無人機測控與高速數據傳輸系統

王利平

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

隨著軍事裝備以及航空技術的發展，作為一種遠程可操控的航空器，無人機(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)具有體積小、質量輕、使用便捷等特性，在民用和軍用方面都發揮著越來越重要的作用。

無人機測控系統一般包括地面控制站和無人機機載平臺，二者間一般通過無人機數據鏈實現實時、可靠和穩定通信。無人機數據鏈能夠將地面遙控指令傳遞給無人機平臺，將無人機平臺狀態信息和偵察數據傳回地面，同時可實現無人機機群內部間的高效戰術協同[1-3]。

地空高速數據傳輸為無人機寬帶數據鏈下行鏈路的主要任務，其承載業務數據主要包含合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar，SAR)圖像、雷達數據、視頻等，隨著無人機平臺搭載傳感器種類和數量的不斷增多[4]，海量偵察信息需要及時傳回地面進行處理。

美軍先進數據鏈(Advanced Common Data Link，A-CDL)承擔地空之間的寬帶情報偵察數據傳輸，地空數據傳輸速率最高為274 Mbit/s[5]，A-CDL采用偏移四相相移鍵控(Offset-QPSK，OQPSK)調制體制、級聯碼，工作于X波段、Ku波段，主要裝備平臺有U-2、F-16、RC-135、E-8、E-10、E-3等。

傳統無人機測控系統一般采用定制化軟硬件架構，其擴展性、通用化差，難以滿足無人機產業的快速發展。同時由于帶寬資源有限，傳輸速率難以滿足聯合作戰的軍事需求。

無人機測控系統需要不斷提高寬帶傳輸能力，以滿足日益增長的數據傳輸需求[6]。此外，由于無人機作用距離遠且飛行高度有限，無人機地面接收天線一般工作于低仰角甚至是負仰角條件下。由于地面反射，將產生多徑效應，不僅導致嚴重的頻率選擇性衰落，產生符號間干擾，且高速傳輸符號間干擾更嚴重，而且會影響天線跟蹤精度，甚至跟蹤失敗，導致系統不能正常工作[7-9]。本文針對無人機地空低仰角傳輸典型特征，突破高速調制解調、高速信道均衡、軟件無線電、集成化設計等關鍵技術，設計實現一種基于分布式軟件無線電[10-11]架構的全雙工無人機測控與高速數據傳輸系統。該系統工作于微波頻段，采用模塊化、標準化設計，具有良好的擴展性和可維修性。系統通過靜態無線試驗和飛行試驗，達到了地空800 Mbit/s高速數據傳輸，超越了美軍全球鷹無人機下行數據傳輸速率。

1 系統組成與工作原理

無人機測控與高速數據傳輸系統的系統組成與工作原理如圖1所示，主要包括機載鏈路設備和地面鏈路設備。其中，機載鏈路設備包括機載綜合處理端機、機載天線接口單元、機載定向天線和高清攝像頭；地面鏈路設備包括車載綜合處理端機、車載天線接口單元、車載定向天線和監控計算機。

圖1 系統組成與工作原理示意圖

無人機測控與高速數據傳輸系統采用頻分多址(Frequency Division Multiple Address，FDMA)接入體制，包含上下行兩條鏈路。

① 上行鏈路。操作員通過監控計算機產生鏈路控制指令并發送給車載綜合處理端機；車載綜合處理端機對控制指令進行解析、分發、組幀、編碼調制并發送給車載天線接口單元；車載天線接口完成接收信號的上變頻、功率放大并通過車載定向天線進行無線發射；機載定向天線接收上行無線信號并發送給機載天線接口單元；機載天線接口單元完成接收信號的低噪聲放大(Low Noise Amplifier，LNA)、濾波等處理后將信號發送給機載綜合處理端機；機載綜合處理端機完成接收信號的下變頻、濾波、采樣、解調譯碼、指令解析分發。

② 下行鏈路。機載綜合處理端機接收高清攝像頭采集的視頻圖像信息并完成圖像編碼、組幀、數字編碼調制、上變頻等處理，之后將其發送給機載天線接口單元；機載天線接口單元完成接收信號的功率放大并通過機載定向天線無線發射；車載定向天線接收下行無線信號并發送給車載天線接口單元；車載天線接口單元完成接收信號的LNA、濾波、下變頻等處理后將信號發送給車載綜合處理端機；車載綜合處理端機完成接收信號的采樣、解調譯碼、復分接并將圖像信息發送給監控計算機；監控計算機接收圖像信息并行進行解碼顯示。

2 關鍵硬件設計實現方案

2.1 機載綜合處理端機

針對無人機偵察、探測、通信、中繼、目標識別定位等任務需求，設計實現了一套基于3U VPX架構的機載綜合處理端機，如圖2所示。綜合處理端機按照模塊化、VITA標準化進行設計，符合軟件無線電硬件架構要求，主要包含上變頻模塊、下變頻模塊、調制解調模塊、數據處理模塊、圖像處理模塊、交換模塊和電源模塊，如圖3所示，通過硬件模塊重組可以構建滿足不同任務需求的無人機機載端機。

圖2 機載綜合處理端機

圖3 3U VPX 標準模塊

2.2 高速調制解調器

基于軟件無線電思想，本文設計實現了一種基于數字化中頻的高速調制解調器[12]。數字化中頻是指在基帶采用數字信號處理方法實現信號上下變頻，相比于傳統的零中頻正交調制解調器，具有以下優點[13]：① 降低模擬電路對寬帶信號的性能影響；② I、Q支路具有理想的平衡特性；③ 有效避免了直流偏置、本振泄露；④ 基帶信號處理全數字化，利用軟件升級改進。硬件原理框圖如圖4所示。FPGA1作為主處理器控制ADC/DAC，實現模數、數模轉換功能；FPGA2作為輔助處理芯片，處理背板I2C和CAN等管理總線，讀取板載電壓、電流、溫度等傳感器信息并實現對FPGA1的程序加載功能。

