基于軟件無線電的數據鏈輪詢協議實踐教學

竇高奇 付天暉 徐丹

［摘 要］ 在海軍工程大學“學科建設提質計劃”背景下，在“數據鏈通信原理與技術”教學中，實現理論與實踐結合，基于LINK-11數據鏈，實現了對信號的編碼、調制、發送和接收。從理論、硬件、軟件等方面論述了在教學中實現Link-11數據鏈通信的方法，克服了以往“數據鏈通信原理與技術”課程重理論、輕實踐的弊端，提高了學生的實踐能力和任職能力，對數據鏈的應用及教學具有特殊意義。

［關鍵詞］ 通信Link-11；數據鏈；通信；教學；實踐

［基金項目］ 2021年度海軍工程大學學科建設理論研究課題“新時代軍隊院校特色學科建設發展研究——以信息與通信工程學科為例”（XK2021002）

［作者簡介］ 竇高奇（1981—），男，山西長治人，博士，海軍工程大學電子工程學院教授，博士生導師，主要從事差錯控制編碼和數字通信信號處理研究；付天暉（1981—），男，黑龍江大慶人，博士，海軍工程大學電子工程學院副教授（通信作者），主要從事數字通信與通信抗干擾技術研究；徐 丹（1982—），女，浙江余姚人，博士，海軍工程大學電子工程學院講師，主要從事數據鏈波形傳輸技術研究。

［中圖分類號］ G642.3［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）20-0098-04［收稿日期］ 2022-05-27

引言

在海軍工程大學數據鏈專業本科生的高年級培育階段，由于綜合應用了硬件、軟件系統，強調專業知識與社會前沿硬件開發技術相結合，理論知識點多，覆蓋學科面廣，學生要熟練掌握應用有較大難度，學習時感覺內容枯燥乏味，實踐無從下手，實踐教學效果不太理想，綜合能力較弱的學生對此課程興趣不大。為了培育學生架構數據鏈通信的能力及對Link-11數據鏈（11號戰術數據鏈）的了解和分析能力，數據鏈專業的學生必須開設一門“數據鏈通信原理與技術”的教學及實踐課程。基于通信系統的數據鏈應用實踐課程的開設，將使數據鏈專業學生的數據鏈應用能力有較大提高。

數據鏈原理與技術涉及通信原理、計算機網絡及數字通信等學科內容及數據鏈組網應用，實踐課程涉及基本原理與典型應用結合的綜合驗證，同時需要學生熟練掌握MATLAB、C語言等軟件編程和硬件平臺操作，對學生動手能力要求高，教師實踐環節設計難度大。我校目前配備的無線電平臺，內部自帶了Ubuntu操作系統，可以連接外部設備對其進行操作，同時可以通過MATLAB生成Link-11數據并進行信號捕獲、頻率估計、幀同步和差分解調譯碼。每個學生使用一臺一體機設備即可完全仿真Link-11數據的發送與接收過程。基于上述硬件設施，我校具備扎實開展數據鏈輪詢協議實踐教學，提高學生專業水平的條件。

Link-11是一種具有保密功能的數據鏈，主要是供艦艇之間、艦岸之間、艦空之間和空岸之間實現戰術數據交換的重要數據鏈，在未來的一段時間里都會發揮重要的作用［1］。因此，經過再三考慮，在“數據鏈通信原理與技術”教學實踐課中引入Link-11數據鏈，讓學生了解其特點、使用方法、應用領域、應用技巧及網絡配置技術等，使學生通過對LINK-11數據鏈通信的了解和使用，了解數據鏈在通信系統中的作用及建立數據鏈系統的技巧等。

一、LINK-11數據鏈的特點與功能

Link-11是20世紀60年代開始研發的一種低速戰術數據鏈并于70年代在美國海軍開始服役［2］。Link-11數據鏈系統組成主要包括計算機、保密設備、數據終端、射頻電臺等。數據鏈系統的射頻電臺有短波電臺（2M～30M）和超短波電臺（225M～400M）兩類，短波電臺采用SSB調制，超短波電臺采用FM調制。Link-11采用網絡通信技術和標準報文格式，工作在HF頻段時，使用SSB或抑制載波AM調制，可覆蓋300海里；工作在UHF頻段時，使用FM調制，提供艦對空150海里，艦對艦25海里。Link-11數據鏈支持空中艦船和水下跟蹤數據、電子戰數據和指揮控制單元之間的有限指揮數據的交換［3］。

Link-11作為地空數據鏈和空空數據鏈廣泛應用于軍事通信領域的指揮作戰體系中，是情報傳輸系統的重要手段和工具。其誕生對北約數據鏈的研發具有相當重要的意義，在已服役的數據鏈中應用范圍廣泛、裝備規模很大［4］。

