數(shù)據(jù)鏈信號(hào)生成方法研究

鄭建鋒,施健康,戴歐志雄,蒯文琴,梁婷婷,王子恒

(北京無線電計(jì)量測試研究所,北京 100039)

0 引言

數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)敲儡姵Ｓ玫募赏ㄐ?、指揮、控制、情報(bào)、監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)和偵察等功能的信息鏈路。其主要作用是鏈接數(shù)字化戰(zhàn)場的指揮中心、參戰(zhàn)部隊(duì)和武器平臺(tái),并按規(guī)定的消息格式和通信協(xié)議,將作戰(zhàn)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸、交換、分發(fā)和處理[1]。美軍自冷戰(zhàn)初期啟動(dòng)數(shù)據(jù)鏈研發(fā)工作,迄今已經(jīng)擁有四十多種數(shù)據(jù)鏈體系。其中,常見的是Link-16 和Link-22[2,3]。目前,國內(nèi)在美軍數(shù)據(jù)鏈方面的研究主要集中在識(shí)別和干擾兩方面,而在模擬生成方面有所欠缺。針對這種現(xiàn)狀,綜合考慮硬件成本和算法復(fù)雜度,完成了數(shù)據(jù)鏈信號(hào)生成系統(tǒng)的構(gòu)建。

1 跳頻擴(kuò)頻原理

用擴(kuò)頻序列對載波頻率進(jìn)行頻移鍵控調(diào)制,使其在一定頻率范圍內(nèi)不斷變化,以降低干擾和避免截獲,這種技術(shù)就是跳頻[4]。跳頻系統(tǒng)主要包括跳頻序列發(fā)生器、頻率合成器、跳頻同步器和跳頻頻率表等組成部分。跳頻發(fā)射機(jī)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。跳頻有慢跳頻和快跳頻兩種技術(shù)。應(yīng)用慢跳技術(shù),一次跳變可以傳輸單個(gè)比特或多個(gè)比特的信號(hào)數(shù)據(jù),因此,可以對信號(hào)進(jìn)行相干檢測。而使用快跳技術(shù),需要多次頻率跳變才能完成一個(gè)比特?cái)?shù)據(jù)的傳輸,很難用于信號(hào)相干檢測。考慮到相干檢測的優(yōu)越性,快跳技術(shù)較少使用。跳頻技術(shù)的應(yīng)用,首先讓敵方針對特定頻率的瞄準(zhǔn)式干擾難以實(shí)現(xiàn);其次,增大信號(hào)帶寬導(dǎo)致敵方無法在大帶寬范圍內(nèi)施加高功率噪聲干擾。這在一定程度上增強(qiáng)了數(shù)據(jù)鏈信號(hào)的抗干擾能力。

圖1 跳頻系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram for frequency hopping system

2 直接序列擴(kuò)頻原理

直接序列擴(kuò)頻是用一些高碼率的擴(kuò)展碼序列在發(fā)送端對信號(hào)的頻譜進(jìn)行擴(kuò)展。直接序列擴(kuò)頻不僅能夠降低干擾,還能夠增加系統(tǒng)的用戶容量。由于直擴(kuò)系統(tǒng)具有很寬的射頻帶寬,因此,某一部分的頻譜衰落不會(huì)導(dǎo)致頻譜整體的衰落。在電波傳輸過程中,多徑干擾導(dǎo)致信號(hào)失真、碼間串?dāng)_和信噪比下降,直擴(kuò)系統(tǒng)卻可以利用這些干擾增強(qiáng)自身系統(tǒng)的性能。在信號(hào)總功率一定的前提下,頻譜擴(kuò)展導(dǎo)致信號(hào)的功率譜密度降低,信號(hào)甚至可以隱藏在白噪聲之中,非合作方很難發(fā)現(xiàn)信號(hào)的存在,難以截獲有價(jià)值的信息。并且較低的能量密度也不會(huì)對其它設(shè)備形成強(qiáng)干擾。典型的擴(kuò)頻系統(tǒng)應(yīng)包括編碼器、頻率合成器和偽碼發(fā)生器,系統(tǒng)采用對載波進(jìn)行相移鍵控進(jìn)行調(diào)制。擴(kuò)頻序列的選取十分重要,并且與碼分多址技術(shù)關(guān)系密切,常用的擴(kuò)展碼包括m 序列碼、RS 碼和CCSK 碼等偽隨機(jī)序列[5,6]。調(diào)頻與直接序列擴(kuò)頻組成的混合式擴(kuò)頻系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram for DSS system

3 幅相調(diào)制技術(shù)

