基于SDR的Link11數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熊航 廖聰慧 杜鴻

摘要：針對(duì)目前Link11數(shù)據(jù)鏈研究?jī)H對(duì)關(guān)鍵技術(shù)做驗(yàn)證，而缺少對(duì)數(shù)據(jù)鏈完整工作流程研究的現(xiàn)狀，文章研發(fā)了一套基于SDR的完整Link11數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)鏈的發(fā)送端和接收端。收發(fā)兩端實(shí)現(xiàn)之后，測(cè)試Link11數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)誤碼性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)完整實(shí)現(xiàn)了Link11數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)，且在基于距離指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)在真實(shí)信道下的誤碼性能較好。

關(guān)鍵詞：Link11數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)；發(fā)送端；接收端；誤碼性能

中圖分類號(hào)：TN919? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

Link11戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)且粭l軍用戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈，主要傳輸實(shí)時(shí)的戰(zhàn)術(shù)信息［1］，其傳輸方式以及調(diào)制方式都是各電子站對(duì)抗單位研究重點(diǎn)。然而由于一套完整的Link11戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)價(jià)格高昂，各電子站系統(tǒng)研發(fā)人員很難獲得，因此研發(fā)一套完整的Link11數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)具有重要價(jià)值。

現(xiàn)存一些文獻(xiàn)利用DSP，F(xiàn)PGA做Link11數(shù)據(jù)鏈的聯(lián)合仿真［2］，或者提出一種融合虛擬機(jī)和QualNet的Link11數(shù)據(jù)鏈半實(shí)物仿真架構(gòu)［3］，或者根據(jù)Link11信號(hào)的持續(xù)時(shí)間和消失時(shí)間特性建立特征樣本庫(kù)研究一種快速檢測(cè)Link11數(shù)據(jù)鏈信號(hào)的方法［4］。但是都只對(duì)Link11數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證和仿真，而缺少真實(shí)信道下的研究。

本文在結(jié)合SDR的基礎(chǔ)上，做了如下的主要工作：

（1）開發(fā)OOT模塊，實(shí)現(xiàn)Link11數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)發(fā)送端，可通過天線發(fā)出Link11信號(hào)。

（2）開發(fā)OOT模塊，實(shí)現(xiàn)Link11數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)接收端，通過天線接收Link11信號(hào)并解調(diào)。

（3）基于距離指標(biāo)測(cè)試系統(tǒng)誤碼率BER。

1 Link11數(shù)據(jù)鏈簡(jiǎn)介

Link11數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)、信道、信號(hào)接收系統(tǒng)和解調(diào)系統(tǒng)等部分［5］，一般使用2250 b/s速率（快速率）傳輸數(shù)據(jù)［6］。Link11信號(hào)幀格式一般包括前導(dǎo)段、相位參考段、起始碼、數(shù)據(jù)段和終止碼［7］。Link11數(shù)據(jù)鏈信號(hào)幀格式，如圖1所示。

前導(dǎo)段是報(bào)文起始的標(biāo)志，其長(zhǎng)度為5段，段周期為13.33 ms［8］；相位參考段由16個(gè)單音頻點(diǎn)組成，其長(zhǎng)度為1段，段周期為13.33 ms；起始碼固定內(nèi)容為8進(jìn)制數(shù)7450604077和5467322342；數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度由發(fā)送消息具體確定，段周期同樣為13.33 ms；終止碼內(nèi)容為8進(jìn)制數(shù)7777777777或0000000000［9］。

2 Link11發(fā)送端

為了利用Gnuradio平臺(tái)測(cè)試Link11數(shù)據(jù)鏈通信實(shí)驗(yàn)，開發(fā)相關(guān)OOT（Out of Tree）模塊Link11 Sender C，數(shù)據(jù)鏈發(fā)送端流程如圖2所示。Link11 Sender C模塊輸出的復(fù)信號(hào)進(jìn)入U(xiǎn)HD：USRP Sink模塊、Sink模塊結(jié)合SDR設(shè)備B210工作，未使用射頻功放，通過天線將信號(hào)發(fā)送到空中信道。

