Link16数据链跳频入网信号模拟产生技术

李日永，霍 帅，顾明超

(1.中国人民解放军91404部队，河北 秦皇岛066000；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄050081；3.河北省电磁频谱认知与管控重点实验室，河北 石家庄050081)

0 引言

在通信和通信对抗装备试验过程中，需要模拟出各种目标信号和不同复杂程度的通信信号电磁环境[1]。Link16数据链(TADIL-J)是美军及北约等国家陆、海、空军应用最为广泛的战术数据链,可在战时作为主要数据链。联合战术信息分发系统(JTIDS)是Link16的通信终端,具备通信、相对导航、网内敌我识别三大通信功能[2]。对该信号进行侦收与测向，可实现对辐射源目标分选、测向以及定位功能。研究该信号特征属性和组网方式等对我方电子装备对抗能力提升具有较强现实意义，对同类设备研制也有一定借鉴意义。

Link16信号组网模拟技术和模拟系统的搭建能够为新型通信侦察测向和干扰装备提供测试的电磁环境，对其分析识别和干扰能力评估提供重要依据。与常规通信体制不同的是，Link16数据链信号采用高速跳频方案，跳速为 76 923 Hops/s[3]，收发双方的跳频图案保持一致、时间高度同步是端机间正常通信的前提。本文描述了Link16数据链组网的原理，对同属一个网络的两个节点之间建立链接的过程进行描述，包含粗同步和精同步的详细过程。在工程实践的基础上，介绍了Link16数据链网络中节点建立通信过程的硬件实现。

1 Link16跳频入网技术

1.1 Link16信号TDMA接入

Link16 数据链是采用 TDMA 接入方式的点对点链路网络，从时间上划分为周期重复的时元(12.8 min/时元)，每个时元划分为 64时帧(12 s/时帧)，每个时帧又可划分为1 536时隙(7.812 5 ms/时隙)。各节点成员一个时帧内被分配到多个时隙发出待传信息，此时其他的节点成员切换至广播信息接收状态，每个网络成员在 12 s(一个时帧)内与网络进行一次数据共享。但时隙不会直接分配给网络中节点成员，首先分配至网络参与组(NPG)，然后再分发至加入 NPG的节点成员。Link16传输消息分为固定格式消息、可变格式消息和自由文本，消息类型共计为 91 种。传输同类消息成员组成一个 NPG，NPG各节点成员在划定时隙内工作，共同完成 NPG 承担的任务。节点成员占据多少时隙，取决于数据量、节点成员数目等因素[4]。

1.2 Link16网络时间粗同步

时分复用系统中各节点分时隙传输，系统需要准确定时和同步，否则时隙混乱会导致系统瘫痪。Link16 采用主从式的同步模式，每个Link16网络都会有一个结点作为网络时间基准(NTR)[5]，其时钟更精确，定义时隙起始与结束点，为整个网络节点提供时间标准，通常由航母、大型预警机或地面控制中心承担。NTR 在固定时隙块发送初始入网和网络时间更新，新入网设备不断调整时隙窗口尝试接收 NTR 发送的入网消息，一旦正确接收就可利用接收到时隙起始标准，调整自身时钟实现粗同步过程。

Link16粗同步检测模块包括4个窄带单频点接收通道，在进入粗同步过程时[6]，将这4个通道分别设置为设备当前时刻6 s后的某个时隙的第5、6、7、8个频点。根据Link16粗同步信号的跳频图案规律，时隙的粗同步脉冲第9、10、11、12频点分别与第5、6、7、8频点相同。因此若收发两端的时刻偏差不超过6 s，则必定能在12 s内收到这8个脉冲，且其码元与本地产生的码元相同，这4个通道的脉冲依次间隔13 μs出现，粗同步处理原理如图1所示。

图1 粗同步处理原理框图Fig.1 Block diagram of coarse synchronization processing

在方案设计中，考虑到部分频点可能被干扰，实际只要有两个通道接收到该信号，就可以判定为疑似本网Link16同步信号，然后控制通道1进行跳频对准接收脉冲信号载波，并对后面的脉冲进行相关检测与解调，解调后与本地码比对。如果比对成功，则粗同步成功，否则重新开始粗同步过程。

经过粗同步过程后，设备与网络之间的时差仅相差电磁波传播的误差，约±1 ms。

1.3 Link16网络时间精同步

粗同步后同步精度仍不满足精度要求，进一步需要网络时间精确定时。精同步主要通过交换往返计时(RTT)消息消除节点与 NTR时差，使节点时钟接近NTR基准。需要精同步的节点首先发送RTT询问消息给NTR，NTR在网络节点时隙开始后4.275 ms发送RTT应答，该应答包含收到询问消息时间，询问节点利用该消息与测量应答消息到达节点时间，可计算出节点与NTR时间误差，从而做出校正。在精同步完成后，各节点仍与NTR周期地交换RTT，不断微调时钟保持时间同步。精同步设计中，使用RTT往返计时实现时差的校准[7]，精同步成功后，此时同步误差约为±50 ns。

