CN113992318A - 一种弹载数据链系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弹载数据链系统，由弹载端机、地面端机组成。弹载端机由收发天线单元、射频信道单元和基带处理单元组成。地面端机由收发天线单元、射频信道单元、基带处理单元组成。本发明图传系统采用TDD双工模式，数据链系统之间采用FDMA多址方式，其中TDD模式的信道速率设计成一样的，某一时刻一对数据链系统占用一个信道，设计时按照4套系统可同时工作考虑，并且一套数据链系统可以支持在5个不同的信道跳频，提升了数据传输时的抗干扰和抗截获能力。

Description

一种弹载数据链系统

技术领域

本发明涉及数据链技术领域，特别涉及一种弹载数据链系统。

背景技术

弹载数据链系统是火炮系统的主要组成部分，可以实现通讯、指挥、时频图像实时传输功能，以达到精确制导设计目标。

弹载数据链系统包含弹载数据链端机和地面数据链段集两个部分。弹载数据链路系统采用无线上、下行链路实现数据、指令、图像信号的加密传输，实现弹载端机与地面站在同一空域进行有效的通讯。地面端机也负责将接收到飞行数据及高清图像信息进行输出。

但是目前大部分所使用的数据链系统，对于系统的自兼容能力较差，无法进行多系统同时工作且互不干扰，并且大部分数据链系统抗干扰、抗截获的能力较差，同时不具备频谱感知和频谱躲避功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种弹载数据链系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种弹载数据链系统由弹载端机、地面端机组成。

弹载端机由收发天线单元、射频信道单元和基带处理单元组成。地面端机由收发天线单元、射频信道单元、基带处理单元组成。其中弹载端机天线为全向天线，地面端机天线为定向天线。

弹载端机工作流程为：

1、根据存储的数据，配置射频收发器，复位有关电路(如：网口、 422等)；

2、设置射频收发器工作在通道n，并停留500ms(同时发送飞控和链路遥测数据，不发送图像数据)，如果收到地面广播则驻留在通道n，否则跳转到n+1通道(通道号1～9循环)；

3、如果收到地面广播，D上端机驻留在该通道(完成上下行时隙同步)，并启动图像数据下行传输；如果在该通道上3秒没有收到地面广播，则关闭图像数据发送(仍然发送飞控和链路遥测数据)，并跳转到n+1通道监听地面广播，直到收到地面广播。

地面端机工作流程为：

1、根据存储的数据，配置射频收发器，复位有关电路(如：网口等)；

2、初始化上下行时隙分配图案：40ms为一个周期，上行3ms、下行 37ms(含保护间隔0.2ms)；

3、根据板载FLASH配置的通道号，将射频收发器调谐到该通道，并发送秒脉冲信息包(如果有遥控数据包则发送遥控数据包)；

4、如果通过网口收到有关链路遥控指令，则将射频收发器调谐到指定通道；

5、进行频谱感知，设当前工作通道为n，在上行时隙的开始0.2ms 将射频收发器接收通道调谐通道m，采集接收通道增益值G，记为Gm，然后将接收通道恢复到通道n，在下次采集时调谐到通道m+1(1～9 号通道循环)，如此反复可以分别得到：G1～G9九个通道的空间接收电平，作为频谱感知干扰的判断依据和标定基础。

组内通信采用时分双工，组间通信采用频分多址的通信体制进行数据链系统研制。因此单对点对点图传系统采用TDD双工模式，数据链系统之间采用FDMA多址方式。其中TDD模式的信道速率设计成一样的，时隙和帧格式根据上下行业务实际需求设计；FDMA按照4套数据链系统同时工作的容量进行设计。同时系统还要求具备抗干扰和抗截获的能力，因此在频谱感知的基础上，加入跳频的功能。

上行遥控链路信息速率为25.6kbps，采用BPSK+DSSS的扩频调制方式，只需要较低的解调门限即可完成解调，同时采用信道编码，可以提供约5dB的编码增益，增加了通信系统链路余量。

