無人機(jī)測控與高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

王利平

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

隨著軍事裝備以及航空技術(shù)的發(fā)展，作為一種遠(yuǎn)程可操控的航空器，無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)具有體積小、質(zhì)量輕、使用便捷等特性，在民用和軍用方面都發(fā)揮著越來越重要的作用。

無人機(jī)測控系統(tǒng)一般包括地面控制站和無人機(jī)機(jī)載平臺(tái)，二者間一般通過無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、可靠和穩(wěn)定通信。無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈能夠?qū)⒌孛孢b控指令傳遞給無人機(jī)平臺(tái)，將無人機(jī)平臺(tái)狀態(tài)信息和偵察數(shù)據(jù)傳回地面，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)機(jī)群內(nèi)部間的高效戰(zhàn)術(shù)協(xié)同[1-3]。

地空高速數(shù)據(jù)傳輸為無人機(jī)寬帶數(shù)據(jù)鏈下行鏈路的主要任務(wù)，其承載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)主要包含合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar，SAR)圖像、雷達(dá)數(shù)據(jù)、視頻等，隨著無人機(jī)平臺(tái)搭載傳感器種類和數(shù)量的不斷增多[4]，海量偵察信息需要及時(shí)傳回地面進(jìn)行處理。

美軍先進(jìn)數(shù)據(jù)鏈(Advanced Common Data Link，A-CDL)承擔(dān)地空之間的寬帶情報(bào)偵察數(shù)據(jù)傳輸，地空數(shù)據(jù)傳輸速率最高為274 Mbit/s[5]，A-CDL采用偏移四相相移鍵控(Offset-QPSK，OQPSK)調(diào)制體制、級(jí)聯(lián)碼，工作于X波段、Ku波段，主要裝備平臺(tái)有U-2、F-16、RC-135、E-8、E-10、E-3等。

傳統(tǒng)無人機(jī)測控系統(tǒng)一般采用定制化軟硬件架構(gòu)，其擴(kuò)展性、通用化差，難以滿足無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。同時(shí)由于帶寬資源有限，傳輸速率難以滿足聯(lián)合作戰(zhàn)的軍事需求。

無人機(jī)測控系統(tǒng)需要不斷提高寬帶傳輸能力，以滿足日益增長的數(shù)據(jù)傳輸需求[6]。此外，由于無人機(jī)作用距離遠(yuǎn)且飛行高度有限，無人機(jī)地面接收天線一般工作于低仰角甚至是負(fù)仰角條件下。由于地面反射，將產(chǎn)生多徑效應(yīng)，不僅導(dǎo)致嚴(yán)重的頻率選擇性衰落，產(chǎn)生符號(hào)間干擾，且高速傳輸符號(hào)間干擾更嚴(yán)重，而且會(huì)影響天線跟蹤精度，甚至跟蹤失敗，導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作[7-9]。本文針對(duì)無人機(jī)地空低仰角傳輸?shù)湫吞卣?，突破高速調(diào)制解調(diào)、高速信道均衡、軟件無線電、集成化設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種基于分布式軟件無線電[10-11]架構(gòu)的全雙工無人機(jī)測控與高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作于微波頻段，采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，具有良好的擴(kuò)展性和可維修性。系統(tǒng)通過靜態(tài)無線試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)，達(dá)到了地空800 Mbit/s高速數(shù)據(jù)傳輸，超越了美軍全球鷹無人機(jī)下行數(shù)據(jù)傳輸速率。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

無人機(jī)測控與高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的系統(tǒng)組成與工作原理如圖1所示，主要包括機(jī)載鏈路設(shè)備和地面鏈路設(shè)備。其中，機(jī)載鏈路設(shè)備包括機(jī)載綜合處理端機(jī)、機(jī)載天線接口單元、機(jī)載定向天線和高清攝像頭；地面鏈路設(shè)備包括車載綜合處理端機(jī)、車載天線接口單元、車載定向天線和監(jiān)控計(jì)算機(jī)。

圖1 系統(tǒng)組成與工作原理示意圖

無人機(jī)測控與高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用頻分多址(Frequency Division Multiple Address，F(xiàn)DMA)接入體制，包含上下行兩條鏈路。

① 上行鏈路。操作員通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)產(chǎn)生鏈路控制指令并發(fā)送給車載綜合處理端機(jī)；車載綜合處理端機(jī)對(duì)控制指令進(jìn)行解析、分發(fā)、組幀、編碼調(diào)制并發(fā)送給車載天線接口單元；車載天線接口完成接收信號(hào)的上變頻、功率放大并通過車載定向天線進(jìn)行無線發(fā)射；機(jī)載定向天線接收上行無線信號(hào)并發(fā)送給機(jī)載天線接口單元；機(jī)載天線接口單元完成接收信號(hào)的低噪聲放大(Low Noise Amplifier，LNA)、濾波等處理后將信號(hào)發(fā)送給機(jī)載綜合處理端機(jī)；機(jī)載綜合處理端機(jī)完成接收信號(hào)的下變頻、濾波、采樣、解調(diào)譯碼、指令解析分發(fā)。

