无人机测控与高速数据传输系统

王利平

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

随着军事装备以及航空技术的发展，作为一种远程可操控的航空器，无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)具有体积小、质量轻、使用便捷等特性，在民用和军用方面都发挥着越来越重要的作用。

无人机测控系统一般包括地面控制站和无人机机载平台，二者间一般通过无人机数据链实现实时、可靠和稳定通信。无人机数据链能够将地面遥控指令传递给无人机平台，将无人机平台状态信息和侦察数据传回地面，同时可实现无人机机群内部间的高效战术协同[1-3]。

地空高速数据传输为无人机宽带数据链下行链路的主要任务，其承载业务数据主要包含合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)图像、雷达数据、视频等，随着无人机平台搭载传感器种类和数量的不断增多[4]，海量侦察信息需要及时传回地面进行处理。

美军先进数据链(Advanced Common Data Link，A-CDL)承担地空之间的宽带情报侦察数据传输，地空数据传输速率最高为274 Mbit/s[5]，A-CDL采用偏移四相相移键控(Offset-QPSK，OQPSK)调制体制、级联码，工作于X波段、Ku波段，主要装备平台有U-2、F-16、RC-135、E-8、E-10、E-3等。

传统无人机测控系统一般采用定制化软硬件架构，其扩展性、通用化差，难以满足无人机产业的快速发展。同时由于带宽资源有限，传输速率难以满足联合作战的军事需求。

无人机测控系统需要不断提高宽带传输能力，以满足日益增长的数据传输需求[6]。此外，由于无人机作用距离远且飞行高度有限，无人机地面接收天线一般工作于低仰角甚至是负仰角条件下。由于地面反射，将产生多径效应，不仅导致严重的频率选择性衰落，产生符号间干扰，且高速传输符号间干扰更严重，而且会影响天线跟踪精度，甚至跟踪失败，导致系统不能正常工作[7-9]。本文针对无人机地空低仰角传输典型特征，突破高速调制解调、高速信道均衡、软件无线电、集成化设计等关键技术，设计实现一种基于分布式软件无线电[10-11]架构的全双工无人机测控与高速数据传输系统。该系统工作于微波频段，采用模块化、标准化设计，具有良好的扩展性和可维修性。系统通过静态无线试验和飞行试验，达到了地空800 Mbit/s高速数据传输，超越了美军全球鹰无人机下行数据传输速率。

1 系统组成与工作原理

无人机测控与高速数据传输系统的系统组成与工作原理如图1所示，主要包括机载链路设备和地面链路设备。其中，机载链路设备包括机载综合处理端机、机载天线接口单元、机载定向天线和高清摄像头；地面链路设备包括车载综合处理端机、车载天线接口单元、车载定向天线和监控计算机。

图1 系统组成与工作原理示意图

无人机测控与高速数据传输系统采用频分多址(Frequency Division Multiple Address，FDMA)接入体制，包含上下行两条链路。

① 上行链路。操作员通过监控计算机产生链路控制指令并发送给车载综合处理端机；车载综合处理端机对控制指令进行解析、分发、组帧、编码调制并发送给车载天线接口单元；车载天线接口完成接收信号的上变频、功率放大并通过车载定向天线进行无线发射；机载定向天线接收上行无线信号并发送给机载天线接口单元；机载天线接口单元完成接收信号的低噪声放大(Low Noise Amplifier，LNA)、滤波等处理后将信号发送给机载综合处理端机；机载综合处理端机完成接收信号的下变频、滤波、采样、解调译码、指令解析分发。

② 下行链路。机载综合处理端机接收高清摄像头采集的视频图像信息并完成图像编码、组帧、数字编码调制、上变频等处理，之后将其发送给机载天线接口单元；机载天线接口单元完成接收信号的功率放大并通过机载定向天线无线发射；车载定向天线接收下行无线信号并发送给车载天线接口单元；车载天线接口单元完成接收信号的LNA、滤波、下变频等处理后将信号发送给车载综合处理端机；车载综合处理端机完成接收信号的采样、解调译码、复分接并将图像信息发送给监控计算机；监控计算机接收图像信息并行进行解码显示。

2 关键硬件设计实现方案

2.1 机载综合处理端机

针对无人机侦察、探测、通信、中继、目标识别定位等任务需求，设计实现了一套基于3U VPX架构的机载综合处理端机，如图2所示。综合处理端机按照模块化、VITA标准化进行设计，符合软件无线电硬件架构要求，主要包含上变频模块、下变频模块、调制解调模块、数据处理模块、图像处理模块、交换模块和电源模块，如图3所示，通过硬件模块重组可以构建满足不同任务需求的无人机机载端机。

图2 机载综合处理端机

图3 3U VPX 标准模块

2.2 高速调制解调器

基于软件无线电思想，本文设计实现了一种基于数字化中频的高速调制解调器[12]。数字化中频是指在基带采用数字信号处理方法实现信号上下变频，相比于传统的零中频正交调制解调器，具有以下优点[13]：① 降低模拟电路对宽带信号的性能影响；② I、Q支路具有理想的平衡特性；③ 有效避免了直流偏置、本振泄露；④ 基带信号处理全数字化，利用软件升级改进。硬件原理框图如图4所示。FPGA1作为主处理器控制ADC/DAC，实现模数、数模转换功能；FPGA2作为辅助处理芯片，处理背板I2C和CAN等管理总线，读取板载电压、电流、温度等传感器信息并实现对FPGA1的程序加载功能。

