基于COFDM技術(shù)的模擬機(jī)載遙測設(shè)備設(shè)計?

（海軍91351部隊 興城 125109）

1 引言

某型機(jī)遙測數(shù)據(jù)采集記錄與傳輸系統(tǒng)采用基于COFDM的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，完成數(shù)據(jù)上下鏈路的傳輸，實(shí)現(xiàn)空地網(wǎng)絡(luò)一體化測量。該系統(tǒng)由機(jī)載遙測設(shè)備和地面接收設(shè)備組成，主要完成機(jī)載數(shù)據(jù)的采集、記錄與傳輸，以滿足飛行講評及實(shí)時安全監(jiān)控的需要［1］。機(jī)載遙測設(shè)備安裝于飛機(jī)上，用于飛行參數(shù)、視頻等數(shù)據(jù)的采集、存儲、發(fā)送；地面接收設(shè)備用于實(shí)時獲取飛機(jī)的飛行參數(shù)及視頻，完成飛行安全監(jiān)控及飛行講評工作。同時，機(jī)載遙測設(shè)備還能接收地面接收設(shè)備上傳的控制指令。

目前開展地面接收設(shè)備的檢測、調(diào)試及排故等工作，需要協(xié)調(diào)地勤人員、測試工程師等相關(guān)人員，開啟飛機(jī)上的機(jī)載遙測測試設(shè)備才能實(shí)施，因此需要投入大量的人力、物力和財力。為解決這些問題，設(shè)計一種模擬機(jī)載遙測設(shè)備，以替代機(jī)載遙測設(shè)備，就可以方便開展地面接收設(shè)備工作狀態(tài)檢測、設(shè)備調(diào)試、故障排除、人員訓(xùn)練等工作，這樣既避免因動用飛機(jī)造成大量人力、物力的浪費(fèi)，同時也大大提高了工作效率。

2 COFDM調(diào)制技術(shù)

模擬機(jī)載遙測設(shè)備采用編碼正交頻分復(fù)用（COFDM）技術(shù)，以完成數(shù)據(jù)的編碼與調(diào)制。COFDM（Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是編碼正交頻分復(fù)用的簡稱，是一種多載波調(diào)制技術(shù)，其基本原理就是將高速數(shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換，分配到傳輸速率較低的若干子信道中進(jìn)行傳輸。編碼（C）是指信道編碼采用編碼率可變的卷積編碼方式，以適應(yīng)不同重要數(shù)據(jù)的保護(hù)要求；正交頻分［2］（OFD）指使用大量的載波，它們有相等的頻率間隔，都是一個基本震蕩頻率的整數(shù)倍；復(fù)用（M）指多路數(shù)據(jù)源相互交織地分布在上述大量載波上，形成一個頻道。COFDM特點(diǎn)是各子載波相互正交，使擴(kuò)頻調(diào)制后的頻譜可以相互重疊，從而減小了子載波間的相互干擾。與其他調(diào)制技術(shù)相比，COFDM調(diào)制技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)［3］：

1）抗衰落能力強(qiáng)，COFDM把數(shù)據(jù)通過多個子載波傳輸，每個子載波上的信號時間相應(yīng)地比同速度的單載波系統(tǒng)上的信號時間長很多倍，使COFDM對脈沖噪聲和信道快速衰落的抵抗力更強(qiáng)。

2）頻率利用率高，COFDM允許重疊的正交子載波作為子信道，而不是利用保護(hù)頻帶分離子信道的傳統(tǒng)方式，提高了頻率利用效率，最大限度地利用了頻譜資源。

3）適合高速數(shù)據(jù)傳輸，COFDM自適應(yīng)調(diào)制機(jī)制使子載波可以按照不同的信道質(zhì)量情況和噪音背景使用不同的調(diào)制方式［4］(BPSK、QPSK、16QAM)。信道條件好的時候，采用效率高的調(diào)制方式，信道條件差的時候，采用抗干擾能力強(qiáng)的調(diào)制方式，這種方式能保證高速數(shù)據(jù)可靠地傳輸。