二、基于Link-11的數據鏈通信教學實驗課

我校實驗室目前已配備了無線電平臺，內部自帶了Ubuntu操作系統，可以連接外設對其進行操作，并可以通過MATLAB生成Link-11數據波形。在教學過程中，學生要熟悉硬件平臺的使用和操作，掌握硬件平臺（包括無線電硬件平臺、顯示器、鍵盤、鼠標與硬盤）的正確連接和開機操作；熟悉軟件界面的使用，了解Link-11數據鏈多站點組網方式，通過軟件無線電平臺模擬的多站點進行組網和點名呼叫實驗，了解Link-11對發送波形的編碼、并行子載波調制方式，了解發送信號的幀結構組成和功能及并行多音體制，了解Link-11接收端的同步捕獲、幀同步、差分解調、譯碼的過程和基本原理，加深對Link-11輪詢協議原理的理解。

（一）教學實驗原理

采用理論與實驗相結合的方式對學生進行教學。首先向學生講解數據鏈通信的原理，然后進行分步實驗教學。學生在實驗前需了解數據發送原理、數據接收原理等主要數據鏈通信原理。

1.數據發送原理。根據數字通信系統模型，需要在發送端對數據進行編碼、調制，并基于此設計編碼、調制教學實驗。為了實現數據的收發同步，所以數據被分為若干幀進行發送。Link-11信號就是將16個子載波搬移到不同頻譜的疊加信號即頻分復用信號。

在Link-11系統中，16個單音頻率為605，2915， 935，1045，1155，1265，1375，1485，1595，1705，1815，

1925，2035，2145，2255，2365，頻率單位為Hz［5］。其中605 Hz用于多普勒頻移校正，2 915 Hz用于同步或傳遞數據信息，其他14個頻率用于傳遞數據信息。

15個數據子載波單音每個攜帶2比特，共攜帶30比特［6］。前導碼中，605 Hz的功率是2 915 Hz的4倍；非前導碼中，605 Hz單音的功率是其他每個單音的4倍，其他單音功率相等；前導碼605 Hz的功率是非前導碼605 Hz功率的4倍。

Link-11幀格式包括前導碼、相位參考幀、控制碼、數據消息等［7］。從相位參考幀開始，每一幀都包含16個單音子載波信號，其中605 Hz依舊用于為接收端校正多普勒頻移。其他15個單音為控制碼的第一幀提供參考相位。從相位參考幀開始，前一幀為后一幀提供參考相位。控制碼分為起始碼、前哨終止碼、控制終止碼和地址碼［8］。終止碼位于數據幀之后，前哨站終止碼固定為全1，控制站終止碼固定為全0。數據消息是發送報文中包含信息的部分，由若干數量的幀組成，每一幀包含24比特，漢明編碼之后30比特的數據，數據消息須緊跟在起始碼之后。

2.數據接收原理。Link-11接收是發送的逆過程，但增加了信號檢測、同步、多普勒頻偏校正模塊［9］。接收端的解調流程中突發信號檢測、同步、多普勒頻移校正是關鍵。

因為數據幀總長為幀長×81，所以以幀長×81為判定條件，當選出的locs大于幀長×81則說明是從整個報文數據的后面開始接收數據的，所以向前取幀長×76的到數據幀；否則向后取幀長×76。得到數據幀之后，對其進行解調解碼操作，即恢復了原信號。

（二）教學實驗過程

學校對參課學生制定明確的實驗要求，具體步驟如下：基于發送端的MATLAB代碼，對要發送的英文文本“hello”，進行ASCII碼變換，之后對其進行編碼和調制，最后進行Hilbert變換，形成最終的發送信號。

學生接收來自發射端的帶有“hello”信息的信號，按步驟進行MATLAB代碼的運行。基于接收端的MATLAB代碼，對接收到的信號進行信號檢測、同步、多普勒頻偏校正等系列操作。通過MATLAB界面觀察每一個步驟的數據輸出，實例化地了解每一個流程的原理。學生的規范操作步驟如下。

1.用MATLAB打開文件夾內的JointTestTx.m文件，對發送端的參數進行賦值。

2.獲取要輸入的英文字符，并對其進行ASCII碼變換，把ASCII碼整合成行矩陣，再將得到的char型數據轉換成num型數據。得到“hello”的ASCII碼矩陣，第一行代表字符“h”，以此類推。

3.將數據轉成行矩陣，每7個比特為一組，分別代表“h”“e”“l”“l”“o”。將數據位擴展到規定長度，滿足數據幀的要求。學生輸入的“hello”轉換成二進制字符串長度為35，則將其余位全部補零。生成編碼調制之后的信號序列tx_signal，其大小為1×88 371。報文數據總大小為88 371=81×1 091，其中有5個導頻，每個分幀大小為1 091。

4.得到經過漢明碼編碼后的數據序列Origin_Bits，大小為69×30。前導碼共有5幀，只含有兩個單音，605 Hz和2 915 Hz，605 Hz不調制，2 915 Hz采用BPSK調制。相位參考幀，共1幀，為控制碼的第一幀提供參考相位，含有16個單音，605 Hz不調制，其他單音分別采用QPSK調制。起始碼固定為（7450604077）8（5467322342）8。

