OFDM調制后分別上變頻到2個連續的子頻帶以完成中頻合成，輸出的中頻信號即可調制到射頻發射。發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途徑

終端收發信機的組成如圖8所示，由基帶單元、射頻單元和電源單元構成。機載收發信機中，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數據編碼調制等信號處理。終端的設計采用模塊化設計，便于系統的裁剪和擴展。

收發信機信號處理流程如下圖9。基帶單元包括DAC和模擬正交調制，輸出射頻數傳信號。基帶處理單元主要由超大規模可編程門陣FPGA、ARM，DDR存儲器，Flash存儲芯片，集成收發器，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、數據接收正常，數據誤碼率滿足系統要求。

5 結束語

文中給出數據鏈在實際工程中的設計方案，提出的低仰角抗多徑高速數據傳輸技術，可應用于衛星高速數傳、高速飛行器信息傳輸、偵查平臺高速數傳、無人機偵查數據鏈傳輸等領域，提高信息傳輸效率，極大提升戰場信息快速獲取能力。

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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：計量測試技術與儀器研發。

1000-7202（2017）03-0051-04