② 下行鏈路。機(jī)載綜合處理端機(jī)接收高清攝像頭采集的視頻圖像信息并完成圖像編碼、組幀、數(shù)字編碼調(diào)制、上變頻等處理，之后將其發(fā)送給機(jī)載天線接口單元；機(jī)載天線接口單元完成接收信號(hào)的功率放大并通過機(jī)載定向天線無線發(fā)射；車載定向天線接收下行無線信號(hào)并發(fā)送給車載天線接口單元；車載天線接口單元完成接收信號(hào)的LNA、濾波、下變頻等處理后將信號(hào)發(fā)送給車載綜合處理端機(jī)；車載綜合處理端機(jī)完成接收信號(hào)的采樣、解調(diào)譯碼、復(fù)分接并將圖像信息發(fā)送給監(jiān)控計(jì)算機(jī)；監(jiān)控計(jì)算機(jī)接收?qǐng)D像信息并行進(jìn)行解碼顯示。

2 關(guān)鍵硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案

2.1 機(jī)載綜合處理端機(jī)

針對(duì)無人機(jī)偵察、探測、通信、中繼、目標(biāo)識(shí)別定位等任務(wù)需求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套基于3U VPX架構(gòu)的機(jī)載綜合處理端機(jī)，如圖2所示。綜合處理端機(jī)按照模塊化、VITA標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行設(shè)計(jì)，符合軟件無線電硬件架構(gòu)要求，主要包含上變頻模塊、下變頻模塊、調(diào)制解調(diào)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、圖像處理模塊、交換模塊和電源模塊，如圖3所示，通過硬件模塊重組可以構(gòu)建滿足不同任務(wù)需求的無人機(jī)機(jī)載端機(jī)。

圖2 機(jī)載綜合處理端機(jī)

圖3 3U VPX 標(biāo)準(zhǔn)模塊

2.2 高速調(diào)制解調(diào)器

基于軟件無線電思想，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于數(shù)字化中頻的高速調(diào)制解調(diào)器[12]。數(shù)字化中頻是指在基帶采用數(shù)字信號(hào)處理方法實(shí)現(xiàn)信號(hào)上下變頻，相比于傳統(tǒng)的零中頻正交調(diào)制解調(diào)器，具有以下優(yōu)點(diǎn)[13]：① 降低模擬電路對(duì)寬帶信號(hào)的性能影響；② I、Q支路具有理想的平衡特性；③ 有效避免了直流偏置、本振泄露；④ 基帶信號(hào)處理全數(shù)字化，利用軟件升級(jí)改進(jìn)。硬件原理框圖如圖4所示。FPGA1作為主處理器控制ADC/DAC，實(shí)現(xiàn)模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換功能；FPGA2作為輔助處理芯片，處理背板I2C和CAN等管理總線，讀取板載電壓、電流、溫度等傳感器信息并實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA1的程序加載功能。

圖4 硬件原理框圖

經(jīng)實(shí)測，對(duì)于800 Mbit/s的寬帶信號(hào)，所設(shè)計(jì)的高速調(diào)制解調(diào)器輸出EVM優(yōu)于7%，ADC SFDR指標(biāo)優(yōu)于55 dBFS。

3 關(guān)鍵軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案

3.1 定時(shí)同步嵌入式軟件

在寬帶數(shù)據(jù)傳輸中，收發(fā)參考時(shí)鐘的差別或漂移將嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作，所以必須對(duì)解調(diào)器輸出進(jìn)行同步抽樣即符號(hào)同步或定時(shí)同步[14]。

受限于FPGA的處理能力，傳統(tǒng)的串行定時(shí)同步方案無法實(shí)現(xiàn)800 Mbit/s信號(hào)的定時(shí)同步，因此本文提出一種8路并行開環(huán)定時(shí)同步嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)方案，如圖5所示。其由數(shù)據(jù)緩沖單元、定時(shí)誤差估計(jì)單元和并行內(nèi)插3個(gè)功能模塊組成。相比于傳統(tǒng)開環(huán)定時(shí)同步方案[15]，本方案收斂速度快，利于高速并行實(shí)現(xiàn)。

圖5 開環(huán)定時(shí)同步實(shí)現(xiàn)框圖

其中，定時(shí)誤差估計(jì)采用由Oerder.M和Meyr.H提出的O&M算法[16]，它是一種數(shù)字濾波平方算法。相比于經(jīng)典Gardner算法[17-18]，O&M算法是一種無偏估計(jì)，并且至少需要4倍采樣。O&M算法描述如下。

假設(shè)匹配濾波后的基帶信號(hào)為rk，表示為

rk=Ik+jQk

(1)

式中：Ik，Qk為基帶信號(hào)的實(shí)部虛部。

對(duì)rk取包絡(luò)平方得到：

(2)

對(duì)xk按每L個(gè)符號(hào)周期進(jìn)行一次DFT運(yùn)算，本文中N=4，L=1024。由此可得到第m段數(shù)據(jù)頻譜上的符號(hào)速率譜分量Xm為

(3)

(4)

