數據鏈信號生成方法研究

鄭建鋒,施健康,戴歐志雄,蒯文琴,梁婷婷,王子恒

(北京無線電計量測試研究所,北京 100039)

0 引言

數據鏈是美軍常用的集成通信、指揮、控制、情報、監視、網絡和偵察等功能的信息鏈路。其主要作用是鏈接數字化戰場的指揮中心、參戰部隊和武器平臺,并按規定的消息格式和通信協議,將作戰信息進行實時傳輸、交換、分發和處理[1]。美軍自冷戰初期啟動數據鏈研發工作,迄今已經擁有四十多種數據鏈體系。其中,常見的是Link-16 和Link-22[2,3]。目前,國內在美軍數據鏈方面的研究主要集中在識別和干擾兩方面,而在模擬生成方面有所欠缺。針對這種現狀,綜合考慮硬件成本和算法復雜度,完成了數據鏈信號生成系統的構建。

1 跳頻擴頻原理

用擴頻序列對載波頻率進行頻移鍵控調制,使其在一定頻率范圍內不斷變化,以降低干擾和避免截獲,這種技術就是跳頻[4]。跳頻系統主要包括跳頻序列發生器、頻率合成器、跳頻同步器和跳頻頻率表等組成部分。跳頻發射機的典型結構如圖1所示。跳頻有慢跳頻和快跳頻兩種技術。應用慢跳技術,一次跳變可以傳輸單個比特或多個比特的信號數據,因此,可以對信號進行相干檢測。而使用快跳技術,需要多次頻率跳變才能完成一個比特數據的傳輸,很難用于信號相干檢測。考慮到相干檢測的優越性,快跳技術較少使用。跳頻技術的應用,首先讓敵方針對特定頻率的瞄準式干擾難以實現;其次,增大信號帶寬導致敵方無法在大帶寬范圍內施加高功率噪聲干擾。這在一定程度上增強了數據鏈信號的抗干擾能力。

圖1 跳頻系統框圖Fig.1 Block diagram for frequency hopping system

2 直接序列擴頻原理

直接序列擴頻是用一些高碼率的擴展碼序列在發送端對信號的頻譜進行擴展。直接序列擴頻不僅能夠降低干擾,還能夠增加系統的用戶容量。由于直擴系統具有很寬的射頻帶寬,因此,某一部分的頻譜衰落不會導致頻譜整體的衰落。在電波傳輸過程中,多徑干擾導致信號失真、碼間串擾和信噪比下降,直擴系統卻可以利用這些干擾增強自身系統的性能。在信號總功率一定的前提下,頻譜擴展導致信號的功率譜密度降低,信號甚至可以隱藏在白噪聲之中,非合作方很難發現信號的存在,難以截獲有價值的信息。并且較低的能量密度也不會對其它設備形成強干擾。典型的擴頻系統應包括編碼器、頻率合成器和偽碼發生器,系統采用對載波進行相移鍵控進行調制。擴頻序列的選取十分重要,并且與碼分多址技術關系密切,常用的擴展碼包括m 序列碼、RS 碼和CCSK 碼等偽隨機序列[5,6]。調頻與直接序列擴頻組成的混合式擴頻系統如圖2 所示。

圖2 直接序列擴頻系統框圖Fig.2 Block diagram for DSS system

3 幅相調制技術

以數字信號調制載波,該載波的幅度、頻率或相位等參數受數字信號調制而呈現離散狀態變化,這種調制稱為數字調制。數據鏈信號是用MSK、8PSK、16QAM 和64QAM 等數字技術對擴頻碼進行調制。MSK 在一個碼元期間,信號的相位差嚴格地等于180°,以此保證在碼元轉換時刻相位是連續的。在8PSK 調制方式中,由于載波相位與調制信號相位的變化一致,因此初相的選取不同,調制的結果也不同。QAM 調制是將載波的幅度和相位同時調制,以此保證每個信號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,可使它們之間盡可能保持最大距離。16QAM 調制是將4個連續的二進制比特位合并成一個復值數據符號;64QAM 調制是將6 個連續的二進制比特位合并成一個復值數據符號[7]。復值數據符號具有不同幅度和相位,在笛卡爾坐標系中形成不同的相位星座圖。合理應用調制技術可以達到頻譜資源利用率高、誤碼性能好、包絡穩定和容易解調的目的[8]。

