小型化低成本单向弹载数据链设计*

杨道锟,卢艳玲,王振领,贾 硕,赵 娟,陈军科,谢舒吉

(西安现代控制技术研究所, 西安 710065)

0 引言

数据链作为智能化弹药通信的关键技术,能够在低延时的情况下将弹药的状态信息下传至地面指挥控制系统，也可以将地面指挥控制系统的实时指令上传至弹药信息系统中。单兵式弹药不同于飞行器、导弹等武器系统,其构成简单、结构紧凑、重量轻、体积小、使用方便、成本低廉等特点，限制了以往数据链系统的应用。因此需要设计一种可满足小型化、低成本、使用简单的数据链产品。

文中基于以上原因进行单兵小型化、低成本数据链软硬件设计。该数据链系统采用单片机+FPGA+AD9361(宽带收发器)架构设计,是一种集成度高、扩展性好、低功耗、小体积的单向数据链系统。

1 方案选择

单兵式武器系统一般射程较近,作战任务简单,操作指令简单,且系统的体积和重量受到作战方式严格的限制,需要采用集成度高、功耗低、成本低的单向数据链方案。

单兵式数据链弹载端的体积、功耗限制最大,因此考虑接收机方案在低成本、低功耗和集成度3个方面的优劣势从而完成总体数据链设计。最常用的数据链接收机方案为超外差接收机、零中频接收机和近中频接收机。超外差接收机有很大的接收动态范围和接收灵敏度,可抑制很强的干扰,但是超外差接收机的混频电路较多,相对于其他两种接收机方案复杂而且集成度低,并且超外差接收机还会用到很多离散滤波器,这些滤波器一般较为昂贵,体积较大。零中频接收机则是目前集成度最高、体积最小、成本低的接收机方案。由于其不需要镜像频率抑制滤波器,功耗、体积均可以做到很小,但是零中频接收机在信道选择性上(如动态范围、良好线性度)实现困难。低中频或近零中频接收机则是将射频信号下变频至接近直流的低频信号,避免了直流分量对信号的影响,具有集成度高、体积小的特点,但是其与超外差接收机一样,也需要考虑镜像频率抑制的问题,其成本和体积相对于零中频接收机较高。3种接收机方案的对比如表1所示。

因此零中频接收机方案更符合单兵式武器系统,在满足高集成度、低成本、低功耗的要求下,数据链方案应尽可能提高数据链系统指标性能,减少零中频接收机容易受到干扰的缺点。

表1 3种接收机方案对比

2 系统设计

根据零中频接收机方案,小型化低成本单向数据链由地面发射机和弹载接收机两部分组成,其中地面发射机负责将数据信息编码、调制、成帧后通过射频模块发射出去,弹载接收机通过接收天线将地面的射频信号解调、解码出来,并将解码数据送给目标部件。如图1所示,弹载接收机由接收天线、接收射频前端、接收基带组件组成,地面发射机由发射天线、射频功率放大、发射基带组件组成。

图1 单向数据链系统组成

为了满足数据链低成本要求,采用通用基带设计方式,地面发射机基带和弹载接收机基带硬件电路一致,从而减少设计费用及硬件加工成本。另外通过零中频结构,采用FPGA+AD9361的设计,直接将基带信号搬到所需载波频点上,得到高集成度的数据链产品。

3 数据链框架设计

3.1 硬件框架设计

通过图1中地面发射机的功能,按照地面系统接口为CAN总线设计,如图2所示，地面发射机由CAN接口转换、单片机、FPGA、AD9361、电源管理、功率放大器、滤波器、耦合检波器组成。其中CAN接口负责完成对外部数据指令的物理层连接。

鉴于在实际使用中AD9361的配置使用情况较为复杂,使用FPGA对其配置容易出错,且配置更改繁杂,因此加入单片机完成对FPGA和AD9361的初始化配置,使用C语言编程的便利和配置简单的特点,完成对数据链系统状态监控和接口通信控制。

