Link－16數(shù)據(jù)鏈信號模擬

張 允

（船舶重工集團(tuán)公司723所，揚(yáng)州225001）

0 引 言

在陸海空天電多維戰(zhàn)場空間中，數(shù)據(jù)鏈通過抗干擾實(shí)時傳播、鏈路組網(wǎng)、格式化消息處理、武器平臺應(yīng)用集成等方面技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)態(tài)勢共享、精確指揮控制和一體化武器協(xié)同等方面的作戰(zhàn)能力。數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)俏磥鞢4ISR系統(tǒng)的重要組成部分，是C4ISR系統(tǒng)向作戰(zhàn)平臺的延伸，是傳感器和武器系統(tǒng)形成一體化的紐帶，是實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場信息感知、快捷指揮和精確打擊的關(guān)鍵手段［1］。

Link－16數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)悄壳懊绹捅奔s的主要戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈之一，它采用J系列信息編碼標(biāo)準(zhǔn)，工作在960～1 215MHz頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率為28.8～238kbps，采用了時分多址（TDMA）方式組網(wǎng)，使用聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)（JTIDS）終端或多功能信息分發(fā)系統(tǒng)（MIDS）終端作為通信組件［2］。

JTIDS／MIDS系統(tǒng)由于采用了跳頻、跳時、編碼、擴(kuò)頻等技術(shù)手段，大大增強(qiáng)了通信的保密性和安全性，具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力。

1 Link－16工作模式

TDMA將時間軸劃分成長度為768s的時元，每個時元分成長度為12s的時幀，每個時幀分成長度為7.812 5ms的時隙［2］。時隙是數(shù)據(jù)鏈信號傳輸?shù)幕締卧?，終端用戶根據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理的規(guī)定按時隙發(fā)送或接收消息。時隙的分配由網(wǎng)內(nèi)的終端平臺所承擔(dān)的任務(wù)決定，一般如承擔(dān)具體作戰(zhàn)任務(wù)的戰(zhàn)斗機(jī)會分配較少的時隙以報(bào)告本機(jī)位置、武器系統(tǒng)狀態(tài)等信息，而擔(dān)任戰(zhàn)場監(jiān)視任務(wù)的空中預(yù)警機(jī)則分配較多的時隙以便頻繁地發(fā)送信息。

一個時隙分為起始段、傳送段和保護(hù)段；傳送段期間發(fā)射射頻脈沖串，起始段和保護(hù)段期間不發(fā)射信號。采用標(biāo)準(zhǔn)雙脈沖（STDP）和2型單脈沖（P2SP）格式時，起始段長度在0～2.458 5ms內(nèi)隨機(jī)抖動，傳送段長度3.354ms，發(fā)射射頻脈沖串，可傳送對應(yīng)129個字符的脈沖串信號；其中前20個脈沖為同步段，后109個脈沖用作數(shù)據(jù)傳輸。采用2型雙脈沖（P2DP）和4型單脈沖（P4SP）格式時，傳送段長度5.772ms，起始段和保護(hù)段長度2.0405ms［2］。本文只討論其中標(biāo)準(zhǔn)雙脈沖數(shù)據(jù)包格式，其余幾種信號產(chǎn)生方法類似。

圖1 Link－16信號時序示意圖

每個時隙傳送129個字符，每個字符占用26μs，脈沖寬度占6.4μs，脈沖間隔為6.6μs，每對脈沖數(shù)據(jù)信息相同而每個脈沖間的載頻不同。JTIDS采用了跳頻工作模式，載頻在整個頻帶內(nèi)劃分了51個工作頻點(diǎn)，相鄰頻點(diǎn)頻率差3MHz；129對脈沖中相鄰的脈沖使用不同的頻點(diǎn)，且頻率差在30MHz以上。

編碼自由報(bào)文將按J系列信息編碼生成245bit報(bào)文，按5bit一個字符分組進(jìn)行R－S（Reed Solomon）糾錯編碼，生成109個字符，稱作消息字符，對應(yīng)于每個時隙的109個脈沖。

