基于COFDM技术的模拟机载遥测设备设计∗

（海军91351部队 兴城 125109）

1 引言

某型机遥测数据采集记录与传输系统采用基于COFDM的无线网络传输技术，完成数据上下链路的传输，实现空地网络一体化测量。该系统由机载遥测设备和地面接收设备组成，主要完成机载数据的采集、记录与传输，以满足飞行讲评及实时安全监控的需要［1］。机载遥测设备安装于飞机上，用于飞行参数、视频等数据的采集、存储、发送；地面接收设备用于实时获取飞机的飞行参数及视频，完成飞行安全监控及飞行讲评工作。同时，机载遥测设备还能接收地面接收设备上传的控制指令。

目前开展地面接收设备的检测、调试及排故等工作，需要协调地勤人员、测试工程师等相关人员，开启飞机上的机载遥测测试设备才能实施，因此需要投入大量的人力、物力和财力。为解决这些问题，设计一种模拟机载遥测设备，以替代机载遥测设备，就可以方便开展地面接收设备工作状态检测、设备调试、故障排除、人员训练等工作，这样既避免因动用飞机造成大量人力、物力的浪费，同时也大大提高了工作效率。

2 COFDM调制技术

模拟机载遥测设备采用编码正交频分复用（COFDM）技术，以完成数据的编码与调制。COFDM（Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是编码正交频分复用的简称，是一种多载波调制技术，其基本原理就是将高速数据流通过串并转换，分配到传输速率较低的若干子信道中进行传输。编码（C）是指信道编码采用编码率可变的卷积编码方式，以适应不同重要数据的保护要求；正交频分［2］（OFD）指使用大量的载波，它们有相等的频率间隔，都是一个基本震荡频率的整数倍；复用（M）指多路数据源相互交织地分布在上述大量载波上，形成一个频道。COFDM特点是各子载波相互正交，使扩频调制后的频谱可以相互重叠，从而减小了子载波间的相互干扰。与其他调制技术相比，COFDM调制技术具有如下优点［3］：

1）抗衰落能力强，COFDM把数据通过多个子载波传输，每个子载波上的信号时间相应地比同速度的单载波系统上的信号时间长很多倍，使COFDM对脉冲噪声和信道快速衰落的抵抗力更强。

2）频率利用率高，COFDM允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是利用保护频带分离子信道的传统方式，提高了频率利用效率，最大限度地利用了频谱资源。

3）适合高速数据传输，COFDM自适应调制机制使子载波可以按照不同的信道质量情况和噪音背景使用不同的调制方式［4］(BPSK、QPSK、16QAM)。信道条件好的时候，采用效率高的调制方式，信道条件差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式，这种方式能保证高速数据可靠地传输。

4）抗码间干扰(ISI)能力强［5］，码间干扰是数字通信系统中主要的干扰之一，COFDM由于采用了循环前缀，所以具有很强的抗码间干扰能力。

5）易于与其他多种方法结合使用,COFDM除了可以作为一种调制方法外,还可以很容易地与多种多址技术相结合,为多个用户同时提供接入服务,可以同时使多个用户使用COFDM技术进行信息的传递。

3 总体设计

3.1 设计方案

机载遥测设备由信息采集编码器、无线网络电台、功率放大器、发射天线、接收天线等组成。信息采集编码器采集飞机总线数据、模拟量、频率量、离散量、视频信息等数据，将上述数据按照设定的格式进行复合编码，形成网络数据包。该网络数据包分成两路处理，一路存储到信息采集编码器主控板的存储芯片中，用于事后下载；另一路传输至无线网络电台，发送至地面接收设备。由于受飞机机体遮挡以及机动飞行的影响，机载遥测设备由两副发射天线和两副接收天线组成，发射天线用于发射机载数据，接收天线用于接收地面接收设备上传的控制指令。

在模拟机载遥测设备设计时，如果要利用硬件设备模拟出机载数据，那将需要耗费大量的物力和财力，为此，经过对机载数据解读、分析，利用机载记录的原始数据，结合计算机及相应的软件设计，模拟出机载数据，再通过网络传输至无线网络电台。由于模拟机载遥测设备工作于比较稳定的平台（地面固定点或载车上），相对于机载遥测设备来说，工作环境比较良好，且与地面接收设备距离近，单根收、发天线完全满足使用要求，而且也不再需要单独的大功率放大器来提高作用距离。