图2 地面发射机组成框图

另外射频模块的大小往往决定了数据链实际体积的大小,因此在图2中功率放大部分,仅对射频信号一次放大,减少数据链功耗,减少设备使用空间。在此为了使地面发射机最终输出大于15 dBm的功率值,设计时选用P-1为20 dBm的放大器,并使后级滤波器和耦合器的损耗控制在1.5 dB,从而使得地面发射机输出功率余量为3.5 dB。

弹载接收机与地面发射机结构基本一致,根据弹载通信接口一般为串口的情况,弹载接收机主要由串口转换、FPGA、AD9361、单片机、电源管理、低噪声放大器、滤波器等组成,如图3所示。

图3 弹载接收机组成框图

考虑到弹载接收机体积有限,可利用空间更小,在如图4所示的弹载接收前端采用自制LC滤波器,在实现带宽为500 MHz情况下,保证滤波器小体积。另外低噪放采用TQP3M9037,该器件具备良好的噪声系数,最小可达到0.45 dB,增益可达到18 dB,完全满足接收机接收通道的使用要求。

图4 弹载接收机发送前端原理图

3.2 电源管理设计

由于数据链系统信号频率较高,对电源稳定性和噪声要求较高,因此需要着重对数据链系统的电源系统进行规划。在小体积单向数据链的要求下,利用开关电源功耗低、转换效率高、体积重量小的特点和LDO(低压差线性稳压器)功耗低、成本低的特点,数据链电源模块采用开关电源+LDO设计。按照电路核心芯片和外围芯片供电电压,设计电源模块的电流走向如图5所示。

图5 电源模块电流走向图

另外数据链的基带电路和射频电路对电源稳定性要求较高,因此在电源前端首先使用如图6所示的EMI滤波器,减少电缆网上的电磁干扰和浪涌电流,有效滤除输入电源的共模和差模噪声。

图6 EMI滤波原理图

图7 开关电源原理图

之后按照如图7所示DC/DC+LDO的形式,将输入电压转换为芯片所需电压。DC/DC选用动态范围大、切换频率可调的LT3480。LDO采用两级转换,得到低噪声低压降电源:第一级采用linear公司的低噪声、低压降线性稳压器,满足射频部件、FPGA、单片机的敏感电流特性,第二级采用大电流降压转换器,使用小尺寸和高效率电压转换器,简化设计和外部器件空间,获得所需电压值及小空间要求。

4 基带电路设计

4.1 基带电路硬件设计

按照以上数据链系统方案设计,地面发射机基带电路和弹载接收机基带电路均以单片机+FPGA+AD9361为核心,多种外设辅助的一体式设计方法,满足低成本、通用性、配置简单、易于扩展的要求。 其硬件原理图及信息流如图8所示。

图8 基带电路硬件原理框图

4.2 软件流程设计

针对地面发射机与弹载接收机基带设计一致,其软件流程均由主控部分和数字信号处理部分组成。地面发射机主控软件流程图和信号处理流程图分别如图9、图10所示。其中主控部分主要负责接口数据的接收与发送、AD9361的初始化配置和控制、系统自检过程控制与自检结果判断、实时系统状态监控等功能;数字信号处理部分主要负责信号的有效性判断、编解码、调制解调、扩频、组帧等功能。

5 试验结果

根据以上设计方案,单向数据链系统实际尺寸仅为手掌大小,并对其进行了实验室性能测试和室外拉距测试。在实验室静态测试中,将地面发射机和弹载接收机分别放在相距20 m的两间屋子内,通过固定衰减器和可调衰减器,测试了数据链系统的极限性能指标。室外拉距试验中,将地面发射机和弹载接收机相距2 km,测试实际环境下产品的抗干扰和纠错能力。

如表2所示,单向数据链系统的各项指标满足要求,并具有10 dB以上的系统裕量。

图9 地面发射机主控部分软件流程图

图10 地面发射机数字信号处理软件流程图

表2 试验结果

6 结束语

研究并设计了低成本、小体积的单向数据链系统。系统选用小型化、低功耗硬件芯片,采用通用基带硬件的发射机与接收机,确保了系统集成化、通用化和低成本,并提高了系统在实际产品中的实用性、稳定性和可扩展性。试验证明,该系统可在2 km范围内实现可靠的单向指令传输,并具有较高的系统裕量。