圖4 硬件原理框圖

經實測，對于800 Mbit/s的寬帶信號，所設計的高速調制解調器輸出EVM優于7%，ADC SFDR指標優于55 dBFS。

3 關鍵軟件設計實現方案

3.1 定時同步嵌入式軟件

在寬帶數據傳輸中，收發參考時鐘的差別或漂移將嚴重影響系統性能，甚至導致系統不能正常工作，所以必須對解調器輸出進行同步抽樣即符號同步或定時同步[14]。

受限于FPGA的處理能力，傳統的串行定時同步方案無法實現800 Mbit/s信號的定時同步，因此本文提出一種8路并行開環定時同步嵌入式軟件實現方案，如圖5所示。其由數據緩沖單元、定時誤差估計單元和并行內插3個功能模塊組成。相比于傳統開環定時同步方案[15]，本方案收斂速度快，利于高速并行實現。

圖5 開環定時同步實現框圖

其中，定時誤差估計采用由Oerder.M和Meyr.H提出的O&M算法[16]，它是一種數字濾波平方算法。相比于經典Gardner算法[17-18]，O&M算法是一種無偏估計，并且至少需要4倍采樣。O&M算法描述如下。

假設匹配濾波后的基帶信號為rk，表示為

rk=Ik+jQk

(1)

式中：Ik，Qk為基帶信號的實部虛部。

對rk取包絡平方得到：

(2)

對xk按每L個符號周期進行一次DFT運算，本文中N=4，L=1024。由此可得到第m段數據頻譜上的符號速率譜分量Xm為

(3)

(4)

那么插值輸出位置mk和插值相對位置μk可由以下方法得到：

(5)

(6)

8路并行定時誤差估計軟件實現框圖如圖6所示。8路并行數據首先依次取絕對值的平方；其次按圖示規則相加得到Xm的實部和虛部；最后通過反正切函數求Xm的相角即定時誤差估計值。

圖6 8路并行定時誤差估計實現框圖

并行內插主要實現定時誤差校正，插值算法采用工程實現簡單的線性插值方法，研究表明，當誤碼率為10-6時，線性內插器性能要劣于復雜的拉格朗日內插器0.05 dB[19]，但硬件實現復雜度、硬件資源消耗卻大大降低。

線性內插計算方法如下：

r=(1-μk)r0+μkr1

(7)

式中：r為插值后信號；r0為前一時刻接收信號；r1為當前時刻接收信號。

3.2 信道均衡嵌入式軟件

800 Mbit/s地空高速數傳系統由于其信號帶寬遠大于信道帶寬，數據傳輸過程中將面臨嚴重的頻率選擇性衰落[20]，產生嚴重的符號間干擾，導致系統崩潰。因此必須采用信道均衡技術[21]以消除碼間干擾，信道均衡軟件使接收端的均衡器產生與傳播信道特性相反的沖擊響應，以減少或消除信道多徑傳播特性引起的碼間干擾[22]。

為了提高運算速度，降低FPGA使用資源并保證均衡性能，本文采用一種時頻域相結合的信道均衡方法，該方法的核心思想是在頻域完成信道估計，在時域完成信道均衡，相比于傳統的單載波頻域均衡方案，可以減少2個1024點的快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，FFT)和快速傅里葉逆變換(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)運算，并且可以靈活調整并行度，適合高速實現。4路并行信道均衡軟件實現原理框圖如圖7所示，首先，提取獨特字(UW序列)并進行平均濾波；然后對濾波后的結果進行FFT運算，并與已知的UW序列的FFT運算結果進行相除的運算，得到頻域的信道響應并計算基于最小二乘(Least Squares，LS)的頻域均衡系數；最后將頻域均衡系數通過IFFT變換到時域并與接收數據做卷積運算以完成信道均衡處理。

圖7 4路并行信道均衡軟件實現原理框圖

4 試驗驗證

為了充分驗證系統方案的可行性，本文開展了無線靜態試驗和飛行試驗。

在無線靜態試驗中，將機載設備安置于實驗室三樓窗口處，地面測控車停放于距機載設備百米處，構建典型低仰角通信環境。設備開機后，調節機載設備發射功率，通過功率折算，使地面設備接收信號電平達到設計要求(作用距離處接收信號電平)，觀測接收圖像質量。無線靜態試驗結果如圖8所示，其中圖8(a)為接收信號頻譜；圖8(b)為接收室內視頻圖像截圖。在靜態嚴重無線多徑信道下，本系統在所要求作用距離下，可以實現視頻圖像的高清無誤碼接收。

圖8 無線靜態試驗結果

在無線飛行試驗中，將機載設備安置于飛機艙內，地面測控車停放于飛機起飛跑道百米處，構建典型無人機飛行環境，設備開機后，觀測接收圖像質量。無線飛行試驗結果如圖9所示，其中圖9(a)為試驗飛機，腹部凸起部分為機載定向天線；圖9(b)為接收機艙視頻圖像截圖。可以看到，在典型飛行環境下，本系統可以實現視頻圖像的高清無誤碼接收。

圖9 無線飛行試驗結果

5 結束語

為滿足無人機測控系統高速數據傳輸需求，本文基于軟件無線電思想，突破模塊化集成設計，高速并行采樣、高速并行信號處理等工程實現關鍵技術，設計實現一套無人機測控與高速數據傳輸系統。該系統通過了無線靜態試驗、無線飛行試驗驗證，實現了1080P高清圖像的無誤碼無損傳輸。