無人直升機數據鏈系統抗干擾能力仿真

王貴寶，李瑜強

(1.海裝裝備采購中心，北京 100071；2.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

無人直升機數據鏈系統抗干擾能力仿真

王貴寶1，李瑜強2

(1.海裝裝備采購中心，北京 100071；2.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

在非戰場環境下，無人直升機數據鏈系統也會受到多種因素的干擾，如白噪聲、多徑效應等。為測試數據鏈應對這類干擾的能力，利用Matlab軟件搭建了無人直升機數據鏈抗干擾仿真模型。該仿真模型包含無人直升機數據鏈中編碼解碼、擴頻解擴、調制解調等典型數據處理模塊。仿真結果表明，通過信源信道編碼能有效提高無人直升機數據鏈的抗干擾能力。

無人直升機；數據鏈路；抗干擾；仿真；誤碼率

0 引言

無人直升機以其能夠垂直起降、空中懸停、全向飛行、低速機動等獨特的飛行特點，可靈活應用于偵察、警戒、探測等戰術任務。數據鏈系統是連接地面站與無人直升機的重要通道，通過數據鏈系統可以實現對無人直升機的遠程遙控，同時也能獲取無人直升機的遙測狀態信息和載荷信息。現代戰場上的無人直升機數據鏈應具備抗干擾、低截獲率、安全、抗欺騙等與電子戰相關的性能，而這些性能也可以根據經費限制和實際需求進行取舍，并且上行鏈路和下行鏈路對這些功能的需求優先等級往往是不同的[1]。

通常在同一區域內相近頻段的數據鏈之間容易相互干擾，合理分配無人直升機頻段、避免頻率沖突能規避絕大部分的這類干擾。另外，在信號傳輸過程中，加性噪聲、碼間串擾等都可能導致對數據鏈的干擾，通過增加發射功率以及提高設備靈敏度可大幅降低這類干擾。除上述合理規劃頻率、提升硬件能力等措施外，還可通過信源編碼、信道編碼等方式提高數據鏈的抗干擾能力[2]。

1 無人直升機數據鏈系統

1.1理論基礎

無人直升機數據鏈系統的理論基礎是Shannon信息論理論。Shannon在信息論中有關信道的理論容量公式為：

公式(1)也稱為Shannon定理。式中，C為信道容量，單位為bps；W為信道帶寬；S/N為信噪比。這個定理給出了信道傳輸速率與信道帶寬和信噪比之間的關系，只要實際傳輸速率小于信道容量，就可以實現在信道中的無差錯傳輸。Shannon定理為通信理論的發展奠定了基礎。

圖1所示是一般通信系統框圖，一個完整的通信系統通常由發射子系統和接收子系統組成。發射機模型包括信源編碼、信道編碼、調制和上變頻等模塊，對應接收機則包括下變頻、解調、信道解碼和信源解碼等模塊。發射機中各模塊的作用如下：

1)信源編碼：信源編碼在大部分情況時的作用是對數據進行壓縮，使得其在信道中的傳輸帶寬增大；

2)信道編碼：信道編碼是為了降低誤碼率，提高數字通信的可靠性而采取的編碼，其代價是會給傳輸信號引入冗余信息；

3)調制：調制是為了使傳輸的基帶信號更適合于在信道上傳輸，其目的也是為了降低誤碼率，提高可靠性；

4)變頻：是指將要傳輸的信號的帶寬擴展到寬頻帶進行傳輸，其作用是為了增加通信系統的抗干擾能力和隱蔽性。

在實際的通信系統中，發射機和接收機的模型可能會更簡單，如某些通信系統中就不包含信道編解碼模塊。

1.2數據鏈系統組成

無人直升機數據鏈可分為上行鏈路和下行鏈路。上行鏈路也稱指揮鏈路，用于地面站對飛行器以及機上設備的控制，其帶寬一般為幾kbps到幾十kbps；下行鏈路提供兩個通道，一個通道帶寬較小(類似于指揮鏈路)，用于向地面傳輸遙測信息，稱為遙測通道，另一個通道用于傳遞任務載荷信息，它需要足夠的帶寬以傳送大量數據，其帶寬范圍一般在300kbps ～10Mbps[3]。

