基于SDR的Link11數據鏈系統設計

熊航 廖聰慧 杜鴻

摘要：針對目前Link11數據鏈研究僅對關鍵技術做驗證，而缺少對數據鏈完整工作流程研究的現狀，文章研發(fā)了一套基于SDR的完整Link11數據鏈系統，包括數據鏈的發(fā)送端和接收端。收發(fā)兩端實現之后，測試Link11數據鏈系統誤碼性能。實驗結果表明，系統完整實現了Link11數據鏈通信系統，且在基于距離指標的實驗中，系統在真實信道下的誤碼性能較好。

關鍵詞：Link11數據鏈系統；發(fā)送端；接收端；誤碼性能

中圖分類號：TN919? 文獻標志碼：A

0 引言

Link11戰(zhàn)術數據鏈是一條軍用戰(zhàn)術數據鏈，主要傳輸實時的戰(zhàn)術信息［1］，其傳輸方式以及調制方式都是各電子站對抗單位研究重點。然而由于一套完整的Link11戰(zhàn)術數據鏈系統價格高昂，各電子站系統研發(fā)人員很難獲得，因此研發(fā)一套完整的Link11數據鏈系統具有重要價值。

現存一些文獻利用DSP，FPGA做Link11數據鏈的聯合仿真［2］，或者提出一種融合虛擬機和QualNet的Link11數據鏈半實物仿真架構［3］，或者根據Link11信號的持續(xù)時間和消失時間特性建立特征樣本庫研究一種快速檢測Link11數據鏈信號的方法［4］。但是都只對Link11數據鏈系統關鍵技術進行了驗證和仿真，而缺少真實信道下的研究。

本文在結合SDR的基礎上，做了如下的主要工作：

（1）開發(fā)OOT模塊，實現Link11數據鏈系統發(fā)送端，可通過天線發(fā)出Link11信號。

（2）開發(fā)OOT模塊，實現Link11數據鏈系統接收端，通過天線接收Link11信號并解調。

（3）基于距離指標測試系統誤碼率BER。

1 Link11數據鏈簡介

Link11數據鏈系統結構主要包括信號調制系統、信道、信號接收系統和解調系統等部分［5］，一般使用2250 b/s速率（快速率）傳輸數據［6］。Link11信號幀格式一般包括前導段、相位參考段、起始碼、數據段和終止碼［7］。Link11數據鏈信號幀格式，如圖1所示。

前導段是報文起始的標志，其長度為5段，段周期為13.33 ms［8］；相位參考段由16個單音頻點組成，其長度為1段，段周期為13.33 ms；起始碼固定內容為8進制數7450604077和5467322342；數據段長度由發(fā)送消息具體確定，段周期同樣為13.33 ms；終止碼內容為8進制數7777777777或0000000000［9］。

2 Link11發(fā)送端

為了利用Gnuradio平臺測試Link11數據鏈通信實驗，開發(fā)相關OOT（Out of Tree）模塊Link11 Sender C，數據鏈發(fā)送端流程如圖2所示。Link11 Sender C模塊輸出的復信號進入UHD：USRP Sink模塊、Sink模塊結合SDR設備B210工作，未使用射頻功放，通過天線將信號發(fā)送到空中信道。

Link11 Sender C模塊復信號產生流程如下。

（1）設置UDP協議端口號Updport=8 010，通過UDP接收控制終端消息幀，同時將消息幀轉換為位流。

（2）Link11幀生成。5個前導段：前導段僅由605 Hz和2 915 Hz兩個頻率組成，其中605 Hz用于校正多普勒頻移，2 915 Hz用來同步接收端和發(fā)送端的信號，在結尾處會有180度的相位跳變［10］。前導段內第k個采樣點的波形產生流程為：

s（k）=∑5Nk=03sin（0+2πf0kT）+0.75sin（n-1+2πfn-1kT）（1）

其中N為每個符號的采樣點數，f0=605 Hz，fn-1=2 915 Hz，T為采樣周期。

1個相位參考段：Link11數據鏈所使用16個單音頻點包括605 Hz，2 915 Hz和935～2 365 Hz的14個頻率（相鄰頻率相差110 Hz）。相位參考段生成過程中，除605 Hz外，其余15個頻點提供參考相位用作后續(xù)數據段進行QPSK調制的初始相位［11］。