5.得到發送信號tx_signal。

在接收端，首先進行接收端參數賦值，為了能夠成功解調解碼發送端的Link-11信號，接收端的參數配置應該與發送端保持一致。對接收到的信號通過信號檢測、同步、差分解調和譯碼等過程，當終止碼正確解碼時，依據ASCII將數據轉成字符串，結果為message_recv=“hello”，有效地接收到“hello”字符串。綜合上述實驗步驟，學生能夠完整地進行數據鏈輪詢協議實驗中的數據發送過程和數據接收過程。

三、課程總結與展望

（一）課程總結

本文基于Link-11數據鏈，實現了信號波形的發送和接收仿真實驗。在教學中有效地解決了以下問題：（1）利用MATLAB產生獨立同分布隨機信息序列，完成信息比特偶校驗編碼及漢明編碼；完成π/4QPSK調制信號生成；（2）通過查表生成方式完成16路多音并行子載波調制的生成；（3）完成前導碼、相位參考幀、數據消息碼及終止碼的生成過程，完成網控站呼叫報文（IM）、網控站報告報文（IWM）及前哨站應答報文（PRM）波形生成；（4）通過findpeaks后找到準確的前導的位置，實現幀同步；（5）通過π/4DQPSK調制生成符合Link-11協議的碼完成收發認證。

（二）展望

基于發送端的MATLAB代碼，對于要發送的英文文本經過ASCII轉換后進行調制、編碼，最后進行Hilbert變換，形成最終的發送信號。在接收端，對接收到的信號，基于MATLAB代碼，進行一系列操作，恢復為英文文本。在發送和接收過程中，通過MATLAB界面觀察每一個步驟的數據輸出，實例化地了解每一個流程的原理。

課堂教學環節主要采用實驗的教學模式，利用典型Link-11數據鏈，通過理論講授和親身實踐兩種教學模式，突破教學過程中的重點和難點問題，為學生提供系統、完備的理論知識支撐，并使實踐性教學成為既是加深對數據鏈組網原理及波形傳輸理解的實驗環節，又是學生綜合素質、特別是技術創新能力培養的一種重要手段，從而循序漸進地提升學生崗位任職能力。

學生通過軟件修改及完善，激發對數據鏈課程的學習興趣，加深對數據鏈輪詢理論與工作原理的認識，提升實踐教學效果。

實驗教學在鞏固知識和培養能力方面有著特殊的地位。本文以數據鏈輪詢原理實驗教學為研究和實踐載體，分析了實驗教學的重要作用及傳統實驗教學存在的問題。實踐表明，實驗教學可提高學生的參與度，激發學生的學習熱情，體現了以學生為中心的教育理念，還實現了實驗教學效益的顯著提升。實踐中的經驗可為其他課程實驗教學提供借鑒參考。

數據鏈輪詢協議實驗是“數據鏈通信原理與技術”課程的重要實驗內容之一，單一的教學模式無法滿足日益提高的教學要求，本文對數據鏈輪詢實驗的教學模式的探索具有前瞻性，此教學模式能夠充分發揮專業優勢，培養新時代、新工科背景下的工作者，為社會輸送高質量的人才；同時，該模式的建立可供其他高校相關專業課程借鑒。

參考文獻

［1］劉軍軍.Link-11數據鏈系統簡介［J］.科技視界，2013（28）：124+183.

［2］徐文臣.Link-11數據鏈信號分析與實現［D］.西安：西安電子科技大學，2019.

［3］張龍輝.Link-11數據鏈參數估計算法研究［D］.西安：西安電子科技大學，2017.

［4］邢華.一種基于數字重采樣的多載波調制方法［J］.無線電通信技術，2012，38（5）：33-35.

［5］孫浩，劉仲亞.Link11數據鏈信號仿真與監測分析［C］//中國通信學會.2011全國無線及移動通信學術大會論文集.人民郵電出版社，2011：4.

［6］李曉龍，陳建青，劉波.基于漢寧窗的插值FFT算法在11號數據鏈測頻中的應用［J］.艦船電子工程，2018，38（5）：37-40+80.

［7］張龍輝，羅明.基于循環累積量的Link-11載波盲估計［J］.艦船電子對抗，2018，41（1）：79-82.

［8］范玲.Link-11數據鏈信號的識別方法研究［D］.西安：西安電子科技大學，2014.

［9］韓東平，王敏，余國文，等.Link11數據鏈建模與多普勒校正的干擾效果分析［J］.電子信息對抗，2008（6）：41-46.

Practical Teaching of Data Link Polling Protocol Based on Software Radio

DOU Gao-qi， FU Tian-hui， XU Dan

（School of Electronic Engineering， Naval University of Engineering， Wuhan， Hubei 430033， China）

Abstract： Under the background of “Quality Improvement Plan for Discipline construction”， for the “data chain communication principle and technology” course， the hybrid teaching combining theory and practice is carried out. Based on Link-ll， the encoding， modulation， transmission and reception of signals are completed. The method is analyzed from the aspects of the implementation principle of the data chain polling system， software design and hardware demonstration， and the drawbacks of emphasizing theory and light practice in the past teaching are avoided. It improves studentspractical ability and required competency and it is of great significance for the application and teaching of data links.

Key words： communication Link-11; data link; signal communication; teaching; practice