基于軟件無線電的數(shù)據(jù)鏈輪詢協(xié)議實踐教學(xué)

竇高奇 付天暉 徐丹

［摘 要］ 在海軍工程大學(xué)“學(xué)科建設(shè)提質(zhì)計劃”背景下，在“數(shù)據(jù)鏈通信原理與技術(shù)”教學(xué)中，實現(xiàn)理論與實踐結(jié)合，基于LINK-11數(shù)據(jù)鏈，實現(xiàn)了對信號的編碼、調(diào)制、發(fā)送和接收。從理論、硬件、軟件等方面論述了在教學(xué)中實現(xiàn)Link-11數(shù)據(jù)鏈通信的方法，克服了以往“數(shù)據(jù)鏈通信原理與技術(shù)”課程重理論、輕實踐的弊端，提高了學(xué)生的實踐能力和任職能力，對數(shù)據(jù)鏈的應(yīng)用及教學(xué)具有特殊意義。

［關(guān)鍵詞］ 通信Link-11；數(shù)據(jù)鏈；通信；教學(xué)；實踐

［基金項目］ 2021年度海軍工程大學(xué)學(xué)科建設(shè)理論研究課題“新時代軍隊院校特色學(xué)科建設(shè)發(fā)展研究——以信息與通信工程學(xué)科為例”（XK2021002）

［作者簡介］ 竇高奇（1981—），男，山西長治人，博士，海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，主要從事差錯控制編碼和數(shù)字通信信號處理研究；付天暉（1981—），男，黑龍江大慶人，博士，海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院副教授（通信作者），主要從事數(shù)字通信與通信抗干擾技術(shù)研究；徐 丹（1982—），女，浙江余姚人，博士，海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院講師，主要從事數(shù)據(jù)鏈波形傳輸技術(shù)研究。

［中圖分類號］ G642.3［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）20-0098-04［收稿日期］ 2022-05-27

引言

在海軍工程大學(xué)數(shù)據(jù)鏈專業(yè)本科生的高年級培育階段，由于綜合應(yīng)用了硬件、軟件系統(tǒng)，強調(diào)專業(yè)知識與社會前沿硬件開發(fā)技術(shù)相結(jié)合，理論知識點多，覆蓋學(xué)科面廣，學(xué)生要熟練掌握應(yīng)用有較大難度，學(xué)習(xí)時感覺內(nèi)容枯燥乏味，實踐無從下手，實踐教學(xué)效果不太理想，綜合能力較弱的學(xué)生對此課程興趣不大。為了培育學(xué)生架構(gòu)數(shù)據(jù)鏈通信的能力及對Link-11數(shù)據(jù)鏈（11號戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈）的了解和分析能力，數(shù)據(jù)鏈專業(yè)的學(xué)生必須開設(shè)一門“數(shù)據(jù)鏈通信原理與技術(shù)”的教學(xué)及實踐課程?；谕ㄐ畔到y(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用實踐課程的開設(shè)，將使數(shù)據(jù)鏈專業(yè)學(xué)生的數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用能力有較大提高。

數(shù)據(jù)鏈原理與技術(shù)涉及通信原理、計算機網(wǎng)絡(luò)及數(shù)字通信等學(xué)科內(nèi)容及數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)應(yīng)用，實踐課程涉及基本原理與典型應(yīng)用結(jié)合的綜合驗證，同時需要學(xué)生熟練掌握MATLAB、C語言等軟件編程和硬件平臺操作，對學(xué)生動手能力要求高，教師實踐環(huán)節(jié)設(shè)計難度大。我校目前配備的無線電平臺，內(nèi)部自帶了Ubuntu操作系統(tǒng)，可以連接外部設(shè)備對其進行操作，同時可以通過MATLAB生成Link-11數(shù)據(jù)并進行信號捕獲、頻率估計、幀同步和差分解調(diào)譯碼。每個學(xué)生使用一臺一體機設(shè)備即可完全仿真Link-11數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收過程。基于上述硬件設(shè)施，我校具備扎實開展數(shù)據(jù)鏈輪詢協(xié)議實踐教學(xué)，提高學(xué)生專業(yè)水平的條件。