如圖2所示，某型無人直升機數據鏈系統包括機載系統和地面系統兩部分。其中，機載系統和地面系統均由接收模塊、發射模塊和天線組成。

如圖3所示，該無人直升機數據鏈系統模型是一個簡化的通信系統模型，該模型包括編碼解碼、擴頻解擴、調制解調、上下變頻等模塊。

2 抗干擾能力分析

2.1信源編碼

信源編碼又稱為差錯控制編碼，是提高數字信號傳輸可靠性的有效方法之一。信源編碼按不同分類方式，可分為線性碼與非線性碼、分組碼與卷積碼、檢錯碼和糾錯碼等。其中，線性分組碼是一種較為常用的信源編碼方式，包括BCH碼、RS碼和CRC校驗碼等。BCH碼是循環碼中的一個大類。RS碼是一類具有很強糾錯能力的多進制BCH碼，在所有線性分組碼中，RS碼的糾錯能力和編碼效率是最高的。CRC校驗碼是一種循環校驗碼，它具有很強的檢錯能力，多用于實現自動請求重傳功能。

無人直升機數據鏈由于上、下行鏈路的帶寬不同且傳輸信息不同的特點，上、下行鏈路采用的信源編碼方式也不一樣。上行鏈路是指揮鏈路，其帶寬較小，只需占用帶寬較小的檢錯碼即可；下行鏈路帶寬較大，有較大的冗余帶寬分配給信源編碼，因此下行鏈路可選用冗余度較大的糾錯碼。目前大多數無人直升機數據鏈的下行鏈路采用的信源編碼技術是RS碼或者Turbo碼，美軍無人直升機的數據鏈產品CDL、TCDL、MP-CDL都使用了這兩種信源編碼技術[4]。與這兩種信源編碼技術相比，一種先進的低密度奇偶校驗碼(LDPC)具有算法簡單，糾錯能力強的特點，其本身還具有交織器的作用，正成為下一代無人直升機數據鏈信源編碼研究的熱點。

表1對這三種信源編碼技術進行了比較，在不考慮編解碼復雜度的情況下，LDPC碼的性能優于Turbo碼，RS碼性能在三者中最差[5]。

表1 三種信源編碼技術的比較

2.2信道編碼

2.2.1 擴頻

擴頻方式有四種類型，分別是直接序列擴頻(DS)、跳頻擴頻(FH)、跳時擴頻(TH)以及混合方式(即前面三種方式的不同組合)。直接序列擴頻系統采用高速碼率的直接序列(偽隨機碼)在發射端進行擴頻，在接收端用相同的碼序列去進行解擴，將擴頻信號還原成原始信息。

直接序列擴頻中的隨機序列應用較多的有m序列、Gold序列以及正交Gold序列等，Gold序列是在m序列的基礎之上產生的，正交Gold序列是改良的Gold序列。

圖4所示是一個n級線性移位寄存器構成的m序列發生器，產生的m序列具有2n-1周期。圖5所示是一個Gold碼序列發生器，Gold序列是由兩個m序列進行模2加操作。正交Gold序列則是在Gold序列尾加一個0，使序列長度為偶數而構成的。圖6所示為m序列和正交Gold序列DS-BPSK在Rayleigh信道下的性能比較，m序列和正交Gold序列分別在信噪比達到30dB和15dB時，誤比特率低于10-4，可見正交Gold序列明顯優于m序列。

2.2.2 調制

和模擬調制一樣，數字調制也按頻率調制、相位調制和幅度調制，性能各異。但由于頻率調制和相位調制對噪聲的抑制效果更好，因此成為各類通信系統的首選。頻移鍵控(FSK)是通過改變載波信號的頻率值來表示對應數字信號值的，相移鍵控(PSK)是通過改變載波信號的相位值來表示對應數字信號值的。

常用的PSK包括BPSK、QPSK、DPSK等。BPSK是最簡單也是常用的一種PSK，也稱二相PSK，分別為0，π；QPSK是四相PSK，分別為0，1/4π，1/2π，3/4π；DPSK是一個1bit延遲器，輸入一個信號，可以得到兩路相差1bit的信號，形成信號對DPSK信號進行相位解調，實現相位到數值的轉換。無人直升機的上行數據鏈通常采取BPSK，下行數據鏈通常采取QPSK。

BPSK與二進制載波幅度調制2-PAM是相同的，其差錯概率也相同，其差錯概率公式如下：

式中，Q函數為正態分布函數，其表達式為：

圖7給出了通過該差錯概率公式求得BPSK調制的理論誤比特率與實際仿真誤比特率的比較結果。由圖可以看出，仿真得到的BPSK誤比特率與理論值基本吻合，都是隨著信噪比的增加，誤比特率下降。