下行链路需要传输窄带遥测信息和宽带图像信息，总信息速率为 3.5512Mbps，由于传输速率高，采用QPSK+RS的调制编码方式(频域均衡)，为了兼容4套系统同时工作的，采用频分多址(FDMA)方式。多对数据链系统同时工作时，下行链路分别占用不同的信道(使用不同的频道)。

上下行链路接入方式均采用动态的接入方式。接入流程如下：当弹载端机上电后收到地面端机控制信道的广播消息后，通过公共控制信道给地面端机发送入网请求，在弹载端机收到入网请求的确认消息之前，弹载端机会以固定时间间隔不断的向地面端机发送入网请求，直到地面端机成功收到弹载端机的入网请求后，为弹载端机分配信道并通知新节点。弹载端机得到地面端机分配的信道后，弹载端机需要和地面端机在该信道下相互通信几轮成功后最终确认入网成功。每个地面端机目前只能接入一个弹载端机，后期可升级接入多个弹载端机。当弹载端机接入网络后，地面端机便不再发送广播消息。

当弹载端机接入不同ID的地面端机后，会被分配到不同的信道，并且利用频谱感知功能，分配的信道尽量远离有干扰的频带。有4种不同ID的地面端机，也就是说，可以支持4套数据链系统同时工作。

实际使用时，迫弹属于单次使用设备，使用完毕即退网。实验阶段，迫弹关机即退出。关机后，地面端机监测到通信中断，即将弹载端机从网络中删除，便于接受新的入网节点。

本系统设计按照点对点(P2P)方式设计，某一时刻一对数据链系统占用一个信道，设计时按照4套系统可同时工作考虑，并且一套数据链系统可以支持在5个不同的信道跳频，用于抗干扰和抗截获。因此共设计有20个信道。

优选的，所述地面端机和所述弹载端机都具备频谱感知的功能。在接收时隙，通过天线接收的信号经过低噪放后功分一路到频谱感知支路。频谱感知主要用来感知信道有没有干扰噪声，为跳频通信提供信道选择支撑，在可利用的信道中，选择最干净的一个信道作为即将要跳变的信道使用。

优选的，所述系统主要部件都采用了一级降额设计，并且各个单元全部采用独立的单元设计，降低了单元模块设计难度和复杂性，同时在发生故障时可以直接进行各个模块排查。

本发明的技术效果和优点：

(1)本发明的重要电路采用双线路、双触点设计；串口、以太网接口等工作接口可使用校验和功能，校验数据，提高错误检出率；电源设计上采取防反接、过压、过流、过热保护。

(2)本发明选用的器件尽量避免对振动和冲击敏感封装；连接器均采用具有线缆夹持和应力消除机构的军品等级连接器；连接线缆尽量采用具有屏蔽层的军品等级导线，采用航天要求的工艺进行设计；本发明整体机箱采用高强铝合金焊接而成，提高了发明整体的强度和刚性。

(3)本发明图传系统采用TDD双工模式，数据链系统之间采用FDMA多址方式，其中TDD模式的信道速率设计成一样的，某一时刻一对数据链系统占用一个信道，设计时按照4套系统可同时工作考虑，并且一套数据链系统可以支持在5个不同的信道跳频，提升了数据传输时的抗干扰和抗截获能力。

(4)本发明采用模块化设计，通过自动诊断电路和软件自动判断故障所在，并把故障情况显示在显示屏或指示灯上，以便把有故障的单元从设备中拆除，并将备用模块替换后即可恢复工作，从而最大限度地减少在线维修时间，并可以降低对在线维修人员的技术要求和保证维修质量的一致性。

附图说明

图1为本发明的弹载端机原理框图。

图2为本发明的弹载数据链系统组成框图。

图3为本发明的上行帧结构示意图。

图4为本发明的下行帧结构示意图。

图5为本发明的TDD时隙设计图。

图6为本发明的TDD系统收发系统切换同步图。

图7为本发明基于AD9361的射频收发通道。

图8为本发明LNA电路图。

图9为基带处理功能架构图。

图10为ADL5542放大器电路图。

图11为RFPA2026功率放大器电路图。

图12为发射信号功率检测图。

图13为FPGA单元JTAG调试接口原理图。

图14为HMC574AMS8E收发切换开关电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

图1为本发明的弹载端机原理框图，由图1所示，本发明的弹载端机采用模块化设计思想，系统为一体化模块整机，弹载端设备主要由射频模块、基带模块、接口模块、电源模块、天线组成。

