Link16數(shù)據(jù)鏈跳頻入網(wǎng)信號模擬產(chǎn)生技術(shù)

李日永，霍 帥，顧明超

(1.中國人民解放軍91404部隊，河北 秦皇島066000；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊050081；3.河北省電磁頻譜認(rèn)知與管控重點實驗室，河北 石家莊050081)

0 引言

在通信和通信對抗裝備試驗過程中，需要模擬出各種目標(biāo)信號和不同復(fù)雜程度的通信信號電磁環(huán)境[1]。Link16數(shù)據(jù)鏈(TADIL-J)是美軍及北約等國家陸、海、空軍應(yīng)用最為廣泛的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈,可在戰(zhàn)時作為主要數(shù)據(jù)鏈。聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)(JTIDS)是Link16的通信終端,具備通信、相對導(dǎo)航、網(wǎng)內(nèi)敵我識別三大通信功能[2]。對該信號進(jìn)行偵收與測向，可實現(xiàn)對輻射源目標(biāo)分選、測向以及定位功能。研究該信號特征屬性和組網(wǎng)方式等對我方電子裝備對抗能力提升具有較強(qiáng)現(xiàn)實意義，對同類設(shè)備研制也有一定借鑒意義。

Link16信號組網(wǎng)模擬技術(shù)和模擬系統(tǒng)的搭建能夠為新型通信偵察測向和干擾裝備提供測試的電磁環(huán)境，對其分析識別和干擾能力評估提供重要依據(jù)。與常規(guī)通信體制不同的是，Link16數(shù)據(jù)鏈信號采用高速跳頻方案，跳速為 76 923 Hops/s[3]，收發(fā)雙方的跳頻圖案保持一致、時間高度同步是端機(jī)間正常通信的前提。本文描述了Link16數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)的原理，對同屬一個網(wǎng)絡(luò)的兩個節(jié)點之間建立鏈接的過程進(jìn)行描述，包含粗同步和精同步的詳細(xì)過程。在工程實踐的基礎(chǔ)上，介紹了Link16數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點建立通信過程的硬件實現(xiàn)。

1 Link16跳頻入網(wǎng)技術(shù)

1.1 Link16信號TDMA接入

Link16 數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)遣捎?TDMA 接入方式的點對點鏈路網(wǎng)絡(luò)，從時間上劃分為周期重復(fù)的時元(12.8 min/時元)，每個時元劃分為 64時幀(12 s/時幀)，每個時幀又可劃分為1 536時隙(7.812 5 ms/時隙)。各節(jié)點成員一個時幀內(nèi)被分配到多個時隙發(fā)出待傳信息，此時其他的節(jié)點成員切換至廣播信息接收狀態(tài)，每個網(wǎng)絡(luò)成員在 12 s(一個時幀)內(nèi)與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)共享。但時隙不會直接分配給網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點成員，首先分配至網(wǎng)絡(luò)參與組(NPG)，然后再分發(fā)至加入 NPG的節(jié)點成員。Link16傳輸消息分為固定格式消息、可變格式消息和自由文本，消息類型共計為 91 種。傳輸同類消息成員組成一個 NPG，NPG各節(jié)點成員在劃定時隙內(nèi)工作，共同完成 NPG 承擔(dān)的任務(wù)。節(jié)點成員占據(jù)多少時隙，取決于數(shù)據(jù)量、節(jié)點成員數(shù)目等因素[4]。

1.2 Link16網(wǎng)絡(luò)時間粗同步

時分復(fù)用系統(tǒng)中各節(jié)點分時隙傳輸，系統(tǒng)需要準(zhǔn)確定時和同步，否則時隙混亂會導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。Link16 采用主從式的同步模式，每個Link16網(wǎng)絡(luò)都會有一個結(jié)點作為網(wǎng)絡(luò)時間基準(zhǔn)(NTR)[5]，其時鐘更精確，定義時隙起始與結(jié)束點，為整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點提供時間標(biāo)準(zhǔn)，通常由航母、大型預(yù)警機(jī)或地面控制中心承擔(dān)。NTR 在固定時隙塊發(fā)送初始入網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)時間更新，新入網(wǎng)設(shè)備不斷調(diào)整時隙窗口嘗試接收 NTR 發(fā)送的入網(wǎng)消息，一旦正確接收就可利用接收到時隙起始標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)整自身時鐘實現(xiàn)粗同步過程。