3 仿真與結果

3.1仿真模型

無人直升機的上行數據鏈是遙控通道，用于傳輸重要的飛行和任務控制指令。仿真模型根據某型無人直升機數據鏈路系統中的上行鏈路的技術參數而搭建，信道編碼采用了直接序列擴頻、BPSK調制方式。

圖8所示是該上行鏈路的仿真模型框圖。仿真模型中，信號發生器產生二進制信息，經過直接序列擴頻和BPSK調制后，進入指定信道，再經BPSK解調和解擴得到恢復信息，對比恢復信息和原始二進制信息計算出誤比特率。

3.2參數選取

該上行鏈路的發射端由信源產生器、DS擴頻、BPSK調制三個模塊組成，對應接收端由BPSK解調、DS解擴、誤碼率計算三個模塊組成。各個模塊參數如下：

1)信源發生器：信源信號按某型無人直升機通信協議的數據格式產生，發生器的頻率為12.5Hz，每80ms產生64字節共512比特的上行數據幀；

2)擴頻碼發生器：可以產生m序列和正交Gold序列兩種序列，解擴模塊與之對應；

3)BPSK調制：二相PSK載波調制，載波頻率為1000Hz，解調與之對應；

4)信道：信道模型選取了較為典型的AWGN信道和Rayleigh衰落信道作為仿真信道。AWGN信道即加性高斯白噪聲信道，加性高斯白噪聲是最常見的一種隨機噪聲；Rayleigh信道是一種多徑衰落信道，多徑是指發射和接收天線之間存在多于一條的信號傳播路徑，通常是受天線之間阻攔物體的反射、繞射、散射引起的。

3.3仿真結果

仿真首先驗證了信號在通過AWGN信道時，選取不同擴頻碼下BPSK調制的誤碼率，再驗證了通過Rayleigh衰落信道時，選取不同擴頻碼下BPSK調制的誤碼率。由此比較了DS-BPSK在通過Rayleigh衰落信道和AWGN信道時的性能。仿真結果如圖9所示，x軸為信噪比，y軸為誤比特率。

由結果比較可知，Rayleigh信道對信號傳輸的干擾遠大于AWGN信道。正交Gold序列擴頻碼的抗干擾能力優于m序列擴頻碼。在10-3誤比特率下，正交Gold序列解調門限比m序列低約3dB；在10-5誤比特率下，正交Gold序列解調門限約為10dB。

4 總結

無人直升機數據鏈的抗干擾能力是至關重要的指標，它直接影響了無人直升機的可靠性。本文通過matlab仿真驗證了幾種無人直升機上行數據鏈編碼方式的抗干擾能力，結果表明，采用BPSK調制解調和正交Gold序列的DS擴頻解擴方式，在AWGN信道下，解調門限在10dB時，上行鏈路的誤碼率能夠達到10-5以內，滿足無人直升機鏈路系統的要求。因此可見，通過信道編碼的方式可提高抗干擾能力。

[1] 吳漢平，等，譯.無人直升機系統導論[M].北京:電子工業出版社,2003.

[2] 王 俊,周樹道，等.無人直升機數據鏈關鍵技術與發展趨勢[J].飛航導彈,2011(3):62-65.

[3] 周建軍,岳麗軍.無人機數據鏈發展研究[J].論證與研究,2011(6):12-15.

[4] 管維偉,祝前旺，等.基于信干比方程的無人直升機數據鏈抗干擾分析[J].艦船電子工程,2013,33(1):73-75.

[5] 宋飛飛.無人直升機數據鏈信道編碼方法研究[J].計算機測量與控制,2012,20(6):1602-1605.

EmulationofUnmannedHelicopter’sDataLinkSystemAnti-jammingAbility

WANG Guibao1, LI Yuqiang2

(1.Procurement Center of China Navy Equipment Dapartment，Beijing 100071，China；2.China Helicopter Research and Development Institute，Jingdezhen 333001，China)

Even in non-battlefield environment, Unmanned Helicopter’s data link always suffers jamming such as white noise and multipath effect. A emulational model of unmanned helicopter’s data link on Matlab was built to test the data link’s anti-jamming ability, which contained the basic modules of Unmanned Helicopter’s data link such as encoding and decoding, spread spectrum and despread spectrum, modulation and demodulation. The result of emulation showed that the source encoding and channel encoding could improve anti-jamming ability of Unmanned Helicopter’s data link effectively.

Unmanned Helicopter; data link; anti-jamming; emulation; miscoding rate

2017-10-10

王貴寶(1974-)，男，山東省日照市人，碩士，高級工程師，主要研究方向：裝備采購管理及航空電子。

1673-1220(2017)04-029-05

V243；V351.36

A