(1)射频模块

该模块由射频功放电路和射频接收前端电路两部分组成，主要担负2个任务。其一，发射信号的功率推动放大，即接收基带模块发送来射频信号，放大到规定的功率后，馈送机载天线向外辐射；其二，无线射频信号接收，即通过机载天线接收地面端发送的射频信号，经低噪放放大，混频器混频后转送至基带单元。

(2)基带模块

该模块主要完成3个功能，其一，完成基带信号的调制功能，即对发送的数据进行拆帧组包、编码和调制；其二，完成基带信号的解调功能，即对接收的数据进行解调、解码和组帧，同时对组帧后的数据进行校验；其三，完成数据加密功能，即为了保证无线电数据的安全性，采用了加密算法对传输的数据进行加密处理。

(3)接口模块

该模块主要完成3个功能，其一，完成接收RS422的接口数据并转发至基带模块；其二，1路视频数据进行采集，然后转发至基带模块；其三，将基带模块接收到的地面指令通过RS422接口进行转发。

(4)电源模块

该模块的完成弹上直流5V电压到设备各模块所需电压的转换，提供设备内部不同模块所需的低纹波稳定电压。

(5)弹载天线

弹载天线L频段全向天线采用棒状设计，天线内部采用金属结构设计，精密机加工制成；天线外部为高强度玻璃纤维固化的罩体，并进行密封处理。

本发明在在完成各个模块的搭建后，需要使设备通信的过程中，整个信道按照时间来划分时隙、帧和复帧，每个时隙传输一个TDD帧。按照要求，系统需要实现下行视频和遥测数据传输、上行遥控功能。

(1)上行帧格式设计

上行帧格式主要包括前导码、帧起始信息、数据区、校验区组成，其中前导码156bit，帧起始信息、数据区、校验区共计255字节，其帧结构如图3所示。

前导码是一串重复的巴克码序列，每个巴克码序列13bit，重复 12次，共156bit；帧起始信息，包括帧头(1字节，0xAA)，帧序号4 字节，目的ID 1字节，源ID 1字节，业务类型1字节，下一频点1字节，用于指示下一跳频频点，共9字节；数据区主要是用户上行遥控指令数据，包含飞行控制数据、任务载荷控制数据或者通信链路设备控制数据，共计120字节，不足处补零；校验位主要是对帧起始信息和数据区校验，采用RS(255，129)编码方式，共计126字节；上行数据包帧结构，含有效数据120*8bit，帧长2196bit，效率为43.7％。

(2)下行帧格式设计

下行数据包括视频图像数据和遥测数据，需要按照复合数据格式进行帧格式设计，主要包含前导码312bit，其余的包括帧起始信息、数据区、校验信息共计961字节，其帧结构如图4所示。

前导码是一串重复的巴克码序列，每个巴克码序列13bit，重复 24次，共312bit；帧起始信息，包括帧头(1字节，0xAA)，帧序号4 字节，目的ID 1字节，源ID 1字节，业务类型1字节，可用频点1字节，用于告知地面端机没有受干扰的可用信，共9字节；数据区主要是指下行遥测数据，图像数据，共计616字节；校验位主要是对帧起始信息和数据区校验，采用RS(31.25)校验方式，共计336字节；下行数据包帧结构，含有效数据616*8bit，帧长7844bit，效率为61.6％。

(3)通信速率和带宽计算

按照技术要求，上行遥控信息的速度为25.6Kbps，考虑到上行数据传输的效率为43.7％，所以上行数据传输的速率不能低于 58.6Kbps，按照BPSK调制映射后的码速为58.6Ksps；下行链路包括 51.2Kbps的遥测信息与3.5Mbps的图像信息，合计3.5512Mbps。考虑到下行数据传输的效率为61.6％，所以下行数据传输的速率不能低于5.8Mbps，按照QPSK调制映射后的码速为2.9Msps，按照信息速率可将上下行时隙定位2.9Msps/58.6Ksps＝49.5:1；