Link-11是一種具有保密功能的數(shù)據(jù)鏈，主要是供艦艇之間、艦岸之間、艦空之間和空岸之間實現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)交換的重要數(shù)據(jù)鏈，在未來的一段時間里都會發(fā)揮重要的作用［1］。因此，經(jīng)過再三考慮，在“數(shù)據(jù)鏈通信原理與技術(shù)”教學(xué)實踐課中引入Link-11數(shù)據(jù)鏈，讓學(xué)生了解其特點、使用方法、應(yīng)用領(lǐng)域、應(yīng)用技巧及網(wǎng)絡(luò)配置技術(shù)等，使學(xué)生通過對LINK-11數(shù)據(jù)鏈通信的了解和使用，了解數(shù)據(jù)鏈在通信系統(tǒng)中的作用及建立數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的技巧等。

一、LINK-11數(shù)據(jù)鏈的特點與功能

Link-11是20世紀60年代開始研發(fā)的一種低速戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈并于70年代在美國海軍開始服役［2］。Link-11數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)組成主要包括計算機、保密設(shè)備、數(shù)據(jù)終端、射頻電臺等。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的射頻電臺有短波電臺（2M～30M）和超短波電臺（225M～400M）兩類，短波電臺采用SSB調(diào)制，超短波電臺采用FM調(diào)制。Link-11采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和標準報文格式，工作在HF頻段時，使用SSB或抑制載波AM調(diào)制，可覆蓋300海里；工作在UHF頻段時，使用FM調(diào)制，提供艦對空150海里，艦對艦25海里。Link-11數(shù)據(jù)鏈支持空中艦船和水下跟蹤數(shù)據(jù)、電子戰(zhàn)數(shù)據(jù)和指揮控制單元之間的有限指揮數(shù)據(jù)的交換［3］。

Link-11作為地空數(shù)據(jù)鏈和空空數(shù)據(jù)鏈廣泛應(yīng)用于軍事通信領(lǐng)域的指揮作戰(zhàn)體系中，是情報傳輸系統(tǒng)的重要手段和工具。其誕生對北約數(shù)據(jù)鏈的研發(fā)具有相當(dāng)重要的意義，在已服役的數(shù)據(jù)鏈中應(yīng)用范圍廣泛、裝備規(guī)模很大［4］。

二、基于Link-11的數(shù)據(jù)鏈通信教學(xué)實驗課

我校實驗室目前已配備了無線電平臺，內(nèi)部自帶了Ubuntu操作系統(tǒng)，可以連接外設(shè)對其進行操作，并可以通過MATLAB生成Link-11數(shù)據(jù)波形。在教學(xué)過程中，學(xué)生要熟悉硬件平臺的使用和操作，掌握硬件平臺（包括無線電硬件平臺、顯示器、鍵盤、鼠標與硬盤）的正確連接和開機操作；熟悉軟件界面的使用，了解Link-11數(shù)據(jù)鏈多站點組網(wǎng)方式，通過軟件無線電平臺模擬的多站點進行組網(wǎng)和點名呼叫實驗，了解Link-11對發(fā)送波形的編碼、并行子載波調(diào)制方式，了解發(fā)送信號的幀結(jié)構(gòu)組成和功能及并行多音體制，了解Link-11接收端的同步捕獲、幀同步、差分解調(diào)、譯碼的過程和基本原理，加深對Link-11輪詢協(xié)議原理的理解。

（一）教學(xué)實驗原理

采用理論與實驗相結(jié)合的方式對學(xué)生進行教學(xué)。首先向?qū)W生講解數(shù)據(jù)鏈通信的原理，然后進行分步實驗教學(xué)。學(xué)生在實驗前需了解數(shù)據(jù)發(fā)送原理、數(shù)據(jù)接收原理等主要數(shù)據(jù)鏈通信原理。

1.數(shù)據(jù)發(fā)送原理。根據(jù)數(shù)字通信系統(tǒng)模型，需要在發(fā)送端對數(shù)據(jù)進行編碼、調(diào)制，并基于此設(shè)計編碼、調(diào)制教學(xué)實驗。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)同步，所以數(shù)據(jù)被分為若干幀進行發(fā)送。Link-11信號就是將16個子載波搬移到不同頻譜的疊加信號即頻分復(fù)用信號。

在Link-11系統(tǒng)中，16個單音頻率為605，2915， 935，1045，1155，1265，1375，1485，1595，1705，1815，

1925，2035，2145，2255，2365，頻率單位為Hz［5］。其中605 Hz用于多普勒頻移校正，2 915 Hz用于同步或傳遞數(shù)據(jù)信息，其他14個頻率用于傳遞數(shù)據(jù)信息。

15個數(shù)據(jù)子載波單音每個攜帶2比特，共攜帶30比特［6］。前導(dǎo)碼中，605 Hz的功率是2 915 Hz的4倍；非前導(dǎo)碼中，605 Hz單音的功率是其他每個單音的4倍，其他單音功率相等；前導(dǎo)碼605 Hz的功率是非前導(dǎo)碼605 Hz功率的4倍。

