一种具有高抗干扰能力高速数据链的设计与实现

荣 刚 张声艳 冯忠伟 陈玉坤

（中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京 100076）

一种具有高抗干扰能力高速数据链的设计与实现

荣 刚 张声艳 冯忠伟 陈玉坤

（中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京 100076）

简要介绍了数据链的基本概念和国内外发展状况，根据实际作战模式需求给出总体设计方案。详细给出了系统构架及设备组成，采用模块化设计方案，实现设备的通用化、小型化和轻质化。着重提出基于群聚（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术方案，以解决低仰角抗多径高速数据传输应用需求。实验结果表明总体方案可行，可以在后续武器型号中投入使用。

数据链 飞行器设计 收发器

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

数据链是当今世界信息技术领域的核心技术之一，一直是各国无线电子系统发展的重要环节。随着高速飞行器的快速发展，对系统信息化的需求越来越强烈，急需在飞行器上装载小型高速数据链设备。通过开展基于群聚OFDM的超宽带高速高效自动编码调制技术、形成有效的低仰角抗多径高速传输解决方案。通过真实低仰角长距离飞行考核方式，验证数据链关键技术有效性及原理样机传输性能，实现长距离、低仰角下800Mb/s高速数据的可靠传输。形成可直接用于工程实现的飞行器抗多径高速传输技术方案，并在无人机或者小型飞行器等武器平台上推广。

2 国内外发展趋势

将数据链按照其用途进行分类，可以分为通用数据链和专用数据链，通用数据链又包括战术数据链和宽带数据链。其中，用于多军兵种间以及多平台间交换不同类型的信息，为满足多样化任务需求而研制的数据链一般称为通用数据链（Common Data Link，CDL）。

2.1 国外发展情况

国外中、高空长航时飞行器都会同时配备视距和超视距卫通数据链，CDL和TCDL数据链是视距数据链的主要选择，卫通数据链则是作战时的远程数据传输的主要链路。战术类飞行器现阶段多采用定制视距数据链，类型多样。中高空飞行器为了确保系统的可靠性，其配备的数据链系统一般都会采用冗余配置，有的甚至是三重冗余配置，冗余链路一般还会支持一些特殊需求如空中交通管理话音、兼容Link16数据链、支持一站多机控制或一机多站控制等。外军典型数据链包括：

1）数字数据链（Digtal Data Link，DDL）

DDL是AeroVironment公司为美陆军的“乌鸦”飞行器开发的一种基于IP的数字数据链，也是一种比较典型的适用战术飞行器的数据链，它能为小型飞行器的指挥与控制提供低功率的宽带数字网络，最大限度地提高频谱利用效率。DDL终端有两种形式：定制模块和独立收发信机。

2）战术通用数据链（Tactics Common Data Link，TCDL）

TCDL是美军专门针对飞行器的列装需求、基于标准型CDL数据链发展出来的一种全双工、抗干扰战术宽带数据链。为了降低终端尺寸、重量和功耗，它只能工作在Ku频段，作用距离（斜距）最大可达200km，其上行链路数据率为200kb/s，而下行链路数据率为10.71Mb/s和45Mb/s。由于TCDL是衍生自CDL，因而两者可以无缝地互操作，从而避免了在该领域出现“烟囱”系统，这也促使TCDL系统在飞行器上广泛应用。

2.2 国内发展情况

目前国内的数据链设备的研制基本按照型号需求进行定制，各平台、各系统间兼容性差，迫切需求一种能够良好兼容各类型数据链的数据链系统。国内对数据链设备的设计主要针对不同应用，通过分立元件或直接数字频率合成（DDS）的方法进行针对性的设计。此种利用分立元件搭建的数据链系统虽然元器件国产化率高，但体积和重量都偏大，灵活性欠佳；利用DDS技术实现的数据链系统虽然具有较大的灵活性，但集成度仍然不足。两种方法在适应多种数据链波形的能力方面都显不足。

3 数据链模式

3.1 飞行器中继应用模式

单弹中继应用模式与靶场测控数据链应用相似，示意图如图1所示。

军舰数据链测控站能够同时控制8发弹，中继装置天线指向这8发弹。地面站通过飞行器中继和8发弹组成通信网络，各弹之间不能进行任务协同通信，只能通过中继装置进行作战目标指示及修订等。

3.2 多弹组网中继应用模式

多弹组网中继应用模式示意图如图2所示。

军舰数据链测控站能够同时控制8发弹，高空巡航段可对所有导弹进行直接通信，在导弹进入目标区域时，其中有一枚或几枚导弹保持高空巡航做为中继弹，其它导弹转入低空进行组网巡航，母舰通过中继弹控制导弹进行组网协同攻击。其中这8发导弹的功能及能力相同，互相均可通信，均可做为中继节点，并可在任意导弹失去联系时进行智能组网，根据预置策略实施协同攻击。