Link16粗同步檢測模塊包括4個窄帶單頻點接收通道，在進(jìn)入粗同步過程時[6]，將這4個通道分別設(shè)置為設(shè)備當(dāng)前時刻6 s后的某個時隙的第5、6、7、8個頻點。根據(jù)Link16粗同步信號的跳頻圖案規(guī)律，時隙的粗同步脈沖第9、10、11、12頻點分別與第5、6、7、8頻點相同。因此若收發(fā)兩端的時刻偏差不超過6 s，則必定能在12 s內(nèi)收到這8個脈沖，且其碼元與本地產(chǎn)生的碼元相同，這4個通道的脈沖依次間隔13 μs出現(xiàn)，粗同步處理原理如圖1所示。

圖1 粗同步處理原理框圖Fig.1 Block diagram of coarse synchronization processing

在方案設(shè)計中，考慮到部分頻點可能被干擾，實際只要有兩個通道接收到該信號，就可以判定為疑似本網(wǎng)Link16同步信號，然后控制通道1進(jìn)行跳頻對準(zhǔn)接收脈沖信號載波，并對后面的脈沖進(jìn)行相關(guān)檢測與解調(diào)，解調(diào)后與本地碼比對。如果比對成功，則粗同步成功，否則重新開始粗同步過程。

經(jīng)過粗同步過程后，設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)之間的時差僅相差電磁波傳播的誤差，約±1 ms。

1.3 Link16網(wǎng)絡(luò)時間精同步

粗同步后同步精度仍不滿足精度要求，進(jìn)一步需要網(wǎng)絡(luò)時間精確定時。精同步主要通過交換往返計時(RTT)消息消除節(jié)點與 NTR時差，使節(jié)點時鐘接近NTR基準(zhǔn)。需要精同步的節(jié)點首先發(fā)送RTT詢問消息給NTR，NTR在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時隙開始后4.275 ms發(fā)送RTT應(yīng)答，該應(yīng)答包含收到詢問消息時間，詢問節(jié)點利用該消息與測量應(yīng)答消息到達(dá)節(jié)點時間，可計算出節(jié)點與NTR時間誤差，從而做出校正。在精同步完成后，各節(jié)點仍與NTR周期地交換RTT，不斷微調(diào)時鐘保持時間同步。精同步設(shè)計中，使用RTT往返計時實現(xiàn)時差的校準(zhǔn)[7]，精同步成功后，此時同步誤差約為±50 ns。

通過以上步驟，逐步減小設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點間的時差，與網(wǎng)絡(luò)建立同步從而成功入網(wǎng)。兩級同步誤差范圍如表1所示。

表1 兩級同步誤差范圍

2 Link16模擬系統(tǒng)實現(xiàn)

設(shè)計的信號模擬器系統(tǒng)包含多個節(jié)點用戶，主要為了模擬驗證Link16組網(wǎng)中的任意兩個節(jié)點通過粗同步和精同步脈沖產(chǎn)生和接收處理過程，模擬網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點終端通過TDMA方式入網(wǎng)與通信的全過程。單個節(jié)點的硬件包含消息發(fā)送和接收兩部分，集成在一片XC7VX690T和一片TMS320C6678上實現(xiàn)。

2.1 Link16消息產(chǎn)生過程

Link16數(shù)據(jù)鏈消息分為固定格式、可變格式和自由文本三種。固定格式消息主要用來發(fā)送指揮和作戰(zhàn)消息，即通常所指的J系列消息；可變格式消息內(nèi)容長度均使可變的，主要用于美軍陸軍，現(xiàn)已發(fā)展成為K系列消息；自由文本消息沒有標(biāo)準(zhǔn)格式限制，主要用于話音通信。本文主要關(guān)注J系列消息即固定格式消息的結(jié)構(gòu)。