4）抗碼間干擾(ISI)能力強(qiáng)［5］，碼間干擾是數(shù)字通信系統(tǒng)中主要的干擾之一，COFDM由于采用了循環(huán)前綴，所以具有很強(qiáng)的抗碼間干擾能力。

5）易于與其他多種方法結(jié)合使用,COFDM除了可以作為一種調(diào)制方法外,還可以很容易地與多種多址技術(shù)相結(jié)合,為多個用戶同時提供接入服務(wù),可以同時使多個用戶使用COFDM技術(shù)進(jìn)行信息的傳遞。

3 總體設(shè)計

3.1 設(shè)計方案

機(jī)載遙測設(shè)備由信息采集編碼器、無線網(wǎng)絡(luò)電臺、功率放大器、發(fā)射天線、接收天線等組成。信息采集編碼器采集飛機(jī)總線數(shù)據(jù)、模擬量、頻率量、離散量、視頻信息等數(shù)據(jù)，將上述數(shù)據(jù)按照設(shè)定的格式進(jìn)行復(fù)合編碼，形成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。該網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包分成兩路處理，一路存儲到信息采集編碼器主控板的存儲芯片中，用于事后下載；另一路傳輸至無線網(wǎng)絡(luò)電臺，發(fā)送至地面接收設(shè)備。由于受飛機(jī)機(jī)體遮擋以及機(jī)動飛行的影響，機(jī)載遙測設(shè)備由兩副發(fā)射天線和兩副接收天線組成，發(fā)射天線用于發(fā)射機(jī)載數(shù)據(jù)，接收天線用于接收地面接收設(shè)備上傳的控制指令。

在模擬機(jī)載遙測設(shè)備設(shè)計時，如果要利用硬件設(shè)備模擬出機(jī)載數(shù)據(jù)，那將需要耗費(fèi)大量的物力和財力，為此，經(jīng)過對機(jī)載數(shù)據(jù)解讀、分析，利用機(jī)載記錄的原始數(shù)據(jù)，結(jié)合計算機(jī)及相應(yīng)的軟件設(shè)計，模擬出機(jī)載數(shù)據(jù)，再通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至無線網(wǎng)絡(luò)電臺。由于模擬機(jī)載遙測設(shè)備工作于比較穩(wěn)定的平臺（地面固定點(diǎn)或載車上），相對于機(jī)載遙測設(shè)備來說，工作環(huán)境比較良好，且與地面接收設(shè)備距離近，單根收、發(fā)天線完全滿足使用要求，而且也不再需要單獨(dú)的大功率放大器來提高作用距離。

3.2 硬件設(shè)計

根據(jù)上述設(shè)計方案，模擬機(jī)載遙測設(shè)備由模擬數(shù)據(jù)計算機(jī)、無線網(wǎng)絡(luò)電臺、發(fā)射天線、接收天線及電源變換器等組成，硬件組成如圖1所示。模擬數(shù)據(jù)計算機(jī)與無線網(wǎng)絡(luò)電臺通過網(wǎng)絡(luò)相連，與地面接收設(shè)備共同組成一個無線mesh網(wǎng)［6］，完成數(shù)據(jù)上、行鏈路的傳輸。

圖1 模擬機(jī)載遙測設(shè)備組成框圖

3.2.1 無線網(wǎng)絡(luò)電臺

無線網(wǎng)絡(luò)電臺主要負(fù)責(zé)搭建地面接收設(shè)備同模擬機(jī)載遙測設(shè)備之間的無線數(shù)據(jù)鏈路通道。在模擬機(jī)載遙測設(shè)備設(shè)計中，采用FS2A-1W型無線網(wǎng)絡(luò)電臺，該型電臺可以組成由16個無線網(wǎng)絡(luò)電臺節(jié)點(diǎn)（一個電臺為一個節(jié)點(diǎn)）組成的自組織、自愈合的網(wǎng)狀網(wǎng)，這個網(wǎng)狀網(wǎng)內(nèi)部的所有無線網(wǎng)絡(luò)電臺可在同一頻率和帶寬上傳輸數(shù)據(jù)，簡化了頻率管理。FS2A-1W無線網(wǎng)絡(luò)電臺由調(diào)制解調(diào)控制模塊、變頻器模塊、功率放大模塊等組成。其組成如框圖2所示。