Link11 Sender C模塊復(fù)信號(hào)產(chǎn)生流程如下。

（1）設(shè)置UDP協(xié)議端口號(hào)Updport=8 010，通過UDP接收控制終端消息幀，同時(shí)將消息幀轉(zhuǎn)換為位流。

（2）Link11幀生成。5個(gè)前導(dǎo)段：前導(dǎo)段僅由605 Hz和2 915 Hz兩個(gè)頻率組成，其中605 Hz用于校正多普勒頻移，2 915 Hz用來(lái)同步接收端和發(fā)送端的信號(hào)，在結(jié)尾處會(huì)有180度的相位跳變［10］。前導(dǎo)段內(nèi)第k個(gè)采樣點(diǎn)的波形產(chǎn)生流程為：

s（k）=∑5Nk=03sin（0+2πf0kT）+0.75sin（n-1+2πfn-1kT）（1）

其中N為每個(gè)符號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)，f0=605 Hz，fn-1=2 915 Hz，T為采樣周期。

1個(gè)相位參考段：Link11數(shù)據(jù)鏈所使用16個(gè)單音頻點(diǎn)包括605 Hz，2 915 Hz和935～2 365 Hz的14個(gè)頻率（相鄰頻率相差110 Hz）。相位參考段生成過程中，除605 Hz外，其余15個(gè)頻點(diǎn)提供參考相位用作后續(xù)數(shù)據(jù)段進(jìn)行QPSK調(diào)制的初始相位［11］。

N個(gè)數(shù)據(jù)段：每段數(shù)據(jù)段都由16個(gè)單音頻點(diǎn)組成，其中605 Hz不攜載任何信息，只負(fù)責(zé)校正多普勒頻移的影響，其他15個(gè)單音頻點(diǎn)通過相位改變攜載信息，每個(gè)單音頻點(diǎn)攜帶2 bit信息［12］。由于使用的相位調(diào)制方式為QPSK，因此共有4種相位［225°，315°，135°，45°］，對(duì)應(yīng)二進(jìn)制位［00，10，01，11］。數(shù)據(jù)段段內(nèi)第k個(gè)采樣點(diǎn)的波形產(chǎn)生流程為：

s（k）=∑Nk=02sin［0+2πf0（k+N0）T］+0.25sin［n-1+2πfn-1（k+N0）T］+s′（k）（2）

其中，s′（k）通過式（3）產(chǎn)生：

s′（k）=∑15q=00.25sin［q+2πfq（k+N1）T］（3）

其中，N0=5N，N1=0，N為每個(gè)符號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)，fq為16個(gè)單音頻點(diǎn)的頻率，T為采樣周期。完成各段波形生成之后，按幀格式組成Link11幀。

（3）對(duì)Link11幀執(zhí)行FM調(diào)制，輸出復(fù)信號(hào)。

3 Link11接收端

Link11數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)接收端如圖3所示，UHD：USRP Source模塊結(jié)合SDR設(shè)備B210工作，通過天線接收空中信道的Link11信號(hào)；Quadrature Demod模塊對(duì)收到的Link11信號(hào)執(zhí)行正交解調(diào)；解調(diào)后的信號(hào)輸入Low Pass Filter模塊執(zhí)行低通濾波，截止頻率為6 kHz；最后將低通濾波后的信號(hào)輸入Link11 Receiver D模塊執(zhí)行信號(hào)解調(diào)。