因为采用的是TDD通信体制，需要确保发射机在接收时隙缓存的数据能够在下一个发射时隙无丢失的全部发送，按照上述时隙划分，实际需要的信道符号速率需要＞2.9*(49.5+1)/49.5＝2.96Msps，本次将信道速率提升至3.25Msps，调制时的成形系数按照0.35设计，占用有效带宽为4.3875MHz。保护带宽为1.6125MHz，因此每套数据链系统占用带宽6MHz，4套数据链系统同时工作共占用24MHz带宽，另外考虑跳频需求，设计时每套数据链系统可跳动的信道数量为3个，所以4套数据链系统跳频工作时，占用的带宽为72MHz。

(4)时隙设计

上下行信道速率统一按照下行信道符号速率3.5Msps设计，本次最远通信距离为12km，则传输延迟为0.04ms，因此收发转换的保护时间大于0.04ms即可，因此总时隙长为40ms,上行2.5ms+0.5ms 保护间隔+36.5ms下行+0.5ms保护间隔。

将上下行时隙合起来归一化为1，则上行时隙所占的比例不能低于58.6ksps/3.5Msps＝1.68％，下行时隙所占的比例不能低于 2.9Msps/3.25Msps＝89.23％。实际的上下行时间占比分别为6.25％、 91.25％，因此上下行的时隙长度满足要求，时隙设计图如图5所示。

(5)时隙同步方式设计

时隙同步方法：地面为主，D端为从，D端收到地面帧后校准本机时隙定时，对于TDD通信系统，设备是通过时隙来交替切换进行数据接收和发送，这样就要求，通信系统双方的接收和发送时隙必须能够同步起来，即在一个设备发送的时候，另外一个设备处于接收状态，TDD系统收发系统切换同步图如图6所示，地面端机作为主设备，弹载端机作为从设备，由主设备发起通信，按照上一小节设计的时隙地面端机和弹载端机轮流切换收发状态，在主设备处于发送的时候，从设备处于接收状态，当主设备切换到接收状态时，从设备需要切换到发送状态，让从设备的状态跟随主设备而变化。通信过程中，由主设备的TDD时隙切换通过内部的计数器来控制实现，其起始信号从第一个数据帧准备完毕并且发送开始，对于从设备，由主设备发送一个sync同步信号(即第一个帧数据的前导)给从设备，当收到该信号之后，从设备根据内部的计数器来进行收发切换，另外还需要特别注意的时，从设备内部的计时器需要不断被校准，从而保证长时间的通信不会因为计时偏差过大而导致整个时隙切换混乱，当从设备正确同步到前导序列时，可对从设备的内部的计数器进行校准操作。

(6)下行图像遥测链路预算

图像遥测的通信距离为12km，电磁波在空间中传播会根据频率的不同产生损耗，而在实际情况下大气、建筑物、山体等遮挡物都会影响电磁波的传输。电磁波的传输损耗lfs可根据电磁波传播损耗以下的公式计算得出。

lfs(dB)＝32.45+20log d+20 log f (1)

上式中，d为传输距离(km)，f为电磁波的频率(MHz)。

根据上面的公式可计算出在空间中工作频段(1420MHz)下电磁波传输12km时的损耗为117.4dB。以弹载端发射功放输出为起点，地面端机的接收天线输出口为终点，传输链路中各部分的损耗如下：转接器和连接线的损耗取1dB，滤波器的损耗为1dB，开关的损耗为1dB，此外考虑遮挡、空气、雨水等衰减因素，为双频点各留出15dB 的损耗裕量。