J系列消息主要包含粗同步、精同步、報頭和數(shù)據(jù)四部分，前面添加抖動，后面添加傳輸保護(hù)。

消息緩沖區(qū)產(chǎn)生210 bit消息，與15 bit源航跡號合在一起進(jìn)行(237，225)的CRC校驗編碼，此時數(shù)據(jù)為225 bit，再與35 bit報頭信息進(jìn)行消息加密，此時數(shù)據(jù)量為260 bit。

經(jīng)過消息加密后的數(shù)據(jù)，Lin16定義5 bit為一個字符，再接著進(jìn)行RS編碼。其中35 bit的報頭采取(16，7)編碼，數(shù)據(jù)采用(31，15)編碼。經(jīng)過編碼后，報頭數(shù)據(jù)為80 bit，數(shù)據(jù)為465 bit，一共545 bit，合計109個字符。

不同字符對應(yīng)不同的CCSK擴(kuò)頻碼，擴(kuò)頻碼長32，碼片速率5 Mbit/s，每個碼片持續(xù)時間0.2 μs，所以32個碼片長度為6.4 μs[8]，也就是一個Link16信號的脈沖寬度。

系統(tǒng)中還會很據(jù)報頭信息中的SDU字段生成一個32 bit的偽隨機(jī)碼，與CCSK擴(kuò)頻后的碼字進(jìn)行異或運算，增強(qiáng)系統(tǒng)的保密性。

加密后的基帶數(shù)據(jù)，再通過MSK調(diào)制，數(shù)據(jù)為1采用高載波頻率發(fā)送，數(shù)據(jù)0用低載波頻率發(fā)送。

調(diào)制后的碼流經(jīng)過數(shù)據(jù)封裝模塊，添加粗同步字符和精同步字符，粗同步為16個雙脈沖字符，精同步為4個雙脈沖字符。封裝后的數(shù)據(jù)在跳頻載波的作用下，將信號通過天線發(fā)射出去。整個實現(xiàn)過程如圖2所示。

圖2 Link16消息產(chǎn)生過程Fig.2 Link16 message generation process

2.2 Link16消息產(chǎn)生硬件實現(xiàn)

單節(jié)點Link16消息產(chǎn)生由一片XC7VX690T型FPGA和一片TMS320C6678型DSP共同實現(xiàn)。在DSP中實現(xiàn)Link16消息基帶碼產(chǎn)生的過程。首先發(fā)送消息和航跡號，根據(jù)當(dāng)前時隙的封裝格式進(jìn)行封裝，形成符合Link16體制的信源。接下來對信源依次進(jìn)行CRC編碼、消息加密、RS編碼以及交織等操作，最終把形成的基帶碼通過4XSRIO總線實時送往FPGA進(jìn)行后續(xù)信號級產(chǎn)生。消息產(chǎn)生過程如圖3所示。

圖3 信號產(chǎn)生DSP實現(xiàn)流程Fig.3 DSP implementation of signal generation

在FPGA上實現(xiàn)Link16消息數(shù)據(jù)產(chǎn)生的過程。通過總線接收由DSP產(chǎn)生的基帶碼，對其進(jìn)行CCSK擴(kuò)頻操作，即將5 bit消息用32位偽隨機(jī)序列表示。例如數(shù)據(jù)00000由序列01111100111010010000101011101100表示[9]，而其余31種結(jié)果由序列循環(huán)移位產(chǎn)生。接下來對碼流依次進(jìn)行傳輸加密，MSK調(diào)制形成基帶數(shù)據(jù)，再通過跳頻表產(chǎn)生對應(yīng)頻率的載波信號對基帶信號進(jìn)行上變頻，最后根據(jù)時隙表產(chǎn)生脈沖信號通過DA芯片產(chǎn)生模擬信號發(fā)出。FPGA實現(xiàn)消息數(shù)據(jù)產(chǎn)生過程如圖4所示。