對每個消息字符使用循環(huán)碼移鍵控（CCSK）進(jìn)行擴(kuò)頻。循環(huán)碼移鍵控是將每個5位符號字用一個32位碼序列來表示。CCSK和下面講的最小頻移鍵控（MSK）調(diào)制完成了信號擴(kuò)頻。由于脈沖寬度為6.4μs，當(dāng)使用5bit符號位時，每個碼元寬度為6.4／5＝1.28μs；當(dāng)使用32位碼序列表示時，碼元寬度為6.4／32＝0.2μs，信號頻譜寬度展寬了6.4倍。在接收機(jī)進(jìn)行碼序列相關(guān)解調(diào)時，能獲得較高的相關(guān)增益，增強(qiáng)了抗干擾能力。

為了增強(qiáng)信號的發(fā)送保密性，每個32bit的有效碼序列都與32bit的偽隨機(jī)序列進(jìn)行異或邏輯運(yùn)算，得到的序列通常稱為傳送符號。

圖2 Link－16信號產(chǎn)生過程示意圖

用傳送符號的32碼片序列作為調(diào)制信號，對載頻以5MHz的速率進(jìn)行調(diào)制生成波形，每個碼片的持續(xù)時間是200ns。這個調(diào)制過程要求相位連續(xù)，使用的調(diào)制方式稱為相位連續(xù)的二進(jìn)制頻移鍵控（CPFSK），通常使用調(diào)制指數(shù)為0.5的頻移鍵控，即MSK［3］。調(diào)制過程使用了載頻左右的2個頻率，頻率差2.5MHz，用這2個頻率分別代表碼序列的“0”和“1”。

把經(jīng)過調(diào)制的、帶有報(bào)文信息的射頻信號濾波放大后發(fā)射出去，完成了Link－16信號的模擬。

2 Link－16信號模擬方法

由上節(jié)所述Link－16信號特點(diǎn)可以看到，Link－16信號就是一串脈寬為6.4μs、使用MSK調(diào)制方式的脈沖信號。信號模擬器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中由顯示控制計(jì)算機(jī)產(chǎn)生信源數(shù)據(jù)，并生成每個脈沖的描述字信息；現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）＋直接數(shù)字合成器（DDS）完成數(shù)據(jù)鏈射頻信號的生成；最終經(jīng)過濾波、開關(guān)調(diào)制、射頻放大后輸出。

2.1 數(shù)據(jù)生成

數(shù)據(jù)生成主要完成數(shù)據(jù)鏈信號每個脈沖描述字的生成，主要包括到達(dá)時間（TOA）、幅度、頻率、脈寬等信息。數(shù)據(jù)產(chǎn)生流程框圖如圖3所示。

2.1.1 信源信息編碼

同步信息為20個同步脈沖的信息數(shù)據(jù)，在本設(shè)計(jì)中每個同步脈沖信息用一個32bit位寬的均勻分布偽隨機(jī)數(shù)來表示。

信源按J系列報(bào)文格式產(chǎn)生，或者直接生成一組J系列報(bào)文長度的偽隨機(jī)數(shù)來代替物理信息，不影響信號的射頻特性。信源碼數(shù)據(jù)包含20bit的報(bào)頭數(shù)據(jù)和3×75bit的信息位。以每5bit數(shù)據(jù)分為碼元，然后分別進(jìn)行 RS（16，4）編碼和 RS（31，15）編碼。

RS編碼是一種多進(jìn)制糾錯循環(huán)碼，以RS（31，15）編碼為例，編碼后碼長n＝31，信息碼長k＝15，檢錯能力為2t＝16，最大糾錯能力為t＝8，本原多項(xiàng)式系數(shù)m＝5。選取本原多項(xiàng)式p（x）＝x5＋x2＋1。RS編碼的主要步驟如下：

（1）確定本原多項(xiàng)式p（x），產(chǎn)生伽羅華域GF（2m）擴(kuò)域表；

（2）計(jì)算生成多項(xiàng)式各系數(shù)：g（x）＝g2tx2t＋g2t－1x2t－1＋ … ＋g1x＋g0；

（3）生成信息位多項(xiàng)式：m（x）＝ mk－1xk－1＋mk－2xk－2＋ … ＋m1x＋m0；

圖3 脈沖數(shù)據(jù)生成

經(jīng)RS編碼后的信息位數(shù)為109×5bit，然后將每5bit消息字符進(jìn)行CCSK調(diào)制。由于5位二進(jìn)制符號的值在0～31間變化，因此可以對應(yīng)有32個獨(dú)特的有效碼序列。這些有效碼序列也稱為符號包，表示用來產(chǎn)生JTIDS擴(kuò)頻信號的32位直序擴(kuò)展碼的相位。將一個31bit的M序列擴(kuò)展一位基碼后構(gòu)成的32bit的M序列進(jìn)行周期移位，即可得到32個對應(yīng)5位符號字的32bit偽隨機(jī)序列碼。