之后需要对射频收发通道完成搭建，图7为本发明基于AD9361 的射频收发通道，弹载射频通道是基于AD9361实现的射频收发通道，其中发射信号由AD9361输出的信号经过滤波及功率放大产生；接收通道经过两次混频的方式最终变为IQ基带信号。另外射频通道还具备两个辅助链路：发射功率监测通道和频谱感知通道。通过耦合发射链路的信号送入AD9361进行功率监控。接收链路的信号经过低噪声放大器后功分一路到频谱感知支路，进入AD9361的另外一个接收通路。

天线接收信号之后首先进行滤波器，然后通过LNA放大之后进行一级下变频至固定中频，然后对中频信号窄带滤波、自动增益控制 (AGC)，中频信号经过IQ混频后得到模拟基带数据，经过集成在 AD9361内部的ADC采集后转换为数字IQ基带信号，送入后端的信号处理单元进行处理，LNA电路图如图8所示。

由于天线带宽较宽，接收到的信号含有很多干扰信号，经过综合考虑，接收链路采用两级滤波，第一级声表滤波器放置在收发转换开关之后，抑制接收天线引进的带外杂波。第二级滤波器放置在增益模块之后，抑制放大器非线性失真带来的杂波与谐波。每一级的带外抑制都超过45dB，所以最终在AD9361输入口的带外抑制达到90dB。

基带处理单元主要由FPGA及接口芯片组成，完成接口驱动、业务管理、信道编译码、调制解调、解扩、数字下变频、FFT计算等功能，基带处理单元实现的功能如图9所示。用户需要传输的信息通过以太网口传输至FPGA内部，依次经过信道编码、交织、调制、重采样、信道补偿后通过DAC转换为模拟信号。在FPGA内实现的调制BPSK 和QPSK，以QPSK来说，其调制后的信号包络恒定，可以假设A(t)＝1，因此其基带信号I(t)+j*Q(t)分布在星座平面上半径为A(t)的一个圆上。为了取得最佳的效果，通常要求，相邻两个星座点的距离最大，因此，就需要所有点均匀分布，其分布角由

确定。

当星座点均匀分布在单位圆上，并且关于X/Y轴对称，此时：

很显然调制后有：

通常，为了避免三角运算，常采用查表法进行替代，将码元作为表的地址，其对应的星座点存入表中。这种，在进行基带调制时，将码元输入表的地址，就能得到相应的星座点。

基带QPSK调制过后，信号进入重采样模块，进行采样率匹配。依次经过脉冲整型、内插滤波后，送入DAC转换为模拟中频信号。

DC采样后的数字中频信号通过混频/滤波后，变为基带复信号，便于后期处理。整个处理链路包含了数字AGC、PSK解调、解交织、译码等功能环节，最终输出比特信息。

地面端设备同样由天线、射频通道和基带处理单元组成，只是在天线与弹载端有些区别，其余部分硬件设计完全一致，地面端设备天线为微带平板天线，该天线结构简单，易于工程实现，天线的尺寸为 140mm×140mm，从天线的底部进行同轴探针馈电。

实施例2

在实施例1的基础上，弹载端机发射机功放口输出最大为1W， AD9361输出的信号功率为-24dBm，由图10、图11所示，为了提高链路信噪比，第一级选用噪声系数比较低的且具有高线性度的ADL5542 芯片，增益20dB，第二级选用RFPA2026功率放大器，则弹载端功放输出功率大于33dBm，除去开关损耗，最终弹载端天线输出功率为 30dBm。

实施例3

在实施例2的基础上，为了能够监测发射功率，实时获取发射功率值，必要时可调整发射功率，AD9361集成了功率监测模块，AD9361 射频收发通道功能框图如图7所示，在发射链路串联一个耦合器，耦合出的信号接到TX_MON管脚，进入AD9361内部进行发射信号功率监测，其发射信号功率检测图如图12所示。

实施例4

在实施例3的基础上，为了避免外部信号错接或者ESD造成器件损伤，以及可以随时检测FPGA单元温度及电压，将FPGA单元的JTAG 调试口连接到腔体调试接口连接器上，由于是引出到连接器作为外部调试使用，为保证其工作的可靠性，在JTAG对外接口部分设计了 Buffer电路，同时由于逻辑SOC的温度监测及电压监测采用器件自带的XADC模块，该模块包括2个12比特1MIPS的模数转换器和相关的片上传感器(内置温度传感器和功耗传感器)，在系统设计中免去外置的ADC器件，有力地提高了系统的集成度，FPGA单元JTAG调试接口原理图由图13所示。