1）調(diào)制解調(diào)和控制模塊

調(diào)制解調(diào)和控制模塊是無線網(wǎng)絡(luò)電臺的核心模塊，主要完成數(shù)據(jù)的調(diào)制解調(diào)、轉(zhuǎn)發(fā)和路由功能，以及與其他無線自組網(wǎng)電臺的自組織控制管理功能。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。調(diào)制解調(diào)和控制模塊主要由兩大類接口，即與用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)、語音和配置管理的外部JST接口，與收、發(fā)天線連接的SMA接口。其中JST接口包括了一系列不同功能的接口，包括12V直流供電輸入接口、12V直流供電輸出接口（為電臺其它模塊供電）、IP數(shù)據(jù)接口、音頻數(shù)據(jù)接口、IP視頻流數(shù)據(jù)接口、RS232/485串口數(shù)據(jù)接口、LED驅(qū)動接口以及對變頻器模塊和功率放大模塊的控制信號等。在模擬機(jī)載遙測設(shè)備設(shè)計中，根據(jù)圖1所示，模擬數(shù)據(jù)計算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送數(shù)據(jù)，該網(wǎng)絡(luò)接口與無線網(wǎng)絡(luò)電臺IP數(shù)據(jù)接口相連，完成模擬機(jī)載遙測數(shù)據(jù)的傳輸。無線網(wǎng)絡(luò)電臺的CA0403航空插口為直流供電與模擬機(jī)載數(shù)據(jù)共用接口，接口定義如圖4所示。發(fā)射天線與接收天線分別與SMA1和SMA2接口連接。電源變換器提供12V直流供電。

圖2 無線網(wǎng)絡(luò)電臺組成框圖

中央處理模塊是調(diào)制解調(diào)和控制模塊的核心模塊，無線自組網(wǎng)電臺通過軟件驅(qū)動該模塊實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）生成頻率資源占用通知信息。該信息作用是根據(jù)自組網(wǎng)電臺的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求以及網(wǎng)絡(luò)頻率資源占用情況，生成對無線自組網(wǎng)絡(luò)頻率和子載波資源的占用信息。該信息包括了電臺占用的子載波數(shù)量、編號以及頻率時間信息。該信息通過管理信道廣播至全網(wǎng)其他無線網(wǎng)絡(luò)電臺節(jié)點(diǎn)。

圖3 調(diào)制解調(diào)和控制模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

（2）通過管理信道與同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的自組網(wǎng)電臺交換收發(fā)信噪比等信息，并構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與路由路徑表。將該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜吐酚陕窂奖硪环矫嫱ㄖo數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)路由，決定傳輸?shù)哪繕?biāo)節(jié)點(diǎn)和中間可能需要經(jīng)過的中繼節(jié)點(diǎn)；另一方面將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜吐窂叫畔⑥D(zhuǎn)換成圖像化界面，并通過網(wǎng)頁配置GUI顯示出來。

圖4 CA0403航空數(shù)據(jù)接口定義

（3）根據(jù)同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他自組網(wǎng)電臺的接收信噪比，自動決定分配傳輸至該自組網(wǎng)電臺的調(diào)制方式，即當(dāng)目的自組網(wǎng)電臺接收本節(jié)點(diǎn)信噪比在12dB以上時，采用16QAM調(diào)制方式，當(dāng)信噪比在8dB～12dB時，采用QPSK調(diào)制，當(dāng)信噪比在8dB以下時，采用BPSK調(diào)制［7］。

（4）與SDRAM存儲模塊中存儲的網(wǎng)頁交互界面進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，將節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)以圖形和文字的方式直觀展示在網(wǎng)頁界面中，呈現(xiàn)給用戶；讀取用戶的配置參數(shù)，并將該配置應(yīng)用到相應(yīng)的其它模塊當(dāng)中去。