3.2 硬件设计

根据上述设计方案，模拟机载遥测设备由模拟数据计算机、无线网络电台、发射天线、接收天线及电源变换器等组成，硬件组成如图1所示。模拟数据计算机与无线网络电台通过网络相连，与地面接收设备共同组成一个无线mesh网［6］，完成数据上、行链路的传输。

图1 模拟机载遥测设备组成框图

3.2.1 无线网络电台

无线网络电台主要负责搭建地面接收设备同模拟机载遥测设备之间的无线数据链路通道。在模拟机载遥测设备设计中，采用FS2A-1W型无线网络电台，该型电台可以组成由16个无线网络电台节点（一个电台为一个节点）组成的自组织、自愈合的网状网，这个网状网内部的所有无线网络电台可在同一频率和带宽上传输数据，简化了频率管理。FS2A-1W无线网络电台由调制解调控制模块、变频器模块、功率放大模块等组成。其组成如框图2所示。

1）调制解调和控制模块

调制解调和控制模块是无线网络电台的核心模块，主要完成数据的调制解调、转发和路由功能，以及与其他无线自组网电台的自组织控制管理功能。其内部结构如图3所示。调制解调和控制模块主要由两大类接口，即与用户进行数据、语音和配置管理的外部JST接口，与收、发天线连接的SMA接口。其中JST接口包括了一系列不同功能的接口，包括12V直流供电输入接口、12V直流供电输出接口（为电台其它模块供电）、IP数据接口、音频数据接口、IP视频流数据接口、RS232/485串口数据接口、LED驱动接口以及对变频器模块和功率放大模块的控制信号等。在模拟机载遥测设备设计中，根据图1所示，模拟数据计算机通过网络接口发送数据，该网络接口与无线网络电台IP数据接口相连，完成模拟机载遥测数据的传输。无线网络电台的CA0403航空插口为直流供电与模拟机载数据共用接口，接口定义如图4所示。发射天线与接收天线分别与SMA1和SMA2接口连接。电源变换器提供12V直流供电。

图2 无线网络电台组成框图

中央处理模块是调制解调和控制模块的核心模块，无线自组网电台通过软件驱动该模块实现以下功能：

（1）生成频率资源占用通知信息。该信息作用是根据自组网电台的数据业务需求以及网络频率资源占用情况，生成对无线自组网络频率和子载波资源的占用信息。该信息包括了电台占用的子载波数量、编号以及频率时间信息。该信息通过管理信道广播至全网其他无线网络电台节点。

图3 调制解调和控制模块内部结构图

（2）通过管理信道与同一网络内的自组网电台交换收发信噪比等信息，并构建网络拓扑结构与路由路径表。将该网络拓扑和路由路径表一方面通知给数据处理模块进行数据路由，决定传输的目标节点和中间可能需要经过的中继节点；另一方面将网络拓扑和路径信息转换成图像化界面，并通过网页配置GUI显示出来。

图4 CA0403航空数据接口定义

（3）根据同一网络内其他自组网电台的接收信噪比，自动决定分配传输至该自组网电台的调制方式，即当目的自组网电台接收本节点信噪比在12dB以上时，采用16QAM调制方式，当信噪比在8dB～12dB时，采用QPSK调制，当信噪比在8dB以下时，采用BPSK调制［7］。

（4）与SDRAM存储模块中存储的网页交互界面进行数据交互，将节点和网络状态以图形和文字的方式直观展示在网页界面中，呈现给用户；读取用户的配置参数，并将该配置应用到相应的其它模块当中去。

数据处理模块的主要功能是对需要发射的IP数据进行后台封装和加密。通过后台封装，在原始IP数据前封装上无线自组网电台的内部报头数据，指明目标无线自组网电台的内部编号，并根据中央处理模块提供的路由路径信息，将可能要进行中继的无线网络电台节点编号写入该内部报头中去。同时该报头也包括了该数据需要以何种调制方式进行调制。数据处理模块最后会对数据进行AES128或者AES256方式加密，并将加密后的数据转发给调制模块。数据处理模块在接收到解调模块的数据后，会对数据进行解密和还原，并将内部报头中携带的信噪比等信息转发给中央处理模块。

2）变频器模块

变频器模块主要完成信号的上下变频。在进行信号发射时，数据经过调制解调和控制模块编码，进行串并变换，形成并行数据流，对变换后的数据进行IFFT变换［8］，形成正交性的信号，之后添加循环前缀,并串变换，形成串行数据，再进行加窗处理和上变频后，形成可发射的模拟中频信号发射出去。在作信号接收时，接收到的射频信号经过下变频处理后形成基带信号，送到调制解调控制模块进行处理。