4 數據鏈信號的時頻特性

數據鏈系統將每天等分為112 份,每一份約為12.8 min,稱為一個時元。每個時元又被分為64 等份,每份長度為12 s,稱為一個時幀。每一個時幀再被1 536 等分,每一份長度為7.812 5 ms,稱為一個時隙。數據鏈系統的不同用戶獲得一定的時隙用于發送或接收信號。Link-16 系統工作在Lx 波段,Link-22 系統工作在HF 和UHF 波段。兩類數據鏈信號的脈沖寬度均為6.4 μs,脈沖周期均為13 μs。Link-16 信號脈內以MSK 信號調制CCSK 隨機序列,頻率跳變間隔為3 MHz,頻譜共有三段,總帶寬為217 MHz。Link-22 信號有三種形態,分別是以8PSK/16QAM/64QAM 信號調制偽隨機序列,頻率跳變間隔為3 MHz,頻譜共有兩段,總帶寬為385 MHz[9-11]。

5 數據鏈信號的生成方法

對Link-16 信號而言,擴頻采用CCSK 編碼。CCSK 的基碼為32'h7CE90AEC,每一個時鐘周期的上升沿到來之時,編碼將循環左移一次。8PSK 信號的二進制編碼與復數數據符號具有對應關系。將產生的8PSK 信號數據導入分析軟件,得到的相位星座圖如圖3 所示。

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

16QAM 信號的二進制編碼與復數數據符號也具有對應關系。將產生的16QAM 信號數據導入分析軟件,得到的相位星座圖如圖4 所示。

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

64QAM 信號的編碼規則為一個6 位的二進制數,高三位對應復數符號的實部,低三位對應復數符號的虛部。64QAM 信號的編碼狀態多達64 種,將產生的64QAM 信號數據導入分析軟件,得到相位星座圖如圖5 所示。

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

數據鏈信號由硬件描述語言編程產生,將硬件仿真數據導入數據分析軟件,得到信號的時域圖和頻域圖如圖6 至圖8 所示。顯示了數據分析軟件對數據的分析結果。數據鏈信號在時域表現為脈沖狀;頻域表現為非均勻的多段頻譜,其中Link-16 信號的頻譜分為三段,Link-22 信號的頻譜分為兩段。

圖6 數據鏈信號的時域圖Fig.6 Time domain waveform of data-link signal

圖7 Link-16 數據鏈信號頻譜圖Fig.7 Spectrum of link-16 signal

圖8 Link-22 數據鏈信號頻譜圖Fig.8 Spectrum of link-22 signal

6 功能測試及分析

為了測試數據鏈信號產生系統的實際功能,搭建了一個試驗平臺。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;頻譜儀可檢測信號的頻率范圍為20 Hz～50 GHz。兩臺儀器可以勝任本次測試任務。

信號的脈沖寬度為6.4 μs 如圖9 所示,信號的脈沖重復間隔為6.6 μs 如圖10 所示。兩圖表明系統可以生成具有正確時域特征的信號。

圖9 數據鏈信號的脈沖寬度圖Fig.9 Pulse width of data-link signal

圖10 數據鏈信號的脈沖重復間隔圖Fig.10 PRI of data-link signal

Link-16 信號的頻譜測試圖如圖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,信號總帶寬為217 MHz。

圖11 Link-16 數據鏈信號的頻譜圖Fig.11 Spectrum of link-16 signal

Link-22 信號脈內PN 碼被8PSK、16QAM 和64QAM 信號調制的結果,如圖12 至圖14。結果表明隨機信號被三種信號調制之后,具有不同的脈內特征。

圖12 8PSK-Link-22 數據鏈信號脈內細節圖Fig.12 Pulse details of 8PSK-link-22 signal

圖13 16QAM-Link-22 數據鏈信號脈內細節圖Fig.13 Pulse details of 16QAM-link-22 signal

圖14 64QAM-Link-22 數據鏈信號脈內細節圖Fig.14 Pulse details of 64QAM-link-22 signal

脈內調制信號為8PSK、16QAM 和64QAM 時,Link-22 信號的頻譜特征如圖15 至圖17 所示。頻譜從左到右共有兩段,信號總帶寬為385 MHz。頻譜中細齒狀特征正是隨機調制的結果體現。

圖15 8PSK-Link-22 數據鏈信號頻譜圖Fig.15 Spectrum of 8PSK-Link-22 signal

圖16 16QAM-Link-22 數據鏈信號頻譜圖Fig.16 Spectrum of 16QAM-Link-22 signal

圖17 64QAM-Link-22 數據鏈信號頻譜圖Fig.17 Spectrum of 64QAM-Link-22 signal

7 結束語

數據鏈是美軍的在役系統,不少關鍵技術尚處保密狀態。在研究偽隨機碼軟擴頻、跳頻通信和幅相調制等技術的基礎上,提出了四種數據鏈信號的生成方法。并通過實測分析了它們的時域和頻域特征。結果表明,生成方法是能夠實現的。但是,依靠這些技術生成的信號還僅僅是數據鏈信號的一種逼近,在隨機數產生、跳頻圖案設計和信號干擾和信號檢測等方面還可以進行深入研究。