数据链信号生成方法研究.pdf

2024年2 月第44卷第1期文章编号：10 0 0-7 2 0 2(2 0 2 4)0 1-0 0 7 1-0 5宇航计测技术Journal of Astronautic Metrology and MeasurementFeb.2024Vol.44No.1.D0I:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.01.12数据链信号生成方法研究郑建锋,施健康,戴欧志雄,文琴,梁婷婷,王子恒（北京无线电计量测试研究所，北京10 0 0 3 9）摘要：复杂电磁环境构建是现代军事训练的必备条件,对外军典型信号的模拟则是重要内容。通过研究Link-16和Link-22数据链信号的时域特征、频域特征和调制方式，提出了一种基于跳频通信、随机序列软扩频、8 PSK、64QAM和16 QAM调制等技术的数据链信号生成方法。本方法产生的数据链信号与真实的数据链信号相比，时域和频域特征具有很高的相似度，同时具有硬件成本低、结构简单和易于实现等优点。测试了生成的数据链信号，结果表明，信号特征与理论预期一致，为数据链信号生成提供了新的思路。关键词：数据链；跳频通信；数字扩频；随机过程；Link-16;Link-22中图分类号：TN972+.1文献标识码：AResearch on Data Link Signals Generation MethodZHENG Jianfeng,SHI Jiankang,DAI Ouzhixiong,KUAI Wenqin,LIANG Tingting,WANG Ziheng(Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement,Beijing 100039,China)Abstract:The construction of a complex electromagnetic environment is a necessary condition for modern militarytraining,and the simulation of foreign typical signals is a key aspect,According to surveying the time-domain and spectrumcharacteristics,and modulation methods of Link-16 and Link-22 data link signals,we propose a data link signal generationmethod that base on Frequency Hopping(FH)communication,stochastic sequence spread spectrum,8PSK,64QAM,and16QAM modulation techniques.Compared to real data link signals,the data link signal generated by this method has highsimilarity in time-domain and frequency-domain characteristics,and has advantages such as low hardware cost,simplestructure,and easy implement.And the generated data link signals were tested,and the results showed that the time-domainand spectrum characteristics of the signals were consistent with theoretical expectations,providing a new approach for datalink signals generation.Keywords:Data link;Frequency Hopping(FH)communication;Digital spread spectrum;Random processes;Link-16;Link-220 引 言数据链是美军常用的集成通信、指挥、控制、情报、监视、网络和侦察等功能的信息链路。其主要收稿日期：2 0 2 3-10-10；修回日期：2 0 2 4-0 2-18作者简介：郑建锋（19 9 0-），男，工程师，硕士，主要研究方向：信号理论及信号处理技术。作用是链接数字化战场的指挥中心、参战部队和武器平台,并按规定的消息格式和通信协议，将作战信息进行实时传输、交换、分发和处理1。