數(shù)據(jù)處理模塊的主要功能是對需要發(fā)射的IP數(shù)據(jù)進(jìn)行后臺封裝和加密。通過后臺封裝，在原始IP數(shù)據(jù)前封裝上無線自組網(wǎng)電臺的內(nèi)部報頭數(shù)據(jù)，指明目標(biāo)無線自組網(wǎng)電臺的內(nèi)部編號，并根據(jù)中央處理模塊提供的路由路徑信息，將可能要進(jìn)行中繼的無線網(wǎng)絡(luò)電臺節(jié)點(diǎn)編號寫入該內(nèi)部報頭中去。同時該報頭也包括了該數(shù)據(jù)需要以何種調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)制。數(shù)據(jù)處理模塊最后會對數(shù)據(jù)進(jìn)行AES128或者AES256方式加密，并將加密后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給調(diào)制模塊。數(shù)據(jù)處理模塊在接收到解調(diào)模塊的數(shù)據(jù)后，會對數(shù)據(jù)進(jìn)行解密和還原，并將內(nèi)部報頭中攜帶的信噪比等信息轉(zhuǎn)發(fā)給中央處理模塊。

2）變頻器模塊

變頻器模塊主要完成信號的上下變頻。在進(jìn)行信號發(fā)射時，數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)制解調(diào)和控制模塊編碼，進(jìn)行串并變換，形成并行數(shù)據(jù)流，對變換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行IFFT變換［8］，形成正交性的信號，之后添加循環(huán)前綴,并串變換，形成串行數(shù)據(jù)，再進(jìn)行加窗處理和上變頻后，形成可發(fā)射的模擬中頻信號發(fā)射出去。在作信號接收時，接收到的射頻信號經(jīng)過下變頻處理后形成基帶信號，送到調(diào)制解調(diào)控制模塊進(jìn)行處理。

3）功率放大模塊

功率放大模塊的主要作用是對無線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)電臺的發(fā)射信號進(jìn)行功率放大。無線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)采用TDD時分雙工機(jī)制，該功放模塊具備快速開關(guān)電路功能，可由調(diào)制解調(diào)和控制模塊模塊對其進(jìn)行高速開關(guān)切換，確保發(fā)射信號不會對接收到的信號產(chǎn)生干擾。

3.2.2 天線

天線是一種能量轉(zhuǎn)換器，它把電能轉(zhuǎn)換為電磁波能量輻射到空間。選擇天線要考慮其頻率范圍、方向圖、極化方式、增益、特性阻抗等［9］。在模擬機(jī)載遙測設(shè)備設(shè)計中，共設(shè)計有兩根天線，一根為信號發(fā)射天線，另一根為接收地面控制指令的接收天線。因?yàn)樘炀€具有互易性，作發(fā)射或接收時參數(shù)不變，所以發(fā)射天線和接收天線均選用TQJ-390型高增益全向天線［10］，該天線增益高達(dá)5dB，帶寬為14MHz，電壓駐波比小于1.5，天線輻射方向圖為水平全向，極化方式為垂直線極化。該型號天線環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)，可在降雨條件下正常工作。

3.3 模擬數(shù)據(jù)軟件設(shè)計

將某型機(jī)多架飛機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)下載后，存儲至模擬數(shù)據(jù)計算機(jī)。模擬數(shù)據(jù)軟件讀取計算機(jī)存儲的機(jī)載數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)以UDP協(xié)議方式發(fā)送至無線網(wǎng)絡(luò)電臺。由于機(jī)載數(shù)據(jù)包含有飛行參數(shù)和視頻信息，因此，在選擇需要發(fā)送的數(shù)據(jù)時，可以選擇單獨(dú)發(fā)送飛行參數(shù)或視頻，在軟件設(shè)計時，主要根據(jù)數(shù)據(jù)包前綴中偏移量標(biāo)記來判決，當(dāng)偏移量是0時為飛行參數(shù)，偏移量是1時為視頻數(shù)據(jù)，如果不作偏移量判斷，則飛行參數(shù)+視頻混合發(fā)送。軟件流程如圖5所示。