那么插值輸出位置mk和插值相對(duì)位置μk可由以下方法得到：

(5)

(6)

8路并行定時(shí)誤差估計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)框圖如圖6所示。8路并行數(shù)據(jù)首先依次取絕對(duì)值的平方；其次按圖示規(guī)則相加得到Xm的實(shí)部和虛部；最后通過反正切函數(shù)求Xm的相角即定時(shí)誤差估計(jì)值。

圖6 8路并行定時(shí)誤差估計(jì)實(shí)現(xiàn)框圖

并行內(nèi)插主要實(shí)現(xiàn)定時(shí)誤差校正，插值算法采用工程實(shí)現(xiàn)簡單的線性插值方法，研究表明，當(dāng)誤碼率為10-6時(shí)，線性內(nèi)插器性能要劣于復(fù)雜的拉格朗日內(nèi)插器0.05 dB[19]，但硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度、硬件資源消耗卻大大降低。

線性內(nèi)插計(jì)算方法如下：

r=(1-μk)r0+μkr1

(7)

式中：r為插值后信號(hào)；r0為前一時(shí)刻接收信號(hào)；r1為當(dāng)前時(shí)刻接收信號(hào)。

3.2 信道均衡嵌入式軟件

800 Mbit/s地空高速數(shù)傳系統(tǒng)由于其信號(hào)帶寬遠(yuǎn)大于信道帶寬，數(shù)據(jù)傳輸過程中將面臨嚴(yán)重的頻率選擇性衰落[20]，產(chǎn)生嚴(yán)重的符號(hào)間干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。因此必須采用信道均衡技術(shù)[21]以消除碼間干擾，信道均衡軟件使接收端的均衡器產(chǎn)生與傳播信道特性相反的沖擊響應(yīng)，以減少或消除信道多徑傳播特性引起的碼間干擾[22]。

為了提高運(yùn)算速度，降低FPGA使用資源并保證均衡性能，本文采用一種時(shí)頻域相結(jié)合的信道均衡方法，該方法的核心思想是在頻域完成信道估計(jì)，在時(shí)域完成信道均衡，相比于傳統(tǒng)的單載波頻域均衡方案，可以減少2個(gè)1024點(diǎn)的快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)和快速傅里葉逆變換(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)運(yùn)算，并且可以靈活調(diào)整并行度，適合高速實(shí)現(xiàn)。4路并行信道均衡軟件實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖7所示，首先，提取獨(dú)特字(UW序列)并進(jìn)行平均濾波；然后對(duì)濾波后的結(jié)果進(jìn)行FFT運(yùn)算，并與已知的UW序列的FFT運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行相除的運(yùn)算，得到頻域的信道響應(yīng)并計(jì)算基于最小二乘(Least Squares，LS)的頻域均衡系數(shù)；最后將頻域均衡系數(shù)通過IFFT變換到時(shí)域并與接收數(shù)據(jù)做卷積運(yùn)算以完成信道均衡處理。

圖7 4路并行信道均衡軟件實(shí)現(xiàn)原理框圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了充分驗(yàn)證系統(tǒng)方案的可行性，本文開展了無線靜態(tài)試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)。

在無線靜態(tài)試驗(yàn)中，將機(jī)載設(shè)備安置于實(shí)驗(yàn)室三樓窗口處，地面測控車停放于距機(jī)載設(shè)備百米處，構(gòu)建典型低仰角通信環(huán)境。設(shè)備開機(jī)后，調(diào)節(jié)機(jī)載設(shè)備發(fā)射功率，通過功率折算，使地面設(shè)備接收信號(hào)電平達(dá)到設(shè)計(jì)要求(作用距離處接收信號(hào)電平)，觀測接收?qǐng)D像質(zhì)量。無線靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，其中圖8(a)為接收信號(hào)頻譜；圖8(b)為接收室內(nèi)視頻圖像截圖。在靜態(tài)嚴(yán)重?zé)o線多徑信道下，本系統(tǒng)在所要求作用距離下，可以實(shí)現(xiàn)視頻圖像的高清無誤碼接收。

圖8 無線靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

在無線飛行試驗(yàn)中，將機(jī)載設(shè)備安置于飛機(jī)艙內(nèi)，地面測控車停放于飛機(jī)起飛跑道百米處，構(gòu)建典型無人機(jī)飛行環(huán)境，設(shè)備開機(jī)后，觀測接收?qǐng)D像質(zhì)量。無線飛行試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，其中圖9(a)為試驗(yàn)飛機(jī)，腹部凸起部分為機(jī)載定向天線；圖9(b)為接收機(jī)艙視頻圖像截圖?？梢钥吹?，在典型飛行環(huán)境下，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)視頻圖像的高清無誤碼接收。

圖9 無線飛行試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語

為滿足無人機(jī)測控系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)傳輸需求，本文基于軟件無線電思想，突破模塊化集成設(shè)計(jì)，高速并行采樣、高速并行信號(hào)處理等工程實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一套無人機(jī)測控與高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過了無線靜態(tài)試驗(yàn)、無線飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了1080P高清圖像的無誤碼無損傳輸。