以數(shù)字信號(hào)調(diào)制載波,該載波的幅度、頻率或相位等參數(shù)受數(shù)字信號(hào)調(diào)制而呈現(xiàn)離散狀態(tài)變化,這種調(diào)制稱為數(shù)字調(diào)制。數(shù)據(jù)鏈信號(hào)是用MSK、8PSK、16QAM 和64QAM 等數(shù)字技術(shù)對擴(kuò)頻碼進(jìn)行調(diào)制。MSK 在一個(gè)碼元期間,信號(hào)的相位差嚴(yán)格地等于180°,以此保證在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻相位是連續(xù)的。在8PSK 調(diào)制方式中,由于載波相位與調(diào)制信號(hào)相位的變化一致,因此初相的選取不同,調(diào)制的結(jié)果也不同。QAM 調(diào)制是將載波的幅度和相位同時(shí)調(diào)制,以此保證每個(gè)信號(hào)矢量可以表示較多的信息比特;并且通過更合理地安排矢量端點(diǎn),可使它們之間盡可能保持最大距離。16QAM 調(diào)制是將4個(gè)連續(xù)的二進(jìn)制比特位合并成一個(gè)復(fù)值數(shù)據(jù)符號(hào);64QAM 調(diào)制是將6 個(gè)連續(xù)的二進(jìn)制比特位合并成一個(gè)復(fù)值數(shù)據(jù)符號(hào)[7]。復(fù)值數(shù)據(jù)符號(hào)具有不同幅度和相位,在笛卡爾坐標(biāo)系中形成不同的相位星座圖。合理應(yīng)用調(diào)制技術(shù)可以達(dá)到頻譜資源利用率高、誤碼性能好、包絡(luò)穩(wěn)定和容易解調(diào)的目的[8]。

4 數(shù)據(jù)鏈信號(hào)的時(shí)頻特性

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)將每天等分為112 份,每一份約為12.8 min,稱為一個(gè)時(shí)元。每個(gè)時(shí)元又被分為64 等份,每份長度為12 s,稱為一個(gè)時(shí)幀。每一個(gè)時(shí)幀再被1 536 等分,每一份長度為7.812 5 ms,稱為一個(gè)時(shí)隙。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的不同用戶獲得一定的時(shí)隙用于發(fā)送或接收信號(hào)。Link-16 系統(tǒng)工作在Lx 波段,Link-22 系統(tǒng)工作在HF 和UHF 波段。兩類數(shù)據(jù)鏈信號(hào)的脈沖寬度均為6.4 μs,脈沖周期均為13 μs。Link-16 信號(hào)脈內(nèi)以MSK 信號(hào)調(diào)制CCSK 隨機(jī)序列,頻率跳變間隔為3 MHz,頻譜共有三段,總帶寬為217 MHz。Link-22 信號(hào)有三種形態(tài),分別是以8PSK/16QAM/64QAM 信號(hào)調(diào)制偽隨機(jī)序列,頻率跳變間隔為3 MHz,頻譜共有兩段,總帶寬為385 MHz[9-11]。

5 數(shù)據(jù)鏈信號(hào)的生成方法

對Link-16 信號(hào)而言,擴(kuò)頻采用CCSK 編碼。CCSK 的基碼為32'h7CE90AEC,每一個(gè)時(shí)鐘周期的上升沿到來之時(shí),編碼將循環(huán)左移一次。8PSK 信號(hào)的二進(jìn)制編碼與復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)符號(hào)具有對應(yīng)關(guān)系。將產(chǎn)生的8PSK 信號(hào)數(shù)據(jù)導(dǎo)入分析軟件,得到的相位星座圖如圖3 所示。

圖3 8PSK 信號(hào)的相位星座圖Fig.3 Phase constellation diagram of 8PSK signal

16QAM 信號(hào)的二進(jìn)制編碼與復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)符號(hào)也具有對應(yīng)關(guān)系。將產(chǎn)生的16QAM 信號(hào)數(shù)據(jù)導(dǎo)入分析軟件,得到的相位星座圖如圖4 所示。

圖4 16QAM 信號(hào)的相位星座圖Fig.4 Phase constellation diagram of 16QAM signal

64QAM 信號(hào)的編碼規(guī)則為一個(gè)6 位的二進(jìn)制數(shù),高三位對應(yīng)復(fù)數(shù)符號(hào)的實(shí)部,低三位對應(yīng)復(fù)數(shù)符號(hào)的虛部。64QAM 信號(hào)的編碼狀態(tài)多達(dá)64 種,將產(chǎn)生的64QAM 信號(hào)數(shù)據(jù)導(dǎo)入分析軟件,得到相位星座圖如圖5 所示。