模擬數(shù)據(jù)軟件分為數(shù)據(jù)加載和數(shù)據(jù)發(fā)送兩個進(jìn)程。

3.3.1 數(shù)據(jù)加載

1）打開文件

FLLE*fw=fopen(“B.dat”,r);//打開文件并返回文件開頭指針

2）創(chuàng)建緩沖區(qū)并獲取文件的內(nèi)容

文件的內(nèi)容較多，為確保通信進(jìn)程完成機(jī)載數(shù)據(jù)發(fā)送功能，創(chuàng)建一定長度的字符數(shù)組的數(shù)據(jù)塊，作為緩沖區(qū)。

char buff[1024];//創(chuàng)建一定長度的字符數(shù)組，以緩沖區(qū)的長度為單位順序讀取文件內(nèi)容

fcanf(fw,&buff);//加載數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)

3.3.2 數(shù)據(jù)發(fā)送

1）初始化socket環(huán)境

2）創(chuàng)建服務(wù)器端的基于UDP協(xié)議 socket［11］

3）初始化端口和IP地址，調(diào)用bind進(jìn)行綁定

4）調(diào)用sendto進(jìn)行通信

圖5 軟件流程圖

4 作用距離分析

模擬機(jī)載遙測設(shè)備與地面接收之間有上、下行兩條鏈路，地面接收設(shè)備采用的是大功率放大器，其發(fā)射功率大于模擬機(jī)載遙測設(shè)備的發(fā)射功率，即模擬機(jī)載遙測設(shè)備上行鏈路作用距離大于下行鏈路作用距離，因此這里只需計算模擬機(jī)載遙測設(shè)備下行鏈路作用距離。無線網(wǎng)絡(luò)電臺接收靈敏度為-126dB，地面接收天線增益為5dB，模擬機(jī)載遙測設(shè)備發(fā)射天線增益也為5dB，模擬機(jī)載遙測設(shè)備發(fā)射功率為1W，即為0dB，假設(shè)工作頻率為400 MHz，根據(jù)公式：

式（2）的對數(shù)表達(dá)式為

式中：

Lr為路徑損耗；

Pt=0dB發(fā)射功率；

Gt=5dB發(fā)射天線增益；

Gr=5dB 接收天線增益；

Pr=-126dBW 接收靈敏度；

L∑=3dB 其它損失；

Ls=20dB 低空安全裕量；

?為工作頻率；

R為作用距離。

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

模擬機(jī)載遙測設(shè)備安裝位置距離地面接收設(shè)備最大直線距離為5km，由上述計算結(jié)果可知，所選網(wǎng)絡(luò)電臺發(fā)射功率及天線增益完全滿足使用要求。

5 結(jié)語

模擬機(jī)載遙測設(shè)備是為某型機(jī)遙測數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的地面接收設(shè)備功能檢測、故障定位及排查、人員訓(xùn)練等方面的迫切需要而設(shè)計的。在設(shè)計中，充分利用機(jī)載遙測設(shè)備記錄的原始數(shù)據(jù)，再通過軟件設(shè)計，模擬出機(jī)載遙測數(shù)據(jù)；在硬件設(shè)計上，充分考慮機(jī)載遙測設(shè)備的功能，采用相應(yīng)的硬件設(shè)備，相比較機(jī)載遙測設(shè)備來說，模擬機(jī)載遙測設(shè)備硬件設(shè)計經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，而且完全滿足使用要求。模擬機(jī)載遙測設(shè)備的設(shè)計使用，不但能節(jié)省大量的人力物力資源，又能方便、快捷地開展日常訓(xùn)練工作，這對提高設(shè)備使用效能和人員業(yè)務(wù)素質(zhì)具有較大的促進(jìn)作用，具有較高的軍事和經(jīng)濟(jì)效益。