数据链信号生成方法研究

郑建锋,施健康,戴欧志雄,蒯文琴,梁婷婷,王子恒

(北京无线电计量测试研究所,北京 100039)

0 引言

数据链是美军常用的集成通信、指挥、控制、情报、监视、网络和侦察等功能的信息链路。其主要作用是链接数字化战场的指挥中心、参战部队和武器平台,并按规定的消息格式和通信协议,将作战信息进行实时传输、交换、分发和处理[1]。美军自冷战初期启动数据链研发工作,迄今已经拥有四十多种数据链体系。其中,常见的是Link-16 和Link-22[2,3]。目前,国内在美军数据链方面的研究主要集中在识别和干扰两方面,而在模拟生成方面有所欠缺。针对这种现状,综合考虑硬件成本和算法复杂度,完成了数据链信号生成系统的构建。

1 跳频扩频原理

用扩频序列对载波频率进行频移键控调制,使其在一定频率范围内不断变化,以降低干扰和避免截获,这种技术就是跳频[4]。跳频系统主要包括跳频序列发生器、频率合成器、跳频同步器和跳频频率表等组成部分。跳频发射机的典型结构如图1所示。跳频有慢跳频和快跳频两种技术。应用慢跳技术,一次跳变可以传输单个比特或多个比特的信号数据,因此,可以对信号进行相干检测。而使用快跳技术,需要多次频率跳变才能完成一个比特数据的传输,很难用于信号相干检测。考虑到相干检测的优越性,快跳技术较少使用。跳频技术的应用,首先让敌方针对特定频率的瞄准式干扰难以实现;其次,增大信号带宽导致敌方无法在大带宽范围内施加高功率噪声干扰。这在一定程度上增强了数据链信号的抗干扰能力。

图1 跳频系统框图Fig.1 Block diagram for frequency hopping system

2 直接序列扩频原理

直接序列扩频是用一些高码率的扩展码序列在发送端对信号的频谱进行扩展。直接序列扩频不仅能够降低干扰,还能够增加系统的用户容量。由于直扩系统具有很宽的射频带宽,因此,某一部分的频谱衰落不会导致频谱整体的衰落。在电波传输过程中,多径干扰导致信号失真、码间串扰和信噪比下降,直扩系统却可以利用这些干扰增强自身系统的性能。在信号总功率一定的前提下,频谱扩展导致信号的功率谱密度降低,信号甚至可以隐藏在白噪声之中,非合作方很难发现信号的存在,难以截获有价值的信息。并且较低的能量密度也不会对其它设备形成强干扰。典型的扩频系统应包括编码器、频率合成器和伪码发生器,系统采用对载波进行相移键控进行调制。扩频序列的选取十分重要,并且与码分多址技术关系密切,常用的扩展码包括m 序列码、RS 码和CCSK 码等伪随机序列[5,6]。调频与直接序列扩频组成的混合式扩频系统如图2 所示。

图2 直接序列扩频系统框图Fig.2 Block diagram for DSS system

3 幅相调制技术

以数字信号调制载波,该载波的幅度、频率或相位等参数受数字信号调制而呈现离散状态变化,这种调制称为数字调制。数据链信号是用MSK、8PSK、16QAM 和64QAM 等数字技术对扩频码进行调制。MSK 在一个码元期间,信号的相位差严格地等于180°,以此保证在码元转换时刻相位是连续的。在8PSK 调制方式中,由于载波相位与调制信号相位的变化一致,因此初相的选取不同,调制的结果也不同。QAM 调制是将载波的幅度和相位同时调制,以此保证每个信号矢量可以表示较多的信息比特;并且通过更合理地安排矢量端点,可使它们之间尽可能保持最大距离。16QAM 调制是将4个连续的二进制比特位合并成一个复值数据符号;64QAM 调制是将6 个连续的二进制比特位合并成一个复值数据符号[7]。复值数据符号具有不同幅度和相位,在笛卡尔坐标系中形成不同的相位星座图。合理应用调制技术可以达到频谱资源利用率高、误码性能好、包络稳定和容易解调的目的[8]。

4 数据链信号的时频特性

数据链系统将每天等分为112 份,每一份约为12.8 min,称为一个时元。每个时元又被分为64 等份,每份长度为12 s,称为一个时帧。每一个时帧再被1 536 等分,每一份长度为7.812 5 ms,称为一个时隙。数据链系统的不同用户获得一定的时隙用于发送或接收信号。Link-16 系统工作在Lx 波段,Link-22 系统工作在HF 和UHF 波段。两类数据链信号的脉冲宽度均为6.4 μs,脉冲周期均为13 μs。Link-16 信号脉内以MSK 信号调制CCSK 随机序列,频率跳变间隔为3 MHz,频谱共有三段,总带宽为217 MHz。Link-22 信号有三种形态,分别是以8PSK/16QAM/64QAM 信号调制伪随机序列,频率跳变间隔为3 MHz,频谱共有两段,总带宽为385 MHz[9-11]。