開發(fā)相關(guān)OOT模塊Link11 Receiver D執(zhí)行信號(hào)解調(diào)，解調(diào)流程如下：

（1）根據(jù)多普勒單音頻點(diǎn)605 Hz頻率特性檢測(cè)前導(dǎo)段。

（2）由于2 915 Hz用來(lái)同步接收端和發(fā)送端的信號(hào)［13］，因此檢測(cè)到一個(gè)前導(dǎo)段之后，根據(jù)2 915 Hz頻率特性檢測(cè)段同步點(diǎn)［14］，即段起始點(diǎn)。

（3）完成前導(dǎo)段和同步點(diǎn)檢測(cè)之后，生成16個(gè)單音的標(biāo)準(zhǔn)參考載波，計(jì)算參考載波與當(dāng)前信號(hào)段載波的相位差，根據(jù)相位差輸出二進(jìn)制位。4種相位［225°，315°，135°，45°］對(duì)應(yīng)二進(jìn)制位［00，10，01，11］。

（4）根據(jù)產(chǎn)生的二進(jìn)制位流進(jìn)行文本符號(hào)解析，解析出的消息通過UDP發(fā)送到控制終端［15］。

為驗(yàn)證Link11數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)發(fā)送端以及接收端算法的可靠性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多次通信實(shí)驗(yàn)。誤碼率BER是衡量系統(tǒng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸精確性的指標(biāo)。因此在通信系統(tǒng)中，一般用BER評(píng)價(jià)接收端信號(hào)質(zhì)量。在實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)送端發(fā)送固定消息，調(diào)整收發(fā)兩端天線的距離0～50 m，步進(jìn)5 m，每個(gè)點(diǎn)位接收端通信時(shí)間設(shè)為30 s。對(duì)比收發(fā)兩端的信息得到誤碼率BER。

如圖4所示為L(zhǎng)ink1數(shù)據(jù)系統(tǒng)的整體性能距離BER曲線，當(dāng)收發(fā)兩端天線距離增加時(shí)，系統(tǒng)的誤碼率上升；但在此距離范圍內(nèi)，系統(tǒng)的誤碼率總體小于1.7e-3，完全滿足Link11數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的指標(biāo)要求，這也間接驗(yàn)證了發(fā)送端和接收端算法的可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研發(fā)了一套基于SDR的完整Link11數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)鏈的發(fā)送端和接收端。發(fā)送端通過UDP讀取控制終端消息，然后再執(zhí)行QPSK調(diào)制和FM調(diào)制，最后通過天線發(fā)出；接收端通過天線接收信號(hào)，再執(zhí)行正交解調(diào)、低通濾波、前導(dǎo)段檢測(cè)、同步點(diǎn)檢測(cè)以及相位差計(jì)算和文本符號(hào)解析，最后通過UDP發(fā)送消息到控制終端。同時(shí)，對(duì)比收發(fā)端的消息，測(cè)量出系統(tǒng)的BER。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方案完整實(shí)現(xiàn)了基于SDR的Link11數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，其性能指標(biāo)也滿足要求。

由于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案比較簡(jiǎn)潔，因此可移植性較高。同時(shí)僅需要兩塊B210射頻板就能完成短距離信號(hào)的收發(fā)，因此實(shí)現(xiàn)成本低?？蓱?yīng)用于各電子戰(zhàn)對(duì)抗單位的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也可進(jìn)一步研究應(yīng)用于民用通信系統(tǒng)。

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（編輯 沈 強(qiáng)）

Design of Link11 data link system based on SDR

Xiong? Hang， Liao? Conghui， Du? Hong

（Chengdu University of Information Technology， Chengdu 610225， China）

Abstract： In view of the fact that the current Link11 datalink research only verifies key technologies and lacks the status quo of the complete workflow of the datalink， this paper develops a complete Link11 datalink system based on SDR， including the sending and receiving ends of the datalink. After the implementation of both ends of the transceiver， the error performance of the Link11 data link system is tested. Experimental results show that the Link11 data link communication system is fully implemented in this system， and in the experiment based on the distance index， the system has better error performance under the real channel.

Key words： Link11 data link system; sender; receiving end; bit error performance