小型化低成本單向彈載數據鏈設計*

楊道錕,盧艷玲,王振領,賈 碩,趙 娟,陳軍科,謝舒吉

(西安現代控制技術研究所, 西安 710065)

0 引言

數據鏈作為智能化彈藥通信的關鍵技術,能夠在低延時的情況下將彈藥的狀態信息下傳至地面指揮控制系統，也可以將地面指揮控制系統的實時指令上傳至彈藥信息系統中。單兵式彈藥不同于飛行器、導彈等武器系統,其構成簡單、結構緊湊、重量輕、體積小、使用方便、成本低廉等特點，限制了以往數據鏈系統的應用。因此需要設計一種可滿足小型化、低成本、使用簡單的數據鏈產品。

文中基于以上原因進行單兵小型化、低成本數據鏈軟硬件設計。該數據鏈系統采用單片機+FPGA+AD9361(寬帶收發器)架構設計,是一種集成度高、擴展性好、低功耗、小體積的單向數據鏈系統。

1 方案選擇

單兵式武器系統一般射程較近,作戰任務簡單,操作指令簡單,且系統的體積和重量受到作戰方式嚴格的限制,需要采用集成度高、功耗低、成本低的單向數據鏈方案。

單兵式數據鏈彈載端的體積、功耗限制最大,因此考慮接收機方案在低成本、低功耗和集成度3個方面的優劣勢從而完成總體數據鏈設計。最常用的數據鏈接收機方案為超外差接收機、零中頻接收機和近中頻接收機。超外差接收機有很大的接收動態范圍和接收靈敏度,可抑制很強的干擾,但是超外差接收機的混頻電路較多,相對于其他兩種接收機方案復雜而且集成度低,并且超外差接收機還會用到很多離散濾波器,這些濾波器一般較為昂貴,體積較大。零中頻接收機則是目前集成度最高、體積最小、成本低的接收機方案。由于其不需要鏡像頻率抑制濾波器,功耗、體積均可以做到很小,但是零中頻接收機在信道選擇性上(如動態范圍、良好線性度)實現困難。低中頻或近零中頻接收機則是將射頻信號下變頻至接近直流的低頻信號,避免了直流分量對信號的影響,具有集成度高、體積小的特點,但是其與超外差接收機一樣,也需要考慮鏡像頻率抑制的問題,其成本和體積相對于零中頻接收機較高。3種接收機方案的對比如表1所示。

因此零中頻接收機方案更符合單兵式武器系統,在滿足高集成度、低成本、低功耗的要求下,數據鏈方案應盡可能提高數據鏈系統指標性能,減少零中頻接收機容易受到干擾的缺點。

表1 3種接收機方案對比

2 系統設計

根據零中頻接收機方案,小型化低成本單向數據鏈由地面發射機和彈載接收機兩部分組成,其中地面發射機負責將數據信息編碼、調制、成幀后通過射頻模塊發射出去,彈載接收機通過接收天線將地面的射頻信號解調、解碼出來,并將解碼數據送給目標部件。如圖1所示,彈載接收機由接收天線、接收射頻前端、接收基帶組件組成,地面發射機由發射天線、射頻功率放大、發射基帶組件組成。

圖1 單向數據鏈系統組成

為了滿足數據鏈低成本要求,采用通用基帶設計方式,地面發射機基帶和彈載接收機基帶硬件電路一致,從而減少設計費用及硬件加工成本。另外通過零中頻結構,采用FPGA+AD9361的設計,直接將基帶信號搬到所需載波頻點上,得到高集成度的數據鏈產品。

3 數據鏈框架設計

3.1 硬件框架設計

通過圖1中地面發射機的功能,按照地面系統接口為CAN總線設計,如圖2所示，地面發射機由CAN接口轉換、單片機、FPGA、AD9361、電源管理、功率放大器、濾波器、耦合檢波器組成。其中CAN接口負責完成對外部數據指令的物理層連接。

鑒于在實際使用中AD9361的配置使用情況較為復雜,使用FPGA對其配置容易出錯,且配置更改繁雜,因此加入單片機完成對FPGA和AD9361的初始化配置,使用C語言編程的便利和配置簡單的特點,完成對數據鏈系統狀態監控和接口通信控制。