5 数据链信号的生成方法

对Link-16 信号而言,扩频采用CCSK 编码。CCSK 的基码为32'h7CE90AEC,每一个时钟周期的上升沿到来之时,编码将循环左移一次。8PSK 信号的二进制编码与复数数据符号具有对应关系。将产生的8PSK 信号数据导入分析软件,得到的相位星座图如图3 所示。

图3 8PSK 信号的相位星座图Fig.3 Phase constellation diagram of 8PSK signal

16QAM 信号的二进制编码与复数数据符号也具有对应关系。将产生的16QAM 信号数据导入分析软件,得到的相位星座图如图4 所示。

图4 16QAM 信号的相位星座图Fig.4 Phase constellation diagram of 16QAM signal

64QAM 信号的编码规则为一个6 位的二进制数,高三位对应复数符号的实部,低三位对应复数符号的虚部。64QAM 信号的编码状态多达64 种,将产生的64QAM 信号数据导入分析软件,得到相位星座图如图5 所示。

图5 64QAM 信号的相位星座图Fig.5 Phase constellation diagram of 64QAM signal

数据链信号由硬件描述语言编程产生,将硬件仿真数据导入数据分析软件,得到信号的时域图和频域图如图6 至图8 所示。显示了数据分析软件对数据的分析结果。数据链信号在时域表现为脉冲状;频域表现为非均匀的多段频谱,其中Link-16 信号的频谱分为三段,Link-22 信号的频谱分为两段。

图6 数据链信号的时域图Fig.6 Time domain waveform of data-link signal

图7 Link-16 数据链信号频谱图Fig.7 Spectrum of link-16 signal

图8 Link-22 数据链信号频谱图Fig.8 Spectrum of link-22 signal

6 功能测试及分析

为了测试数据链信号产生系统的实际功能,搭建了一个试验平台。选用的仪器分别为安捷伦DSO-X96204Q 型示波器以及罗德施瓦茨FSUP 型频谱仪。其中示波器可检测信号的频率范围为0～62 GHz,最高采样率为160 GSps;频谱仪可检测信号的频率范围为20 Hz～50 GHz。两台仪器可以胜任本次测试任务。

信号的脉冲宽度为6.4 μs 如图9 所示,信号的脉冲重复间隔为6.6 μs 如图10 所示。两图表明系统可以生成具有正确时域特征的信号。

图9 数据链信号的脉冲宽度图Fig.9 Pulse width of data-link signal

图10 数据链信号的脉冲重复间隔图Fig.10 PRI of data-link signal

Link-16 信号的频谱测试图如图11 所示,频谱从左到右分为三段,带宽分别为39 MHz、12 MHz 和73 MHz,信号总带宽为217 MHz。

图11 Link-16 数据链信号的频谱图Fig.11 Spectrum of link-16 signal

Link-22 信号脉内PN 码被8PSK、16QAM 和64QAM 信号调制的结果,如图12 至图14。结果表明随机信号被三种信号调制之后,具有不同的脉内特征。

图12 8PSK-Link-22 数据链信号脉内细节图Fig.12 Pulse details of 8PSK-link-22 signal

图13 16QAM-Link-22 数据链信号脉内细节图Fig.13 Pulse details of 16QAM-link-22 signal

图14 64QAM-Link-22 数据链信号脉内细节图Fig.14 Pulse details of 64QAM-link-22 signal

脉内调制信号为8PSK、16QAM 和64QAM 时,Link-22 信号的频谱特征如图15 至图17 所示。频谱从左到右共有两段,信号总带宽为385 MHz。频谱中细齿状特征正是随机调制的结果体现。

图15 8PSK-Link-22 数据链信号频谱图Fig.15 Spectrum of 8PSK-Link-22 signal

图16 16QAM-Link-22 数据链信号频谱图Fig.16 Spectrum of 16QAM-Link-22 signal

图17 64QAM-Link-22 数据链信号频谱图Fig.17 Spectrum of 64QAM-Link-22 signal

7 结束语

数据链是美军的在役系统,不少关键技术尚处保密状态。在研究伪随机码软扩频、跳频通信和幅相调制等技术的基础上,提出了四种数据链信号的生成方法。并通过实测分析了它们的时域和频域特征。结果表明,生成方法是能够实现的。但是,依靠这些技术生成的信号还仅仅是数据链信号的一种逼近,在随机数产生、跳频图案设计和信号干扰和信号检测等方面还可以进行深入研究。