N個數據段：每段數據段都由16個單音頻點組成，其中605 Hz不攜載任何信息，只負責校正多普勒頻移的影響，其他15個單音頻點通過相位改變攜載信息，每個單音頻點攜帶2 bit信息［12］。由于使用的相位調制方式為QPSK，因此共有4種相位［225°，315°，135°，45°］，對應二進制位［00，10，01，11］。數據段段內第k個采樣點的波形產生流程為：

s（k）=∑Nk=02sin［0+2πf0（k+N0）T］+0.25sin［n-1+2πfn-1（k+N0）T］+s′（k）（2）

其中，s′（k）通過式（3）產生：

s′（k）=∑15q=00.25sin［q+2πfq（k+N1）T］（3）

其中，N0=5N，N1=0，N為每個符號的采樣點數，fq為16個單音頻點的頻率，T為采樣周期。完成各段波形生成之后，按幀格式組成Link11幀。

（3）對Link11幀執(zhí)行FM調制，輸出復信號。

3 Link11接收端

Link11數據鏈系統接收端如圖3所示，UHD：USRP Source模塊結合SDR設備B210工作，通過天線接收空中信道的Link11信號；Quadrature Demod模塊對收到的Link11信號執(zhí)行正交解調；解調后的信號輸入Low Pass Filter模塊執(zhí)行低通濾波，截止頻率為6 kHz；最后將低通濾波后的信號輸入Link11 Receiver D模塊執(zhí)行信號解調。

開發(fā)相關OOT模塊Link11 Receiver D執(zhí)行信號解調，解調流程如下：

（1）根據多普勒單音頻點605 Hz頻率特性檢測前導段。

（2）由于2 915 Hz用來同步接收端和發(fā)送端的信號［13］，因此檢測到一個前導段之后，根據2 915 Hz頻率特性檢測段同步點［14］，即段起始點。

（3）完成前導段和同步點檢測之后，生成16個單音的標準參考載波，計算參考載波與當前信號段載波的相位差，根據相位差輸出二進制位。4種相位［225°，315°，135°，45°］對應二進制位［00，10，01，11］。

（4）根據產生的二進制位流進行文本符號解析，解析出的消息通過UDP發(fā)送到控制終端［15］。

為驗證Link11數據鏈系統發(fā)送端以及接收端算法的可靠性，對系統進行多次通信實驗。誤碼率BER是衡量系統在規(guī)定時間內數據傳輸精確性的指標。因此在通信系統中，一般用BER評價接收端信號質量。在實驗過程中，發(fā)送端發(fā)送固定消息，調整收發(fā)兩端天線的距離0～50 m，步進5 m，每個點位接收端通信時間設為30 s。對比收發(fā)兩端的信息得到誤碼率BER。

如圖4所示為Link1數據系統的整體性能距離BER曲線，當收發(fā)兩端天線距離增加時，系統的誤碼率上升；但在此距離范圍內，系統的誤碼率總體小于1.7e-3，完全滿足Link11數據鏈系統的指標要求，這也間接驗證了發(fā)送端和接收端算法的可靠性。

4 結語

本文研發(fā)了一套基于SDR的完整Link11數據鏈系統，包括數據鏈的發(fā)送端和接收端。發(fā)送端通過UDP讀取控制終端消息，然后再執(zhí)行QPSK調制和FM調制，最后通過天線發(fā)出；接收端通過天線接收信號，再執(zhí)行正交解調、低通濾波、前導段檢測、同步點檢測以及相位差計算和文本符號解析，最后通過UDP發(fā)送消息到控制終端。同時，對比收發(fā)端的消息，測量出系統的BER。實驗結果表明，本文方案完整實現了基于SDR的Link11數據鏈系統，其性能指標也滿足要求。

由于系統實現方案比較簡潔，因此可移植性較高。同時僅需要兩塊B210射頻板就能完成短距離信號的收發(fā)，因此實現成本低?？蓱糜诟麟娮討?zhàn)對抗單位的實驗，同時也可進一步研究應用于民用通信系統。

參考文獻

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（編輯 沈 強）

Design of Link11 data link system based on SDR

Xiong? Hang， Liao? Conghui， Du? Hong

（Chengdu University of Information Technology， Chengdu 610225， China）

Abstract： In view of the fact that the current Link11 datalink research only verifies key technologies and lacks the status quo of the complete workflow of the datalink， this paper develops a complete Link11 datalink system based on SDR， including the sending and receiving ends of the datalink. After the implementation of both ends of the transceiver， the error performance of the Link11 data link system is tested. Experimental results show that the Link11 data link communication system is fully implemented in this system， and in the experiment based on the distance index， the system has better error performance under the real channel.

Key words： Link11 data link system; sender; receiving end; bit error performance