圖4 信號產(chǎn)生FPGA實現(xiàn)流程Fig.4 FPGA implementation of signal generation

2.3 Link16消息接收過程

Link16消息的接收是其消息產(chǎn)生的反過程，通過采樣將接收信號數(shù)字化，通過相關(guān)運算進(jìn)行粗同步和精同步，再解CCSK擴(kuò)頻，解傳輸加密，解交織與解CRC編碼等信號處理操作，最終得到發(fā)送方消息，詳細(xì)過程如圖5所示。

圖5 Link16消息接收過程Fig.5 Link16 message receiving process

由于時隙內(nèi)的跳頻圖案、偽隨機(jī)碼收發(fā)雙方都是已知的。按照粗同步的頻點采取多頻點并行濾波抽取后進(jìn)行相關(guān)運算，通過對相關(guān)峰與設(shè)定門限進(jìn)行比較從而判定是否有粗同步脈沖到來。在4個窄帶變頻通道中的任意一個通道中都會出現(xiàn)相距52 μs(4對雙脈沖)的兩個相關(guān)峰。當(dāng)4個通道滿足峰值門限時，產(chǎn)生捕獲成功標(biāo)志，進(jìn)一步轉(zhuǎn)入精同步校驗階段。

8個本地精同步脈沖和接收的碼字相比較，如果一致即可判定完成了精同步過程。這段相關(guān)接收過程精同步頭已經(jīng)通過校驗，獲取了符號同步信息，估計出最佳采樣時刻輸出，得到解調(diào)碼流輸出。對碼流進(jìn)行RS解碼、解密和解CRC編碼，再去掉源航跡和報頭信息，即恢復(fù)出原始消息數(shù)據(jù)。

2.4 Link16消息接收硬件實現(xiàn)

Link16消息接收由一片型號為XC7VX690T的 FPGA和一片TMS320C6678型DSP共同實現(xiàn)。在FPGA中，實現(xiàn)消息的接收處理流程。首先對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字下變頻處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為零中頻數(shù)據(jù)，采樣率抽取至20 MSPS。Link16信號符號速率為5 Mbit/s，當(dāng)前采樣率為4倍過采樣，可滿足后續(xù)的信號處理需，同時也可節(jié)約處理模塊在FPGA中的資源消耗。接下來對零中頻信號進(jìn)行粗通歩，精同步處理，將本地時間校準(zhǔn)為NTR時間，實現(xiàn)初始入網(wǎng)。

完成入網(wǎng)后便可對一個時隙中的報頭和消息本體進(jìn)行解析。首先對32個CCSK偽隨機(jī)序列進(jìn)行傳輸加密操作，形成32個本地碼。將接收信號與本地碼相關(guān)，通過相關(guān)性可判決出當(dāng)前脈沖所對應(yīng)的偽隨機(jī)序列，即可得到5 bit消息碼。將解析出的消息碼通過總線送往DSP進(jìn)行后續(xù)處理。FPGA消息接收的處理流程如圖6所示。

圖6 FPGA消息接收處理流程Fig.6 Message receiving process for FPGA

DSP實現(xiàn)消息接收的處理流程。通過總線接收到CCSK解調(diào)后碼流，待得到一個完整時隙的碼流后對其進(jìn)行解交織、RS解碼、消息解密以及解CRC等處理，最后將消息本體提取出來上報上位機(jī)，完成整個Link16消息接收流程。DSP實現(xiàn)消息接收的過程如圖7所示。

圖7 消息接收DSP處理流程Fig.7 Message receiving process for DSP

2.5 相關(guān)接收及硬件實現(xiàn)

在整個模擬源處理系統(tǒng)中，初始入網(wǎng)和消息接收流程都用到了信號相關(guān)接收技術(shù)，下面展開論述信號相關(guān)的原理及硬件實現(xiàn)流程。

MSK是恒定包絡(luò)連續(xù)相位頻率調(diào)制，其信號數(shù)學(xué)表達(dá)式為[10]：

Smsk(t)=cos(ωct+παk/2Ts+φk)，

(1)

