Link－16数据链信号模拟

张 允

（船舶重工集团公司723所，扬州225001）

0 引 言

在陆海空天电多维战场空间中，数据链通过抗干扰实时传播、链路组网、格式化消息处理、武器平台应用集成等方面技术的应用，实现态势共享、精确指挥控制和一体化武器协同等方面的作战能力。数据链是未来C4ISR系统的重要组成部分，是C4ISR系统向作战平台的延伸，是传感器和武器系统形成一体化的纽带，是实现战场信息感知、快捷指挥和精确打击的关键手段［1］。

Link－16数据链是目前美国和北约的主要战术数据链之一，它采用J系列信息编码标准，工作在960～1 215MHz频段，数据传输速率为28.8～238kbps，采用了时分多址（TDMA）方式组网，使用联合战术信息分发系统（JTIDS）终端或多功能信息分发系统（MIDS）终端作为通信组件［2］。

JTIDS／MIDS系统由于采用了跳频、跳时、编码、扩频等技术手段，大大增强了通信的保密性和安全性，具有很强的抗电磁干扰能力。

1 Link－16工作模式

TDMA将时间轴划分成长度为768s的时元，每个时元分成长度为12s的时帧，每个时帧分成长度为7.812 5ms的时隙［2］。时隙是数据链信号传输的基本单元，终端用户根据网络管理的规定按时隙发送或接收消息。时隙的分配由网内的终端平台所承担的任务决定，一般如承担具体作战任务的战斗机会分配较少的时隙以报告本机位置、武器系统状态等信息，而担任战场监视任务的空中预警机则分配较多的时隙以便频繁地发送信息。

一个时隙分为起始段、传送段和保护段；传送段期间发射射频脉冲串，起始段和保护段期间不发射信号。采用标准双脉冲（STDP）和2型单脉冲（P2SP）格式时，起始段长度在0～2.458 5ms内随机抖动，传送段长度3.354ms，发射射频脉冲串，可传送对应129个字符的脉冲串信号；其中前20个脉冲为同步段，后109个脉冲用作数据传输。采用2型双脉冲（P2DP）和4型单脉冲（P4SP）格式时，传送段长度5.772ms，起始段和保护段长度2.0405ms［2］。本文只讨论其中标准双脉冲数据包格式，其余几种信号产生方法类似。

图1 Link－16信号时序示意图

每个时隙传送129个字符，每个字符占用26μs，脉冲宽度占6.4μs，脉冲间隔为6.6μs，每对脉冲数据信息相同而每个脉冲间的载频不同。JTIDS采用了跳频工作模式，载频在整个频带内划分了51个工作频点，相邻频点频率差3MHz；129对脉冲中相邻的脉冲使用不同的频点，且频率差在30MHz以上。

编码自由报文将按J系列信息编码生成245bit报文，按5bit一个字符分组进行R－S（Reed Solomon）纠错编码，生成109个字符，称作消息字符，对应于每个时隙的109个脉冲。

对每个消息字符使用循环码移键控（CCSK）进行扩频。循环码移键控是将每个5位符号字用一个32位码序列来表示。CCSK和下面讲的最小频移键控（MSK）调制完成了信号扩频。由于脉冲宽度为6.4μs，当使用5bit符号位时，每个码元宽度为6.4／5＝1.28μs；当使用32位码序列表示时，码元宽度为6.4／32＝0.2μs，信号频谱宽度展宽了6.4倍。在接收机进行码序列相关解调时，能获得较高的相关增益，增强了抗干扰能力。

为了增强信号的发送保密性，每个32bit的有效码序列都与32bit的伪随机序列进行异或逻辑运算，得到的序列通常称为传送符号。

图2 Link－16信号产生过程示意图

用传送符号的32码片序列作为调制信号，对载频以5MHz的速率进行调制生成波形，每个码片的持续时间是200ns。这个调制过程要求相位连续，使用的调制方式称为相位连续的二进制频移键控（CPFSK），通常使用调制指数为0.5的频移键控，即MSK［3］。调制过程使用了载频左右的2个频率，频率差2.5MHz，用这2个频率分别代表码序列的“0”和“1”。

把经过调制的、带有报文信息的射频信号滤波放大后发射出去，完成了Link－16信号的模拟。

2 Link－16信号模拟方法

由上节所述Link－16信号特点可以看到，Link－16信号就是一串脉宽为6.4μs、使用MSK调制方式的脉冲信号。信号模拟器设计实现中由显示控制计算机产生信源数据，并生成每个脉冲的描述字信息；现场可编程门阵列（FPGA）＋直接数字合成器（DDS）完成数据链射频信号的生成；最终经过滤波、开关调制、射频放大后输出。