3）功率放大模块

功率放大模块的主要作用是对无线网络网电台的发射信号进行功率放大。无线自组网节点采用TDD时分双工机制，该功放模块具备快速开关电路功能，可由调制解调和控制模块模块对其进行高速开关切换，确保发射信号不会对接收到的信号产生干扰。

3.2.2 天线

天线是一种能量转换器，它把电能转换为电磁波能量辐射到空间。选择天线要考虑其频率范围、方向图、极化方式、增益、特性阻抗等［9］。在模拟机载遥测设备设计中，共设计有两根天线，一根为信号发射天线，另一根为接收地面控制指令的接收天线。因为天线具有互易性，作发射或接收时参数不变，所以发射天线和接收天线均选用TQJ-390型高增益全向天线［10］，该天线增益高达5dB，带宽为14MHz，电压驻波比小于1.5，天线辐射方向图为水平全向，极化方式为垂直线极化。该型号天线环境适应强，可在降雨条件下正常工作。

3.3 模拟数据软件设计

将某型机多架飞机机载数据下载后，存储至模拟数据计算机。模拟数据软件读取计算机存储的机载数据，并将该数据以UDP协议方式发送至无线网络电台。由于机载数据包含有飞行参数和视频信息，因此，在选择需要发送的数据时，可以选择单独发送飞行参数或视频，在软件设计时，主要根据数据包前缀中偏移量标记来判决，当偏移量是0时为飞行参数，偏移量是1时为视频数据，如果不作偏移量判断，则飞行参数+视频混合发送。软件流程如图5所示。

模拟数据软件分为数据加载和数据发送两个进程。

3.3.1 数据加载

1）打开文件

FLLE*fw=fopen(“B.dat”,r);//打开文件并返回文件开头指针

2）创建缓冲区并获取文件的内容

文件的内容较多，为确保通信进程完成机载数据发送功能，创建一定长度的字符数组的数据块，作为缓冲区。

char buff[1024];//创建一定长度的字符数组，以缓冲区的长度为单位顺序读取文件内容

fcanf(fw,&buff);//加载数据到缓冲区

3.3.2 数据发送

1）初始化socket环境

2）创建服务器端的基于UDP协议 socket［11］

3）初始化端口和IP地址，调用bind进行绑定

4）调用sendto进行通信

图5 软件流程图

4 作用距离分析

模拟机载遥测设备与地面接收之间有上、下行两条链路，地面接收设备采用的是大功率放大器，其发射功率大于模拟机载遥测设备的发射功率，即模拟机载遥测设备上行链路作用距离大于下行链路作用距离，因此这里只需计算模拟机载遥测设备下行链路作用距离。无线网络电台接收灵敏度为-126dB，地面接收天线增益为5dB，模拟机载遥测设备发射天线增益也为5dB，模拟机载遥测设备发射功率为1W，即为0dB，假设工作频率为400 MHz，根据公式：

式（2）的对数表达式为

式中：

Lr为路径损耗；

Pt=0dB发射功率；

Gt=5dB发射天线增益；

Gr=5dB 接收天线增益；

Pr=-126dBW 接收灵敏度；

L∑=3dB 其它损失；

Ls=20dB 低空安全裕量；

ƒ为工作频率；

R为作用距离。

由式（1）、（3）可得到：

Lr=0+5-（-126）+5-20-3=113dB

113=32.44+20lg(400)+20lg(R)

R=26.67km

模拟机载遥测设备安装位置距离地面接收设备最大直线距离为5km，由上述计算结果可知，所选网络电台发射功率及天线增益完全满足使用要求。

5 结语

模拟机载遥测设备是为某型机遥测数据采集与传输系统的地面接收设备功能检测、故障定位及排查、人员训练等方面的迫切需要而设计的。在设计中，充分利用机载遥测设备记录的原始数据，再通过软件设计，模拟出机载遥测数据；在硬件设计上，充分考虑机载遥测设备的功能，采用相应的硬件设备，相比较机载遥测设备来说，模拟机载遥测设备硬件设计经济、实用，而且完全满足使用要求。模拟机载遥测设备的设计使用，不但能节省大量的人力物力资源，又能方便、快捷地开展日常训练工作，这对提高设备使用效能和人员业务素质具有较大的促进作用，具有较高的军事和经济效益。