实施例5

在实施例4的基础上，为了使TDD通信体制进行收发时隙的切换可以更加流畅，选用HMC574AMS8E作为收发切换开关，HMC574AMS8E 是一款高功率SPDT开关，采用8引脚MSOPG封装，在高输入信号功率电平下需要极低失真性能的发射-接收应用，使用该器件控制DC至3GHz范围的信号，可以在+5V偏置下提供出色的交调性能，三阶交调截点>+63dBm，“关断”状态下，RF1和RF2反射短路，片内电路在极低直流电流时采用+3V dc至8V dc单正电源工作，且控制输入兼容CMOS逻辑系列，提供了更快的切换速度以及更加稳定的收发隔离能力，图14为HMC574AMS8E收发切换开关电路图。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种弹载数据链系统，包括弹载端机和地面端机，其特征在于：所述弹载端机由收发天线单元、射频信道单元和基带处理单元组成，所述地面端机由收发天线单元、射频信道单元、基带处理单元组成，其中弹载天线为全向天线，地面端机天线为定向天线。

2.根据权利要求1所述的一种弹载数据链系统，其特征在于：所述弹载端机工作流程为：

根据存储的数据，配置射频收发器，复位有关电路(如：网口、422等)；

设置射频收发器工作在通道n，并停留500ms(同时发送飞控和链路遥测数据，不发送图像数据)，如果收到地面广播则驻留在通道n，否则跳转到n+1通道(通道号1～9循环)；

如果收到地面广播，D上端机驻留在该通道(完成上下行时隙同步)，并启动图像数据下行传输；如果在该通道上3秒没有收到地面广播，则关闭图像数据发送(仍然发送飞控和链路遥测数据)，并跳转到n+1通道监听地面广播，直到收到地面广播。

3.根据权利要求1所述的一种弹载数据链系统，其特征在于：所述地面端机工作流程为：

根据存储的数据，配置射频收发器，复位有关电路(如：网口等)；

初始化上下行时隙分配图案：40ms为一个周期，上行3ms、下行37ms(含保护间隔0.2ms)；

根据板载FLASH配置的通道号，将射频收发器调谐到该通道，并发送秒脉冲信息包(如果有遥控数据包则发送遥控数据包)；

如果通过网口收到有关链路遥控指令，则将射频收发器调谐到指定通道；

进行频谱感知，设当前工作通道为n，在上行时隙的开始0.2ms将射频收发器接收通道调谐通道m，采集接收通道增益值G，记为Gm，然后将接收通道恢复到通道n，在下次采集时调谐到通道m+1(1～9号通道循环)，如此反复可以分别得到：G1～G9九个通道的空间接收电平，作为频谱感知干扰的判断依据和标定基础。

4.根据权利要求1所述的一种弹载数据链系统，其特征在于：所述弹载端机和地面端机按照点对点(P2P)方式设计，某一时刻一对数据链系统占用一个信道，设计时按照4套系统可同时工作考虑，并且一套数据链系统可以支持在5个不同的信道跳频，用于抗干扰和抗截获，共设计有20个信道。

5.根据权利要求1所述的一种弹载数据链系统，其特征在于：所述地面端机和所述弹载端机都具备频谱感知的功能，在接收时隙，通过天线接收的信号经过低噪放后功分一路到频谱感知支路，频谱感知主要用来感知信道有没有干扰噪声，为跳频通信提供信道选择支撑，在可利用的信道中，选择最干净的一个信道作为即将要跳变的信道使用。

6.根据权利要求1所述的一种弹载数据链系统，其特征在于：所述地面端机和所述弹载端机均采用模块化设计思想，系统为一体化模块整机，弹载端设备主要由射频模块、基带模块、接口模块、电源模块、天线组成。

Images