其中，kTS

令θk(t)=(παk/2TS)t+φk，則式(1)可以表示為：

Smsk(t)=cos(ωct+θk(t))，

(2)

式中，θk(t)為附加相位函數(shù)；ωc為載波角頻率；TS為碼元寬度；αk為第k個輸入碼元，取值為±1；φk為第k個碼元的相位常數(shù)，在一個碼元內(nèi)保持不變，其作用是保證在t=kTS時刻相位連續(xù)。

由附加相位函數(shù)θk(t)的表達(dá)式不難看出，θk(t)為直線方程，其斜率為παk/2TS，截距為φk，間隔為TS。當(dāng)αk=+1時，則θk(t)線性增加π/2；當(dāng)αk=-1時，θk(t)線性減少π/2。由此可得到結(jié)論：間隔為TS，以載波信號為基準(zhǔn)的信號相位的變化為+π/2或-π/2。

圖8介紹了信號相關(guān)處理流程，采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字信道化運算后轉(zhuǎn)化為零中頻IQ數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)延時一個碼元寬度，再與原數(shù)據(jù)共軛相乘，求得可表征相鄰碼元相位差的結(jié)果。

圖8 相關(guān)值包絡(luò)計算流程Fig.8 Calculation process of correlation value

由上文可知，相鄰碼元間相位差為+π/2或-π/2，故可判斷相差數(shù)據(jù)流的主要特性由虛部Q路表征，且虛部Q路符號由碼元決定。將Q路數(shù)據(jù)與本地碼元進(jìn)行卷積運算，得到相關(guān)包絡(luò)，仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9為信道化后窄帶數(shù)據(jù)，延遲共軛相乘后的Q路結(jié)果。圖10為Q路信號與CCSK本地擴(kuò)頻碼以及傳輸加密碼相關(guān)后的曲線，當(dāng)信號與本地碼完全匹配重合時，此時相關(guān)值最大，出現(xiàn)相關(guān)峰。

在本模擬系統(tǒng)的實現(xiàn)中，采用數(shù)據(jù)不動碼字移動的相關(guān)方法，通過32路并行相關(guān)運算，每路相關(guān)值搜索最大值，再對32路相關(guān)最大值進(jìn)行比較，相關(guān)峰最大的通道所對應(yīng)的本地碼字相位與數(shù)據(jù)對齊，通過相關(guān)峰位置來獲取最佳采樣時刻，完成對信號的解調(diào)處理。

圖9 延遲共軛相乘Q路結(jié)果Fig.9 Quadrature calculation of delay conjugate multiplication

圖10 Q路信號相關(guān)運算后包絡(luò)Fig.10 Correlation value of the quadrature calculation

3 結(jié)束語

在當(dāng)前及未來的戰(zhàn)爭中，數(shù)據(jù)鏈將成為海陸空三軍聯(lián)合作戰(zhàn)中的戰(zhàn)術(shù)通信重要組成部分。在復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境中，保障戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)交換的可靠性和有效性對戰(zhàn)爭主動權(quán)的獲取至關(guān)重要。在此背景下,研究Link 16數(shù)據(jù)鏈信號模擬中的關(guān)鍵技術(shù)對我軍信息化建設(shè)具有積極借鑒意義。

與常規(guī)通信體制不同的是，Link16數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)采用高速跳頻信號體制，收發(fā)雙方節(jié)點的跳頻圖案和規(guī)律一致、時間高度同步是正確接收到信號的前提。本文研究的Link16信號產(chǎn)生與Link16信號相關(guān)接收等模擬關(guān)鍵技術(shù)，為研究Link16節(jié)點設(shè)備入網(wǎng)以及通信提供了技術(shù)基礎(chǔ)，為Link16模擬方法研究和模擬相似性提升提供技術(shù)支撐。下一步還要繼續(xù)開展可變格式和隨機(jī)文本消息的產(chǎn)生與接收工作，使得信號模擬設(shè)備具備多種消息產(chǎn)生接收模式，以適應(yīng)不同場景的應(yīng)用需求。