图4 硬件原理框图

经实测，对于800 Mbit/s的宽带信号，所设计的高速调制解调器输出EVM优于7%，ADC SFDR指标优于55 dBFS。

3 关键软件设计实现方案

3.1 定时同步嵌入式软件

在宽带数据传输中，收发参考时钟的差别或漂移将严重影响系统性能，甚至导致系统不能正常工作，所以必须对解调器输出进行同步抽样即符号同步或定时同步[14]。

受限于FPGA的处理能力，传统的串行定时同步方案无法实现800 Mbit/s信号的定时同步，因此本文提出一种8路并行开环定时同步嵌入式软件实现方案，如图5所示。其由数据缓冲单元、定时误差估计单元和并行内插3个功能模块组成。相比于传统开环定时同步方案[15]，本方案收敛速度快，利于高速并行实现。

图5 开环定时同步实现框图

其中，定时误差估计采用由Oerder.M和Meyr.H提出的O&M算法[16]，它是一种数字滤波平方算法。相比于经典Gardner算法[17-18]，O&M算法是一种无偏估计，并且至少需要4倍采样。O&M算法描述如下。

假设匹配滤波后的基带信号为rk，表示为

rk=Ik+jQk

(1)

式中：Ik，Qk为基带信号的实部虚部。

对rk取包络平方得到：

(2)

对xk按每L个符号周期进行一次DFT运算，本文中N=4，L=1024。由此可得到第m段数据频谱上的符号速率谱分量Xm为

(3)

(4)

那么插值输出位置mk和插值相对位置μk可由以下方法得到：

(5)

(6)

8路并行定时误差估计软件实现框图如图6所示。8路并行数据首先依次取绝对值的平方；其次按图示规则相加得到Xm的实部和虚部；最后通过反正切函数求Xm的相角即定时误差估计值。

图6 8路并行定时误差估计实现框图

并行内插主要实现定时误差校正，插值算法采用工程实现简单的线性插值方法，研究表明，当误码率为10-6时，线性内插器性能要劣于复杂的拉格朗日内插器0.05 dB[19]，但硬件实现复杂度、硬件资源消耗却大大降低。

线性内插计算方法如下：

r=(1-μk)r0+μkr1

(7)

式中：r为插值后信号；r0为前一时刻接收信号；r1为当前时刻接收信号。

3.2 信道均衡嵌入式软件

800 Mbit/s地空高速数传系统由于其信号带宽远大于信道带宽，数据传输过程中将面临严重的频率选择性衰落[20]，产生严重的符号间干扰，导致系统崩溃。因此必须采用信道均衡技术[21]以消除码间干扰，信道均衡软件使接收端的均衡器产生与传播信道特性相反的冲击响应，以减少或消除信道多径传播特性引起的码间干扰[22]。

为了提高运算速度，降低FPGA使用资源并保证均衡性能，本文采用一种时频域相结合的信道均衡方法，该方法的核心思想是在频域完成信道估计，在时域完成信道均衡，相比于传统的单载波频域均衡方案，可以减少2个1024点的快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)和快速傅里叶逆变换(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)运算，并且可以灵活调整并行度，适合高速实现。4路并行信道均衡软件实现原理框图如图7所示，首先，提取独特字(UW序列)并进行平均滤波；然后对滤波后的结果进行FFT运算，并与已知的UW序列的FFT运算结果进行相除的运算，得到频域的信道响应并计算基于最小二乘(Least Squares，LS)的频域均衡系数；最后将频域均衡系数通过IFFT变换到时域并与接收数据做卷积运算以完成信道均衡处理。

图7 4路并行信道均衡软件实现原理框图

4 试验验证

为了充分验证系统方案的可行性，本文开展了无线静态试验和飞行试验。

在无线静态试验中，将机载设备安置于实验室三楼窗口处，地面测控车停放于距机载设备百米处，构建典型低仰角通信环境。设备开机后，调节机载设备发射功率，通过功率折算，使地面设备接收信号电平达到设计要求(作用距离处接收信号电平)，观测接收图像质量。无线静态试验结果如图8所示，其中图8(a)为接收信号频谱；图8(b)为接收室内视频图像截图。在静态严重无线多径信道下，本系统在所要求作用距离下，可以实现视频图像的高清无误码接收。

图8 无线静态试验结果

在无线飞行试验中，将机载设备安置于飞机舱内，地面测控车停放于飞机起飞跑道百米处，构建典型无人机飞行环境，设备开机后，观测接收图像质量。无线飞行试验结果如图9所示，其中图9(a)为试验飞机，腹部凸起部分为机载定向天线；图9(b)为接收机舱视频图像截图。可以看到，在典型飞行环境下，本系统可以实现视频图像的高清无误码接收。

图9 无线飞行试验结果

5 结束语

为满足无人机测控系统高速数据传输需求，本文基于软件无线电思想，突破模块化集成设计，高速并行采样、高速并行信号处理等工程实现关键技术，设计实现一套无人机测控与高速数据传输系统。该系统通过了无线静态试验、无线飞行试验验证，实现了1080P高清图像的无误码无损传输。