美军自冷战初期启动数据链研发工作,迄今已经拥有四十多种.72数据链体系。其中,常见的是 Link-16 和 Link-222.3。目前，国内在美军数据链方面的研究主要集中在识别和干扰两方面,而在模拟生成方面有所欠缺。针对这种现状，综合考虑硬件成本和算法复杂度，完成了数据链信号生成系统的构建。1跳频扩频原理用扩频序列对载波频率进行频移键控调制，使其在一定频率范围内不断变化,以降低干扰和避免截获,这种技术就是跳频4。跳频系统主要包括跳频序列发生器、频率合成器、跳频同步器和跳频频率表等组成部分。跳频发射机的典型结构如图1所示。跳频有慢跳频和快跳频两种技术。应用慢跳技术，一次跳变可以传输单个比特或多个比特的信号数据，因此，可以对信号进行相干检测。而使用快跳技术，需要多次频率跳变才能完成一个比特数据的传输,很难用于信号相干检测。考虑到相干检测的优越性，快跳技术较少使用。跳频技术的应用,首先让敌方针对特定频率的瞄准式干扰难以实现；其次，增大信号带宽导致敌方无法在大带宽范围内施加高功率噪声干扰。这在一定程度上增强了数据链信号的抗干扰能力。输人信号信息调制器时钟信号跳频序列图1路跳频系统框图Fig.1 Block diagram for frequency hopping system2直接序列扩频原理直接序列扩频是用一些高码率的扩展码序列在发送端对信号的频谱进行扩展。直接序列扩频不仅能够降低干扰,还能够增加系统的用户容量。由于直扩系统具有很宽的射频带宽,因此,某一部分的频谱衰落不会导致频谱整体的衰落。在电波传输过程中，多径干扰导致信号失真、码间串扰和信噪比下降,直扩系统却可以利用这些干扰增强自宇航计测技术身系统的性能。在信号总功率一定的前提下,频谱扩展导致信号的功率谱密度降低，信号甚至可以隐藏在白噪声之中，非合作方很难发现信号的存在，难以截获有价值的信息。并且较低的能量密度也不会对其它设备形成强干扰。典型的扩频系统应包括编码器、频率合成器和伪码发生器，系统采用对载波进行相移键控进行调制。扩频序列的选取十分重要,并且与码分多址技术关系密切，常用的扩展码包括m序列码、RS码和CCSK码等伪随机序列5.6 。调频与直接序列扩频组成的混合式扩频系统如图2 所示。输入信号编码直扩码时钟信号伪码跳频码频率发生器合成器图2 直接序列扩频系统框图Fig.2Block diagram for DSS system3幅相调制技术跳频以数字信号调制载波，该载波的幅度、频率或调制器相位等参数受数字信号调制而呈现离散状态变化，个频率合成器跳频频率表2024年高通滤波跳频序列fff,f这种调制称为数字调制。数据链信号是用MSK、8PSK、16 Q A M 和6 4QAM等数字技术对扩频码进行调制。MSK在一个码元期间,信号的相位差严格地等于18 0，以此保证在码元转换时刻相位是连续的。在8 PSK调制方式中,由于载波相位与调制信号相位的变化一致,因此初相的选取不同,调制的结果也不同。QAM调制是将载波的幅度和相位同时调制，以此保证每个信号矢量可以表示较多的信息比特；并且通过更合理地安排矢量端点，可使它们之间尽可能保持最大距离。16 QAM调制是将4个连续的二进制比特位合并成一个复值数据符号；64QAM调制是将6 个连续的二进制比特位合并成一个复值数据符号7 。复值数据符号具有不同幅度和相位,在笛卡尔坐标系中形成不同的相位星座图。合理应用调制技术可以达到频谱资源利用率高、误码性能好、包络稳定和容易解调的目的8 第1期数据链信号生成方法研究734数据链信号的时频特性数据链系统将每天等分为112 份，每一份约为12.8min，称为一个时元。每个时元又被分为6 4等份,每份长度为12 s,称为一个时帧。每一个时顿再被153 6 等分，每一份长度为7.8 12 5ms，称为一个时隙。数据链系统的不同用户获得一定的时隙用于发送或接收信号。Link-16系统工作在Lx波段，Link-22系统工作在HF和 UHF波段。两类数据链信号的脉冲宽度均为6.4s,脉冲周期均为13 s。Link-16信号脉内以MSK信号调制CCSK随机序列,频率跳变间隔为3 MHz,频谱共有三段,总带宽为2 17 MHz。Lin k-2 2 信号有三种形态，分别是以8PSK/16QAM/64QAM信号调制伪随机序列，频率跳变间隔为3 MHz，频谱共有两段，总带宽为385 MHz9-11 O5数据链信号的生成方法对Link-16信号而言，扩频采用CCSK编码。CCSK的基码为3 2 h7CE90AEC,每一个时钟周期的上升沿到来之时,编码将循环左移一次。8 PSK信号的二进制编码与复数数据符号具有对应关系。将产生的8 PSK信号数据导入分析软件，得到的相位星座图如图3 所示。