Link-11幀格式包括前導(dǎo)碼、相位參考幀、控制碼、數(shù)據(jù)消息等［7］。從相位參考幀開始，每一幀都包含16個單音子載波信號，其中605 Hz依舊用于為接收端校正多普勒頻移。其他15個單音為控制碼的第一幀提供參考相位。從相位參考幀開始，前一幀為后一幀提供參考相位?？刂拼a分為起始碼、前哨終止碼、控制終止碼和地址碼［8］。終止碼位于數(shù)據(jù)幀之后，前哨站終止碼固定為全1，控制站終止碼固定為全0。數(shù)據(jù)消息是發(fā)送報文中包含信息的部分，由若干數(shù)量的幀組成，每一幀包含24比特，漢明編碼之后30比特的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)消息須緊跟在起始碼之后。

2.數(shù)據(jù)接收原理。Link-11接收是發(fā)送的逆過程，但增加了信號檢測、同步、多普勒頻偏校正模塊［9］。接收端的解調(diào)流程中突發(fā)信號檢測、同步、多普勒頻移校正是關(guān)鍵。

因為數(shù)據(jù)幀總長為幀長×81，所以以幀長×81為判定條件，當(dāng)選出的locs大于幀長×81則說明是從整個報文數(shù)據(jù)的后面開始接收數(shù)據(jù)的，所以向前取幀長×76的到數(shù)據(jù)幀；否則向后取幀長×76。得到數(shù)據(jù)幀之后，對其進行解調(diào)解碼操作，即恢復(fù)了原信號。

（二）教學(xué)實驗過程

學(xué)校對參課學(xué)生制定明確的實驗要求，具體步驟如下：基于發(fā)送端的MATLAB代碼，對要發(fā)送的英文文本“hello”，進行ASCII碼變換，之后對其進行編碼和調(diào)制，最后進行Hilbert變換，形成最終的發(fā)送信號。

學(xué)生接收來自發(fā)射端的帶有“hello”信息的信號，按步驟進行MATLAB代碼的運行?；诮邮斩说腗ATLAB代碼，對接收到的信號進行信號檢測、同步、多普勒頻偏校正等系列操作。通過MATLAB界面觀察每一個步驟的數(shù)據(jù)輸出，實例化地了解每一個流程的原理。學(xué)生的規(guī)范操作步驟如下。

1.用MATLAB打開文件夾內(nèi)的JointTestTx.m文件，對發(fā)送端的參數(shù)進行賦值。

2.獲取要輸入的英文字符，并對其進行ASCII碼變換，把ASCII碼整合成行矩陣，再將得到的char型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成num型數(shù)據(jù)。得到“hello”的ASCII碼矩陣，第一行代表字符“h”，以此類推。

3.將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成行矩陣，每7個比特為一組，分別代表“h”“e”“l(fā)”“l(fā)”“o”。將數(shù)據(jù)位擴展到規(guī)定長度，滿足數(shù)據(jù)幀的要求。學(xué)生輸入的“hello”轉(zhuǎn)換成二進制字符串長度為35，則將其余位全部補零。生成編碼調(diào)制之后的信號序列tx_signal，其大小為1×88 371。報文數(shù)據(jù)總大小為88 371=81×1 091，其中有5個導(dǎo)頻，每個分幀大小為1 091。

4.得到經(jīng)過漢明碼編碼后的數(shù)據(jù)序列Origin_Bits，大小為69×30。前導(dǎo)碼共有5幀，只含有兩個單音，605 Hz和2 915 Hz，605 Hz不調(diào)制，2 915 Hz采用BPSK調(diào)制。相位參考幀，共1幀，為控制碼的第一幀提供參考相位，含有16個單音，605 Hz不調(diào)制，其他單音分別采用QPSK調(diào)制。起始碼固定為（7450604077）8（5467322342）8。

5.得到發(fā)送信號tx_signal。

在接收端，首先進行接收端參數(shù)賦值，為了能夠成功解調(diào)解碼發(fā)送端的Link-11信號，接收端的參數(shù)配置應(yīng)該與發(fā)送端保持一致。對接收到的信號通過信號檢測、同步、差分解調(diào)和譯碼等過程，當(dāng)終止碼正確解碼時，依據(jù)ASCII將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成字符串，結(jié)果為message_recv=“hello”，有效地接收到“hello”字符串。綜合上述實驗步驟，學(xué)生能夠完整地進行數(shù)據(jù)鏈輪詢協(xié)議實驗中的數(shù)據(jù)發(fā)送過程和數(shù)據(jù)接收過程。