通过以上步骤，逐步减小设备与网络中其他节点间的时差，与网络建立同步从而成功入网。两级同步误差范围如表1所示。

表1 两级同步误差范围

2 Link16模拟系统实现

设计的信号模拟器系统包含多个节点用户，主要为了模拟验证Link16组网中的任意两个节点通过粗同步和精同步脉冲产生和接收处理过程，模拟网络中节点终端通过TDMA方式入网与通信的全过程。单个节点的硬件包含消息发送和接收两部分，集成在一片XC7VX690T和一片TMS320C6678上实现。

2.1 Link16消息产生过程

Link16数据链消息分为固定格式、可变格式和自由文本三种。固定格式消息主要用来发送指挥和作战消息，即通常所指的J系列消息；可变格式消息内容长度均使可变的，主要用于美军陆军，现已发展成为K系列消息；自由文本消息没有标准格式限制，主要用于话音通信。本文主要关注J系列消息即固定格式消息的结构。

J系列消息主要包含粗同步、精同步、报头和数据四部分，前面添加抖动，后面添加传输保护。

消息缓冲区产生210 bit消息，与15 bit源航迹号合在一起进行(237，225)的CRC校验编码，此时数据为225 bit，再与35 bit报头信息进行消息加密，此时数据量为260 bit。

经过消息加密后的数据，Lin16定义5 bit为一个字符，再接着进行RS编码。其中35 bit的报头采取(16，7)编码，数据采用(31，15)编码。经过编码后，报头数据为80 bit，数据为465 bit，一共545 bit，合计109个字符。

不同字符对应不同的CCSK扩频码，扩频码长32，码片速率5 Mbit/s，每个码片持续时间0.2 μs，所以32个码片长度为6.4 μs[8]，也就是一个Link16信号的脉冲宽度。

系统中还会很据报头信息中的SDU字段生成一个32 bit的伪随机码，与CCSK扩频后的码字进行异或运算，增强系统的保密性。

加密后的基带数据，再通过MSK调制，数据为1采用高载波频率发送，数据0用低载波频率发送。

调制后的码流经过数据封装模块，添加粗同步字符和精同步字符，粗同步为16个双脉冲字符，精同步为4个双脉冲字符。封装后的数据在跳频载波的作用下，将信号通过天线发射出去。整个实现过程如图2所示。

图2 Link16消息产生过程Fig.2 Link16 message generation process

2.2 Link16消息产生硬件实现

单节点Link16消息产生由一片XC7VX690T型FPGA和一片TMS320C6678型DSP共同实现。在DSP中实现Link16消息基带码产生的过程。首先发送消息和航迹号，根据当前时隙的封装格式进行封装，形成符合Link16体制的信源。接下来对信源依次进行CRC编码、消息加密、RS编码以及交织等操作，最终把形成的基带码通过4XSRIO总线实时送往FPGA进行后续信号级产生。消息产生过程如图3所示。

图3 信号产生DSP实现流程Fig.3 DSP implementation of signal generation

在FPGA上实现Link16消息数据产生的过程。通过总线接收由DSP产生的基带码，对其进行CCSK扩频操作，即将5 bit消息用32位伪随机序列表示。例如数据00000由序列01111100111010010000101011101100表示[9]，而其余31种结果由序列循环移位产生。接下来对码流依次进行传输加密，MSK调制形成基带数据，再通过跳频表产生对应频率的载波信号对基带信号进行上变频，最后根据时隙表产生脉冲信号通过DA芯片产生模拟信号发出。FPGA实现消息数据产生过程如图4所示。

图4 信号产生FPGA实现流程Fig.4 FPGA implementation of signal generation

2.3 Link16消息接收过程

Link16消息的接收是其消息产生的反过程，通过采样将接收信号数字化，通过相关运算进行粗同步和精同步，再解CCSK扩频，解传输加密，解交织与解CRC编码等信号处理操作，最终得到发送方消息，详细过程如图5所示。

图5 Link16消息接收过程Fig.5 Link16 message receiving process

由于时隙内的跳频图案、伪随机码收发双方都是已知的。按照粗同步的频点采取多频点并行滤波抽取后进行相关运算，通过对相关峰与设定门限进行比较从而判定是否有粗同步脉冲到来。在4个窄带变频通道中的任意一个通道中都会出现相距52 μs(4对双脉冲)的两个相关峰。当4个通道满足峰值门限时，产生捕获成功标志，进一步转入精同步校验阶段。

8个本地精同步脉冲和接收的码字相比较，如果一致即可判定完成了精同步过程。这段相关接收过程精同步头已经通过校验，获取了符号同步信息，估计出最佳采样时刻输出，得到解调码流输出。对码流进行RS解码、解密和解CRC编码，再去掉源航迹和报头信息，即恢复出原始消息数据。