2.00015001 0005000-500-1000-1500-2.000-2 0001 500-1000-500图3 8 PSK信号的相位星座图Fig.3 Phase constellation diagram of 8PSK signal16QAM信号的二进制编码与复数数据符号也具有对应关系。将产生的16 QAM信号数据导入分析软件，得到的相位星座图如图4所示。15001 000500台影0-500-1000-1500-1500-1 000-500路信号图416 QAM信号的相位星座图Fig.4 Phase constellation diagram of 16QAM signal64QAM信号的编码规则为一个6 位的二进制数，高三位对应复数符号的实部，低三位对应复数符号的虚部。6 4QAM信号的编码状态多达6 4种，将产生的6 4QAM信号数据导入分析软件，得到相位星座图如图5所示。2.000150010005000-500-1000-1500-2.0002000-1 5001000-500图56 4QAM信号的相位星座图Fig.5 Phase constellation diagram of 64QAM signal05001000 1 500 2.000路信号005001 000 1 500 2.000路信号数据链信号由硬件描述语言编程产生，将硬件仿真数据导人数据分析软件，得到信号的时域图和频域图如图6 至图8 所示。显示了数据分析软件对数据的分析结果。数据链信号在时域表现为脉冲状;频域表现为非均匀的多段频谱,其中Link-16信号的频谱分为三段,Link-22信号的频谱分为两段。5001 0001500.740.750.50.25孔一0-0.25-0.50.750Fig.6Time domain waveform of data-link signal0-10-20aP/一-3040-50-60-70-800-600-400-200图7Link-16数据链信号频谱图Fig.7Spectrum of link-16 signal0-1020-30-40-50-60-800-600-400200频率/MHz图：Link-22数据链信号频谱图Fig.8Spectrum of link-22 signal宇航计测技术6功能测试及分析为了测试数据链信号产生系统的实际功能，搭建了一个试验平台。选用的仪器分别为安捷伦DSO-X96204Q型示波器以及罗德施瓦茨FSUP型频谱仪。其中示波器可检测信号的频率范围为0 62CHz,最高采样率为16 0 GSps;频谱仪可检测信号的频率范围为2 0 Hz50GHz。两台仪器可以胜任本次测试任务。信号的脉冲宽度为6.4s如图9 所示，信号的脉冲重复间隔为6.6 s如图10 所示。两图表明系100200时间/us图6数据链信号的时域图10200400 600 800频率/MHz0200 400 6008002024年300400500600统可以生成具有正确时域特征的信号。572372172-28228-428-62830.231.232.233.2时间/us图9数据链信号的脉冲宽度图Fig.9Pulse width of data-link signal572372172-28-228-428-62813.4图10数据链信号的脉冲重复间隔图Fig.10PRI of data-link signalLink-16信号的频谱测试图如图11所示,频谱从左到右分为三段，带宽分别为3 9 MHz、12 M H z 和73MHz,信号总带宽为2 17 MHz。6.405.634.26.6167 u.s18.423.4时间/us35.236.237.228.433.438.4第1期100waP/10-20-30Link-22信号脉内PN码被8 PSK、16 Q A M 和64QAM信号调制的结果，如图12 至图14。结果表572372172-28228428-62824.95 25.00 25.05 25.10 25.15 25.20 25.25 25.30 25.35 25.40图12 8 PSK-Link-22数据链信号脉内细节图Fig.12 Pulse details of 8PSK-link-22 signal572372172-28228-428-62825.726.7图1316QAM-Link-22数据链信号脉内细节图Fig.133 Pulse details of 16QAM-link-22 signal572372172A/-28228-428-62827.26 27.31 27.66 27.41 27.46 27.51 27.56 27.61 27.66图146 4QAM-Link-22数据链信号脉内细节图Fig.14 Pulse details of 64QAM-link-22 signal数据链信号生成方法研究明随机信号被三种信号调制之后，具有不同的脉内特征。脉内调制信号为8 PSK、16 Q A M 和6 4QAM时，Link-22信号的频谱特征如图15至图17 所示。