圖2 地面發射機組成框圖

另外射頻模塊的大小往往決定了數據鏈實際體積的大小,因此在圖2中功率放大部分,僅對射頻信號一次放大,減少數據鏈功耗,減少設備使用空間。在此為了使地面發射機最終輸出大于15 dBm的功率值,設計時選用P-1為20 dBm的放大器,并使后級濾波器和耦合器的損耗控制在1.5 dB,從而使得地面發射機輸出功率余量為3.5 dB。

彈載接收機與地面發射機結構基本一致,根據彈載通信接口一般為串口的情況,彈載接收機主要由串口轉換、FPGA、AD9361、單片機、電源管理、低噪聲放大器、濾波器等組成,如圖3所示。

圖3 彈載接收機組成框圖

考慮到彈載接收機體積有限,可利用空間更小,在如圖4所示的彈載接收前端采用自制LC濾波器,在實現帶寬為500 MHz情況下,保證濾波器小體積。另外低噪放采用TQP3M9037,該器件具備良好的噪聲系數,最小可達到0.45 dB,增益可達到18 dB,完全滿足接收機接收通道的使用要求。

圖4 彈載接收機發送前端原理圖

3.2 電源管理設計

由于數據鏈系統信號頻率較高,對電源穩定性和噪聲要求較高,因此需要著重對數據鏈系統的電源系統進行規劃。在小體積單向數據鏈的要求下,利用開關電源功耗低、轉換效率高、體積重量小的特點和LDO(低壓差線性穩壓器)功耗低、成本低的特點,數據鏈電源模塊采用開關電源+LDO設計。按照電路核心芯片和外圍芯片供電電壓,設計電源模塊的電流走向如圖5所示。

圖5 電源模塊電流走向圖

另外數據鏈的基帶電路和射頻電路對電源穩定性要求較高,因此在電源前端首先使用如圖6所示的EMI濾波器,減少電纜網上的電磁干擾和浪涌電流,有效濾除輸入電源的共模和差模噪聲。

圖6 EMI濾波原理圖

圖7 開關電源原理圖

之后按照如圖7所示DC/DC+LDO的形式,將輸入電壓轉換為芯片所需電壓。DC/DC選用動態范圍大、切換頻率可調的LT3480。LDO采用兩級轉換,得到低噪聲低壓降電源:第一級采用linear公司的低噪聲、低壓降線性穩壓器,滿足射頻部件、FPGA、單片機的敏感電流特性,第二級采用大電流降壓轉換器,使用小尺寸和高效率電壓轉換器,簡化設計和外部器件空間,獲得所需電壓值及小空間要求。

4 基帶電路設計

4.1 基帶電路硬件設計

按照以上數據鏈系統方案設計,地面發射機基帶電路和彈載接收機基帶電路均以單片機+FPGA+AD9361為核心,多種外設輔助的一體式設計方法,滿足低成本、通用性、配置簡單、易于擴展的要求。 其硬件原理圖及信息流如圖8所示。

圖8 基帶電路硬件原理框圖

4.2 軟件流程設計

針對地面發射機與彈載接收機基帶設計一致,其軟件流程均由主控部分和數字信號處理部分組成。地面發射機主控軟件流程圖和信號處理流程圖分別如圖9、圖10所示。其中主控部分主要負責接口數據的接收與發送、AD9361的初始化配置和控制、系統自檢過程控制與自檢結果判斷、實時系統狀態監控等功能;數字信號處理部分主要負責信號的有效性判斷、編解碼、調制解調、擴頻、組幀等功能。

5 試驗結果

根據以上設計方案,單向數據鏈系統實際尺寸僅為手掌大小,并對其進行了實驗室性能測試和室外拉距測試。在實驗室靜態測試中,將地面發射機和彈載接收機分別放在相距20 m的兩間屋子內,通過固定衰減器和可調衰減器,測試了數據鏈系統的極限性能指標。室外拉距試驗中,將地面發射機和彈載接收機相距2 km,測試實際環境下產品的抗干擾和糾錯能力。

如表2所示,單向數據鏈系統的各項指標滿足要求,并具有10 dB以上的系統裕量。

圖9 地面發射機主控部分軟件流程圖

圖10 地面發射機數字信號處理軟件流程圖

表2 試驗結果

6 結束語

研究并設計了低成本、小體積的單向數據鏈系統。系統選用小型化、低功耗硬件芯片,采用通用基帶硬件的發射機與接收機,確保了系統集成化、通用化和低成本,并提高了系統在實際產品中的實用性、穩定性和可擴展性。試驗證明,該系統可在2 km范圍內實現可靠的單向指令傳輸,并具有較高的系統裕量。