三、課程總結(jié)與展望

（一）課程總結(jié)

本文基于Link-11數(shù)據(jù)鏈，實現(xiàn)了信號波形的發(fā)送和接收仿真實驗。在教學(xué)中有效地解決了以下問題：（1）利用MATLAB產(chǎn)生獨立同分布隨機信息序列，完成信息比特偶校驗編碼及漢明編碼；完成π/4QPSK調(diào)制信號生成；（2）通過查表生成方式完成16路多音并行子載波調(diào)制的生成；（3）完成前導(dǎo)碼、相位參考幀、數(shù)據(jù)消息碼及終止碼的生成過程，完成網(wǎng)控站呼叫報文（IM）、網(wǎng)控站報告報文（IWM）及前哨站應(yīng)答報文（PRM）波形生成；（4）通過findpeaks后找到準確的前導(dǎo)的位置，實現(xiàn)幀同步；（5）通過π/4DQPSK調(diào)制生成符合Link-11協(xié)議的碼完成收發(fā)認證。

（二）展望

基于發(fā)送端的MATLAB代碼，對于要發(fā)送的英文文本經(jīng)過ASCII轉(zhuǎn)換后進行調(diào)制、編碼，最后進行Hilbert變換，形成最終的發(fā)送信號。在接收端，對接收到的信號，基于MATLAB代碼，進行一系列操作，恢復(fù)為英文文本。在發(fā)送和接收過程中，通過MATLAB界面觀察每一個步驟的數(shù)據(jù)輸出，實例化地了解每一個流程的原理。

課堂教學(xué)環(huán)節(jié)主要采用實驗的教學(xué)模式，利用典型Link-11數(shù)據(jù)鏈，通過理論講授和親身實踐兩種教學(xué)模式，突破教學(xué)過程中的重點和難點問題，為學(xué)生提供系統(tǒng)、完備的理論知識支撐，并使實踐性教學(xué)成為既是加深對數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)原理及波形傳輸理解的實驗環(huán)節(jié)，又是學(xué)生綜合素質(zhì)、特別是技術(shù)創(chuàng)新能力培養(yǎng)的一種重要手段，從而循序漸進地提升學(xué)生崗位任職能力。

學(xué)生通過軟件修改及完善，激發(fā)對數(shù)據(jù)鏈課程的學(xué)習(xí)興趣，加深對數(shù)據(jù)鏈輪詢理論與工作原理的認識，提升實踐教學(xué)效果。

實驗教學(xué)在鞏固知識和培養(yǎng)能力方面有著特殊的地位。本文以數(shù)據(jù)鏈輪詢原理實驗教學(xué)為研究和實踐載體，分析了實驗教學(xué)的重要作用及傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在的問題。實踐表明，實驗教學(xué)可提高學(xué)生的參與度，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的教育理念，還實現(xiàn)了實驗教學(xué)效益的顯著提升。實踐中的經(jīng)驗可為其他課程實驗教學(xué)提供借鑒參考。

數(shù)據(jù)鏈輪詢協(xié)議實驗是“數(shù)據(jù)鏈通信原理與技術(shù)”課程的重要實驗內(nèi)容之一，單一的教學(xué)模式無法滿足日益提高的教學(xué)要求，本文對數(shù)據(jù)鏈輪詢實驗的教學(xué)模式的探索具有前瞻性，此教學(xué)模式能夠充分發(fā)揮專業(yè)優(yōu)勢，培養(yǎng)新時代、新工科背景下的工作者，為社會輸送高質(zhì)量的人才；同時，該模式的建立可供其他高校相關(guān)專業(yè)課程借鑒。

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Practical Teaching of Data Link Polling Protocol Based on Software Radio

DOU Gao-qi， FU Tian-hui， XU Dan

（School of Electronic Engineering， Naval University of Engineering， Wuhan， Hubei 430033， China）

Abstract： Under the background of “Quality Improvement Plan for Discipline construction”， for the “data chain communication principle and technology” course， the hybrid teaching combining theory and practice is carried out. Based on Link-ll， the encoding， modulation， transmission and reception of signals are completed. The method is analyzed from the aspects of the implementation principle of the data chain polling system， software design and hardware demonstration， and the drawbacks of emphasizing theory and light practice in the past teaching are avoided. It improves studentspractical ability and required competency and it is of great significance for the application and teaching of data links.

Key words： communication Link-11; data link; signal communication; teaching; practice