频M谱从左到右共有两段，信号总带宽为3 8 5MHz。频谱中细齿状特征正是随机调制的结果体现。4080120160200240280320360400频率/MHz图11Link-16数据链信号的频谱图Fig.11SSpectrum of link-16 signal时间/us27.728.7时间/凡s时间/us.75.100-10-20-30图158PSK-Link-22数据链信号频谱图Fig.15Spectrum of 8PSK-Link-22 signal100-10-20-30图16 16 QAM-Link-22数据链信号频谱图Fig.16Spectrum of 16QAM-Link-22 signal100WaP/29.730.750100150200250300350400450500频率/MHzMWA48.396.6144.9193.2241.5289.8 338.1386.4434.7 48331.732.7频率/MHz-10-20-30图1764QAM-Link-22数据链信号频谱图Fig.17Spectrum of 64QAM-Link-22 signal7结束语数据链是美军的在役系统，不少关键技术尚处保密状态。在研究伪随机码软扩频、跳频通信和幅(下转第8 7 页)50100150200250300350频率/MHz400450500第1期求促使飞行器性能不断提升,型号的更新换代促使模拟训练系统随之适配升级。根据不同飞行器发控系统的测试功能需求,设计一种具有通用性的飞行器模拟训练系统，具有良好的可扩展性和灵活性，可大大降低飞行器训练和模拟的硬件成本、人力成本和时间成本，解决了配套模拟训练系统种类繁多、研制周期长、研制成本高等问题，目前已成功应用于多个型号的飞行器模拟训练中,功能和性能均达到了使用要求,对其他类似功能设备的研制也具备一定的参考意义。参考文献1于洪飞.嵌入式技术与应用发展方向分析J.科技创基于嵌人式技术的通用模拟训练系统研究及应用87.新导报,2 0 19,(10):13 7-13 8.2张志峰.导弹模拟器通用开发平台研制D.哈尔滨工业大学,2 0 13:11-12.3黄振.基于DSP和FPGA的多通道数据采集系统设计与实现D.华中科技大学,2 0 18：14-16.4】王兆伟.基于DSP的某型导弹模拟器设计J.四川兵工学报,2 0 14,3 5(2):3 0-3 2.5吕浩,王国东,闫昆,等.基于DSP的某导航计算机模块的设计J.电子技术设计与应用,2 0 15,6（15）：6 0-6 2.6徐智，张义涛.基于FPGA的RS232/422多通道接口设计与实现J.直升机技术,2 0 11,16 9（4）：3 9-41,6 3.7张晴晖,李俊,段芙蓉,等.基于FPGA的1553 B通信模块的设计J.电子技术应用,2 0 10，（1）：3 9-42.8高阳,李永红,岳风英,等.基于DSP和FPGA的CAN总线监视系统设计J.电子器件,2 0 16,3 9（1）：16 4-16 7.(上接第7 5页)相调制等技术的基础上，提出了四种数据链信号的生成方法。并通过实测分析了它们的时域和频域特征。结果表明,生成方法是能够实现的。但是，依靠这些技术生成的信号还仅仅是数据链信号的一种逼近，在随机数产生、跳频图案设计和信号干扰和信号检测等方面还可以进行深入研究。参考文献1】王博,仲维彬.外军数据链发展趋势J.现代导航，2022,13(2):134-137,142.2彭茄恩,陈韵,李仙法，等.基于信道化的Link16数据链信号对抗技术研究J.航天电子对抗,2 0 2 3,3 9（2）：19-22,27.3】皮明峰,游璧毓.Link-22短波通信波形研究J.长江信息通信,2 0 2 2,3 5(11)：8 1-8 3.4李锋,盛利元,杨俊，等.一种高性能跳频信号源的设计与实现J.宇航计测技术,2 0 10,3 0（6）：3 5-3 8.5李承恕,赵荣黎.扩展频谱通信M.北京：人民邮电出版社,19 9 3.6 宋洋，杨于杰.FFH/DS混合扩频体制通信技术研究J.宇航计测技术,2 0 0 6,2 6(1):16-19.7 曹志刚，谈振辉。通信原理与应用一系统案例部分M.北京：高等教育出版社,2 0 15.8 郭梯云,邬国扬,张厥盛.移动通信M.西安：西安电子科技大学出版社，19 9 3.9李日永，霍帅，顾明超.Link16数据链跳频入网信号模拟产生技术J.无线电通信技术,2 0 2 1,47（4）：48 6-491.10舒轶昊,蔡保国,梁军,等.Link22的信道接人机制研究J.信息与电脑,2 0 2 0,3 2(2 1：150-152.11张洋，毛忠阳,赵志勇，等.经典Link数据链信道传输模型及特性研究J.现代电子技术,2 0 2 3,46(3）:2 1-2 4.