圖5 64QAM 信號(hào)的相位星座圖Fig.5 Phase constellation diagram of 64QAM signal

數(shù)據(jù)鏈信號(hào)由硬件描述語言編程產(chǎn)生,將硬件仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析軟件,得到信號(hào)的時(shí)域圖和頻域圖如圖6 至圖8 所示。顯示了數(shù)據(jù)分析軟件對數(shù)據(jù)的分析結(jié)果。數(shù)據(jù)鏈信號(hào)在時(shí)域表現(xiàn)為脈沖狀;頻域表現(xiàn)為非均勻的多段頻譜,其中Link-16 信號(hào)的頻譜分為三段,Link-22 信號(hào)的頻譜分為兩段。

圖6 數(shù)據(jù)鏈信號(hào)的時(shí)域圖Fig.6 Time domain waveform of data-link signal

圖7 Link-16 數(shù)據(jù)鏈信號(hào)頻譜圖Fig.7 Spectrum of link-16 signal

圖8 Link-22 數(shù)據(jù)鏈信號(hào)頻譜圖Fig.8 Spectrum of link-22 signal

6 功能測試及分析

為了測試數(shù)據(jù)鏈信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)的實(shí)際功能,搭建了一個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)。選用的儀器分別為安捷倫DSO-X96204Q 型示波器以及羅德施瓦茨FSUP 型頻譜儀。其中示波器可檢測信號(hào)的頻率范圍為0～62 GHz,最高采樣率為160 GSps;頻譜儀可檢測信號(hào)的頻率范圍為20 Hz～50 GHz。兩臺(tái)儀器可以勝任本次測試任務(wù)。

信號(hào)的脈沖寬度為6.4 μs 如圖9 所示,信號(hào)的脈沖重復(fù)間隔為6.6 μs 如圖10 所示。兩圖表明系統(tǒng)可以生成具有正確時(shí)域特征的信號(hào)。

圖9 數(shù)據(jù)鏈信號(hào)的脈沖寬度圖Fig.9 Pulse width of data-link signal

圖10 數(shù)據(jù)鏈信號(hào)的脈沖重復(fù)間隔圖Fig.10 PRI of data-link signal

Link-16 信號(hào)的頻譜測試圖如圖11 所示,頻譜從左到右分為三段,帶寬分別為39 MHz、12 MHz 和73 MHz,信號(hào)總帶寬為217 MHz。

圖11 Link-16 數(shù)據(jù)鏈信號(hào)的頻譜圖Fig.11 Spectrum of link-16 signal

Link-22 信號(hào)脈內(nèi)PN 碼被8PSK、16QAM 和64QAM 信號(hào)調(diào)制的結(jié)果,如圖12 至圖14。結(jié)果表明隨機(jī)信號(hào)被三種信號(hào)調(diào)制之后,具有不同的脈內(nèi)特征。

圖12 8PSK-Link-22 數(shù)據(jù)鏈信號(hào)脈內(nèi)細(xì)節(jié)圖Fig.12 Pulse details of 8PSK-link-22 signal

圖13 16QAM-Link-22 數(shù)據(jù)鏈信號(hào)脈內(nèi)細(xì)節(jié)圖Fig.13 Pulse details of 16QAM-link-22 signal

圖14 64QAM-Link-22 數(shù)據(jù)鏈信號(hào)脈內(nèi)細(xì)節(jié)圖Fig.14 Pulse details of 64QAM-link-22 signal

脈內(nèi)調(diào)制信號(hào)為8PSK、16QAM 和64QAM 時(shí),Link-22 信號(hào)的頻譜特征如圖15 至圖17 所示。頻譜從左到右共有兩段,信號(hào)總帶寬為385 MHz。頻譜中細(xì)齒狀特征正是隨機(jī)調(diào)制的結(jié)果體現(xiàn)。

圖15 8PSK-Link-22 數(shù)據(jù)鏈信號(hào)頻譜圖Fig.15 Spectrum of 8PSK-Link-22 signal

圖16 16QAM-Link-22 數(shù)據(jù)鏈信號(hào)頻譜圖Fig.16 Spectrum of 16QAM-Link-22 signal

圖17 64QAM-Link-22 數(shù)據(jù)鏈信號(hào)頻譜圖Fig.17 Spectrum of 64QAM-Link-22 signal

7 結(jié)束語

數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)敲儡姷脑谝巯到y(tǒng),不少關(guān)鍵技術(shù)尚處保密狀態(tài)。在研究偽隨機(jī)碼軟擴(kuò)頻、跳頻通信和幅相調(diào)制等技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出了四種數(shù)據(jù)鏈信號(hào)的生成方法。并通過實(shí)測分析了它們的時(shí)域和頻域特征。結(jié)果表明,生成方法是能夠?qū)崿F(xiàn)的。但是,依靠這些技術(shù)生成的信號(hào)還僅僅是數(shù)據(jù)鏈信號(hào)的一種逼近,在隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生、跳頻圖案設(shè)計(jì)和信號(hào)干擾和信號(hào)檢測等方面還可以進(jìn)行深入研究。