2.4 Link16消息接收硬件实现

Link16消息接收由一片型号为XC7VX690T的 FPGA和一片TMS320C6678型DSP共同实现。在FPGA中，实现消息的接收处理流程。首先对采样数据进行数字下变频处理，将数据转化为零中频数据，采样率抽取至20 MSPS。Link16信号符号速率为5 Mbit/s，当前采样率为4倍过采样，可满足后续的信号处理需，同时也可节约处理模块在FPGA中的资源消耗。接下来对零中频信号进行粗通歩，精同步处理，将本地时间校准为NTR时间，实现初始入网。

完成入网后便可对一个时隙中的报头和消息本体进行解析。首先对32个CCSK伪随机序列进行传输加密操作，形成32个本地码。将接收信号与本地码相关，通过相关性可判决出当前脉冲所对应的伪随机序列，即可得到5 bit消息码。将解析出的消息码通过总线送往DSP进行后续处理。FPGA消息接收的处理流程如图6所示。

图6 FPGA消息接收处理流程Fig.6 Message receiving process for FPGA

DSP实现消息接收的处理流程。通过总线接收到CCSK解调后码流，待得到一个完整时隙的码流后对其进行解交织、RS解码、消息解密以及解CRC等处理，最后将消息本体提取出来上报上位机，完成整个Link16消息接收流程。DSP实现消息接收的过程如图7所示。

图7 消息接收DSP处理流程Fig.7 Message receiving process for DSP

2.5 相关接收及硬件实现

在整个模拟源处理系统中，初始入网和消息接收流程都用到了信号相关接收技术，下面展开论述信号相关的原理及硬件实现流程。

MSK是恒定包络连续相位频率调制，其信号数学表达式为[10]：

Smsk(t)=cos(ωct+παk/2Ts+φk)，

(1)

其中，kTS

令θk(t)=(παk/2TS)t+φk，则式(1)可以表示为：

Smsk(t)=cos(ωct+θk(t))，

(2)

式中，θk(t)为附加相位函数；ωc为载波角频率；TS为码元宽度；αk为第k个输入码元，取值为±1；φk为第k个码元的相位常数，在一个码元内保持不变，其作用是保证在t=kTS时刻相位连续。

由附加相位函数θk(t)的表达式不难看出，θk(t)为直线方程，其斜率为παk/2TS，截距为φk，间隔为TS。当αk=+1时，则θk(t)线性增加π/2；当αk=-1时，θk(t)线性减少π/2。由此可得到结论：间隔为TS，以载波信号为基准的信号相位的变化为+π/2或-π/2。

图8介绍了信号相关处理流程，采样数据经过数字信道化运算后转化为零中频IQ数据，将数据延时一个码元宽度，再与原数据共轭相乘，求得可表征相邻码元相位差的结果。

图8 相关值包络计算流程Fig.8 Calculation process of correlation value

由上文可知，相邻码元间相位差为+π/2或-π/2，故可判断相差数据流的主要特性由虚部Q路表征，且虚部Q路符号由码元决定。将Q路数据与本地码元进行卷积运算，得到相关包络，仿真结果如图9和图10所示。

图9为信道化后窄带数据，延迟共轭相乘后的Q路结果。图10为Q路信号与CCSK本地扩频码以及传输加密码相关后的曲线，当信号与本地码完全匹配重合时，此时相关值最大，出现相关峰。

在本模拟系统的实现中，采用数据不动码字移动的相关方法，通过32路并行相关运算，每路相关值搜索最大值，再对32路相关最大值进行比较，相关峰最大的通道所对应的本地码字相位与数据对齐，通过相关峰位置来获取最佳采样时刻，完成对信号的解调处理。

图9 延迟共轭相乘Q路结果Fig.9 Quadrature calculation of delay conjugate multiplication

图10 Q路信号相关运算后包络Fig.10 Correlation value of the quadrature calculation

3 结束语

在当前及未来的战争中，数据链将成为海陆空三军联合作战中的战术通信重要组成部分。在复杂的战场环境中，保障战术数据交换的可靠性和有效性对战争主动权的获取至关重要。在此背景下,研究Link 16数据链信号模拟中的关键技术对我军信息化建设具有积极借鉴意义。

与常规通信体制不同的是，Link16数据链系统采用高速跳频信号体制，收发双方节点的跳频图案和规律一致、时间高度同步是正确接收到信号的前提。本文研究的Link16信号产生与Link16信号相关接收等模拟关键技术，为研究Link16节点设备入网以及通信提供了技术基础，为Link16模拟方法研究和模拟相似性提升提供技术支撑。下一步还要继续开展可变格式和随机文本消息的产生与接收工作，使得信号模拟设备具备多种消息产生接收模式，以适应不同场景的应用需求。