2.1.2 跳頻、跳時

Link－16信號載頻范圍960～1 215MHz，去除敵我識別（IFF）用到的1 030MHz和1 090MHz 2段頻率外，共包括51個頻點(diǎn)，頻點(diǎn)間隔3MHz。

實(shí)際應(yīng)用時，跳頻圖是事先設(shè)計(jì)規(guī)定好的，每個終端都據(jù)此進(jìn)行信息的收發(fā)。

本設(shè)計(jì)應(yīng)用中，首先生成51個原始頻點(diǎn)值，依據(jù)每相鄰脈沖載頻不同并且載頻差大于30MHz的原則，依次隨機(jī)選擇258個脈沖載頻值，生成跳頻圖文件，然后通過讀文件方式產(chǎn)生信號載頻值。

這樣做的好處是，每次試驗(yàn)時載頻值都是確定且可手動修改的，保證了仿真試驗(yàn)結(jié)果的確定性和可重復(fù)性。

跳時體現(xiàn)在：每個終端發(fā)送數(shù)據(jù)信息的時隙是跳變的，且每時隙內(nèi)都包含起始段的時間抖動。為了既模擬出信號的特點(diǎn)，又要保證試驗(yàn)的確定性，設(shè)計(jì)成有效數(shù)據(jù)信息時隙在固定時間間隔內(nèi)出現(xiàn)，而時隙內(nèi)時間抖動量則實(shí)時計(jì)算產(chǎn)生。

2.2 信號產(chǎn)生

本設(shè)計(jì)中，使用FPGA＋DDS完成Link－16信號的生成。信號產(chǎn)生框圖如圖4所示。

圖4 信號產(chǎn)生框圖

選用的Xilinx Spartan6系列高性能FPGA芯片，除了具有強(qiáng)大的現(xiàn)場可編程靈活性外，其高速性能也保證了設(shè)計(jì)時序的精度。

MSK信號具有恒定的包絡(luò)和連續(xù)相位［4］，其信號表示形式為：

式中：（n－1）Ts≤t≤nTs；φ（t）為隨時間變化的連續(xù)相位；fc為載波頻率；Tb為二進(jìn)制基帶信號的碼元寬度；θn為載波相位常數(shù)，在碼元時間內(nèi)為常數(shù)。

MSK信號波形圖如圖5所示。

MSK調(diào)制信號的產(chǎn)生有多種方法，其中主要的實(shí)現(xiàn)方案有2種：一種是采用基于DDS的實(shí)現(xiàn)方法，一種是采用基于正交調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方法。2種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，都能實(shí)現(xiàn)MSK調(diào)制。本設(shè)計(jì)中采用DDS實(shí)現(xiàn)方案。

圖5 MSK調(diào)制信號

DDS按相位累加產(chǎn)生信號，保證了信號的相位連續(xù)性，能很方便地實(shí)現(xiàn)MSK調(diào)制。DDS信號經(jīng)射頻放大、濾波及脈沖調(diào)制后發(fā)射出去，完成了整個數(shù)據(jù)鏈模擬信號的產(chǎn)生。

3 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)比較詳細(xì)地分析了Link－16數(shù)據(jù)鏈信號的特點(diǎn)和信號工作模式，設(shè)計(jì)了產(chǎn)生信號的方法，并在某信號模擬設(shè)備上得到了設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈信號模擬器的主要應(yīng)用方向包括：為低頻段雷達(dá)對抗及通信對抗試驗(yàn)提供復(fù)雜電磁環(huán)境信號；通過研究Link－16數(shù)據(jù)鏈信號樣式及其射頻信號特點(diǎn)，可以為數(shù)據(jù)鏈研制提供新的方法和思路。

［1］駱光明.數(shù)據(jù)鏈——信息系統(tǒng)連接武器系統(tǒng)的捷徑［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008.

［2］梅文華，蔡善法.JTIDS／Link16數(shù)據(jù)鏈［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2007.

［3］楊彤，尹亞蘭.Link16數(shù)據(jù)鏈中的 MSK技術(shù)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（7）：62－64.

［4］劉建民，楊瑞娟，吳少林.JTIDS數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)建模與性能分析［J］.空軍雷達(dá)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009（12）：419－422.