2.1 数据生成

数据生成主要完成数据链信号每个脉冲描述字的生成，主要包括到达时间（TOA）、幅度、频率、脉宽等信息。数据产生流程框图如图3所示。

2.1.1 信源信息编码

同步信息为20个同步脉冲的信息数据，在本设计中每个同步脉冲信息用一个32bit位宽的均匀分布伪随机数来表示。

信源按J系列报文格式产生，或者直接生成一组J系列报文长度的伪随机数来代替物理信息，不影响信号的射频特性。信源码数据包含20bit的报头数据和3×75bit的信息位。以每5bit数据分为码元，然后分别进行 RS（16，4）编码和 RS（31，15）编码。

RS编码是一种多进制纠错循环码，以RS（31，15）编码为例，编码后码长n＝31，信息码长k＝15，检错能力为2t＝16，最大纠错能力为t＝8，本原多项式系数m＝5。选取本原多项式p（x）＝x5＋x2＋1。RS编码的主要步骤如下：

（1）确定本原多项式p（x），产生伽罗华域GF（2m）扩域表；

（2）计算生成多项式各系数：g（x）＝g2tx2t＋g2t－1x2t－1＋ … ＋g1x＋g0；

（3）生成信息位多项式：m（x）＝ mk－1xk－1＋mk－2xk－2＋ … ＋m1x＋m0；

图3 脉冲数据生成

经RS编码后的信息位数为109×5bit，然后将每5bit消息字符进行CCSK调制。由于5位二进制符号的值在0～31间变化，因此可以对应有32个独特的有效码序列。这些有效码序列也称为符号包，表示用来产生JTIDS扩频信号的32位直序扩展码的相位。将一个31bit的M序列扩展一位基码后构成的32bit的M序列进行周期移位，即可得到32个对应5位符号字的32bit伪随机序列码。

2.1.2 跳频、跳时

Link－16信号载频范围960～1 215MHz，去除敌我识别（IFF）用到的1 030MHz和1 090MHz 2段频率外，共包括51个频点，频点间隔3MHz。

实际应用时，跳频图是事先设计规定好的，每个终端都据此进行信息的收发。

本设计应用中，首先生成51个原始频点值，依据每相邻脉冲载频不同并且载频差大于30MHz的原则，依次随机选择258个脉冲载频值，生成跳频图文件，然后通过读文件方式产生信号载频值。

这样做的好处是，每次试验时载频值都是确定且可手动修改的，保证了仿真试验结果的确定性和可重复性。

跳时体现在：每个终端发送数据信息的时隙是跳变的，且每时隙内都包含起始段的时间抖动。为了既模拟出信号的特点，又要保证试验的确定性，设计成有效数据信息时隙在固定时间间隔内出现，而时隙内时间抖动量则实时计算产生。

2.2 信号产生

本设计中，使用FPGA＋DDS完成Link－16信号的生成。信号产生框图如图4所示。

图4 信号产生框图

选用的Xilinx Spartan6系列高性能FPGA芯片，除了具有强大的现场可编程灵活性外，其高速性能也保证了设计时序的精度。

MSK信号具有恒定的包络和连续相位［4］，其信号表示形式为：

式中：（n－1）Ts≤t≤nTs；φ（t）为随时间变化的连续相位；fc为载波频率；Tb为二进制基带信号的码元宽度；θn为载波相位常数，在码元时间内为常数。

MSK信号波形图如图5所示。

MSK调制信号的产生有多种方法，其中主要的实现方案有2种：一种是采用基于DDS的实现方法，一种是采用基于正交调制的实现方法。2种方式各有优缺点，都能实现MSK调制。本设计中采用DDS实现方案。

图5 MSK调制信号

DDS按相位累加产生信号，保证了信号的相位连续性，能很方便地实现MSK调制。DDS信号经射频放大、滤波及脉冲调制后发射出去，完成了整个数据链模拟信号的产生。

3 结束语

本设计比较详细地分析了Link－16数据链信号的特点和信号工作模式，设计了产生信号的方法，并在某信号模拟设备上得到了设计实现。战术数据链信号模拟器的主要应用方向包括：为低频段雷达对抗及通信对抗试验提供复杂电磁环境信号；通过研究Link－16数据链信号样式及其射频信号特点，可以为数据链研制提供新的方法和思路。

［1］骆光明.数据链——信息系统连接武器系统的捷径［M］.北京：国防工业出版社，2008.

［2］梅文华，蔡善法.JTIDS／Link16数据链［M］.北京：国防工业出版社，2007.

［3］杨彤，尹亚兰.Link16数据链中的 MSK技术［J］.现代电子技术，2009（7）：62－64.

［4］刘建民，杨瑞娟，吴少林.JTIDS数据链系统建模与性能分析［J］.空军雷达学院学报，2009（12）：419－422.