4 总体方案

4.1 方案设计

在系统设计中为克服多径干扰带来的码间干扰难题，综合考虑应用模式与技术需求，根据飞行高度、速度、飞行距离、接收天线波束宽度以及误码率指标，进行总体方案设计。为实现高速数据传输，发射端拟采用群聚OFDM+天线分集方式实现，结合预估和实测的多径衰落信道动态特性对接收机的AGC动态指标进行详细设计，对于码间干扰严重的多径衰落，在接收端采用自适应频域均衡方法。

高速数据链系统构成如图3所示。弹体由数据链终端、射频前端、两副天线等组成，数据链终端是弹体的核心设备，完成高速数据调制及抗多径传输算法，射频前端完成终端输出的两路信号线性功率放大，两副天线实现对不同方向输出信号的空间分集输出。弹上数据传输系统供电由弹载配电器提供，同时弹体提供惯导数据。

子弹接收系统由天馈、高速数据接收机组成。接收天线采用双天线分集接收形式，接收数据送高速数据接收机进行时空译码处理，提高抗多径能力。高速数据接收机为子弹系统核心设备，完成高速数据解调及抗多径传输算法。

子弹接收信号经AD变换的输入信号经过自动增益控制环路得到电平稳定的基带数据，然后经载波同步环路下变频到准确频点的基带数据，同时完成帧同步与定时同步，至此完成同步过程，随后进行信道估计和均衡，得到帧体数据，最后完成一系列解码得到最终数据，实现协调作战的目标。

4.2 系统设计

4.2.1 数据链终端设计

考虑到不同型号飞行器数据链只是应用背景不同，产品的系统框架、模块组件、关键技术等均无明显差异，可共用产品平台，统一考虑。终端采用基于内总线的屉式结构，采用模块化设计，便于系统的裁剪和扩展。终端组成如图4所示，由基带单元、信道处理单元和电源单元构成，各单元板卡硬件采用通用设计，支持后续不同数据链需求的功能设计升级。

4.2.2 接收机设计

数据链接收端采用基于PXI总线的模块化板卡结构，包含Ku下变频板卡、高速信号采集板卡、中频信号处理板卡、高速信号处理模块、万兆以太网模块组成，各板卡集成到标准PXIe的工业级机箱内，如图5所示。

4.3 技术途径

4.3.1 低仰角抗多径高速数据传输技术实现途径群聚OFDM技术中每一群路信号都是OFDM信号，多路群信号合到一起形成总的群聚OFDM信号，每一群路的信号可以通过不同的频率或者不同的码字来识别。群聚OFDM相比传统的OFDM有以下优点：

1）在带宽内根据QoS和信道质量自适应分配不同的群，以支持不同的数据速率；

2）群聚技术可以实现分集发射和抗多经衰落；

3）峰均比（PAR）降低10log10（L），其中L为群聚的个数。

高速数据通过串并转换为2路并行的群，数据速率下降为输入数据的1/2。每一个群的数据同时进行编码，星座映射和OFDM调制后分别上变频到2个连续的子频带以完成中频合成，输出的中频信号即可调制到射频发射。发射部分的原理框图如图6所示。接收部分的原理框图如图7所示。

4.3.2 低功耗小型化通用终端实现途径

终端收发信机的组成如图8所示，由基带单元、射频单元和电源单元构成。机载收发信机中，电源单元负责为整个平台提供电源，将18～36V一次电源转换为5V，射频处理单元负责上变频功能，基带处理单元完成800MB/s数据编码调制等信号处理。终端的设计采用模块化设计，便于系统的裁剪和扩展。

收发信机信号处理流程如下图9。基带单元包括DAC和模拟正交调制，输出射频数传信号。基带处理单元主要由超大规模可编程门阵FPGA、ARM，DDR存储器，Flash存储芯片，集成收发器，接口芯片等组成。采用FPGA为基带信号处理器，ARM为主控制器。

4.4 试验验证

经过飞行演示验证考核，接收机收到的无线信号通过软件检测如图10所示，可见链路锁定情况正常、数据接收正常，数据误码率满足系统要求。

5 结束语

文中给出数据链在实际工程中的设计方案，提出的低仰角抗多径高速数据传输技术，可应用于卫星高速数传、高速飞行器信息传输、侦查平台高速数传、无人机侦查数据链传输等领域，提高信息传输效率，极大提升战场信息快速获取能力。

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[3]徐丹.航空数据链建设与展望[J].舰船电子工程，2006.

[4]朱灿等.航空数据链建设与展望[J].仪器仪表用户，2007.

[5]傅峰.一种低空数据链建设方案[J].空军工程大学，2002.

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

荣刚（1982.03-），男，工程师，硕士，主要研究方向：计量测试技术与仪器研发。

1000-7202（2017）03-0051-04