基于SDR的Link11数据链系统设计

熊航 廖聪慧 杜鸿

摘要：针对目前Link11数据链研究仅对关键技术做验证，而缺少对数据链完整工作流程研究的现状，文章研发了一套基于SDR的完整Link11数据链系统，包括数据链的发送端和接收端。收发两端实现之后，测试Link11数据链系统误码性能。实验结果表明，系统完整实现了Link11数据链通信系统，且在基于距离指標的实验中，系统在真实信道下的误码性能较好。

关键词：Link11数据链系统；发送端；接收端；误码性能

中图分类号：TN919  文献标志码：A

0 引言

Link11战术数据链是一条军用战术数据链，主要传输实时的战术信息［1］，其传输方式以及调制方式都是各电子站对抗单位研究重点。然而由于一套完整的Link11战术数据链系统价格高昂，各电子站系统研发人员很难获得，因此研发一套完整的Link11数据链系统具有重要价值。

现存一些文献利用DSP，FPGA做Link11数据链的联合仿真［2］，或者提出一种融合虚拟机和QualNet的Link11数据链半实物仿真架构［3］，或者根据Link11信号的持续时间和消失时间特性建立特征样本库研究一种快速检测Link11数据链信号的方法［4］。但是都只对Link11数据链系统关键技术进行了验证和仿真，而缺少真实信道下的研究。

本文在结合SDR的基础上，做了如下的主要工作：

（1）开发OOT模块，实现Link11数据链系统发送端，可通过天线发出Link11信号。

（2）开发OOT模块，实现Link11数据链系统接收端，通过天线接收Link11信号并解调。

（3）基于距离指标测试系统误码率BER。

1 Link11数据链简介

Link11数据链系统结构主要包括信号调制系统、信道、信号接收系统和解调系统等部分［5］，一般使用2250 b/s速率（快速率）传输数据［6］。Link11信号帧格式一般包括前导段、相位参考段、起始码、数据段和终止码［7］。Link11数据链信号帧格式，如图1所示。

前导段是报文起始的标志，其长度为5段，段周期为13.33 ms［8］；相位参考段由16个单音频点组成，其长度为1段，段周期为13.33 ms；起始码固定内容为8进制数7450604077和5467322342；数据段长度由发送消息具体确定，段周期同样为13.33 ms；终止码内容为8进制数7777777777或0000000000［9］。

2 Link11发送端

为了利用Gnuradio平台测试Link11数据链通信实验，开发相关OOT（Out of Tree）模块Link11 Sender C，数据链发送端流程如图2所示。Link11 Sender C模块输出的复信号进入UHD：USRP Sink模块、Sink模块结合SDR设备B210工作，未使用射频功放，通过天线将信号发送到空中信道。

Link11 Sender C模块复信号产生流程如下。

（1）设置UDP协议端口号Updport=8 010，通过UDP接收控制终端消息帧，同时将消息帧转换为位流。

（2）Link11帧生成。5个前导段：前导段仅由605 Hz和2 915 Hz两个频率组成，其中605 Hz用于校正多普勒频移，2 915 Hz用来同步接收端和发送端的信号，在结尾处会有180度的相位跳变［10］。前导段内第k个采样点的波形产生流程为：

s（k）=∑5Nk=03sin（0+2πf0kT）+0.75sin（n-1+2πfn-1kT）（1）

其中N为每个符号的采样点数，f0=605 Hz，fn-1=2 915 Hz，T为采样周期。

1个相位参考段：Link11数据链所使用16个单音频点包括605 Hz，2 915 Hz和935～2 365 Hz的14个频率（相邻频率相差110 Hz）。相位参考段生成过程中，除605 Hz外，其余15个频点提供参考相位用作后续数据段进行QPSK调制的初始相位［11］。

N个数据段：每段数据段都由16个单音频点组成，其中605 Hz不携载任何信息，只负责校正多普勒频移的影响，其他15个单音频点通过相位改变携载信息，每个单音频点携带2 bit信息［12］。由于使用的相位调制方式为QPSK，因此共有4种相位［225°，315°，135°，45°］，对应二进制位［00，10，01，11］。数据段段内第k个采样点的波形产生流程为：

s（k）=∑Nk=02sin［0+2πf0（k+N0）T］+0.25sin［n-1+2πfn-1（k+N0）T］+s′（k）（2）

其中，s′（k）通过式（3）产生：

s′（k）=∑15q=00.25sin［q+2πfq（k+N1）T］（3）

其中，N0=5N，N1=0，N为每个符号的采样点数，fq为16个单音频点的频率，T为采样周期。完成各段波形生成之后，按帧格式组成Link11帧。

（3）对Link11帧执行FM调制，输出复信号。

3 Link11接收端

Link11数据链系统接收端如图3所示，UHD：USRP Source模块结合SDR设备B210工作，通过天线接收空中信道的Link11信号；Quadrature Demod模块对收到的Link11信号执行正交解调；解调后的信号输入Low Pass Filter模块执行低通滤波，截止频率为6 kHz；最后将低通滤波后的信号输入Link11 Receiver D模块执行信号解调。

开发相关OOT模块Link11 Receiver D执行信号解调，解调流程如下：

（1）根據多普勒单音频点605 Hz频率特性检测前导段。

（2）由于2 915 Hz用来同步接收端和发送端的信号［13］，因此检测到一个前导段之后，根据2 915 Hz频率特性检测段同步点［14］，即段起始点。

（3）完成前导段和同步点检测之后，生成16个单音的标准参考载波，计算参考载波与当前信号段载波的相位差，根据相位差输出二进制位。4种相位［225°，315°，135°，45°］对应二进制位［00，10，01，11］。

（4）根据产生的二进制位流进行文本符号解析，解析出的消息通过UDP发送到控制终端［15］。

为验证Link11数据链系统发送端以及接收端算法的可靠性，对系统进行多次通信实验。误码率BER是衡量系统在规定时间内数据传输精确性的指标。因此在通信系统中，一般用BER评价接收端信号质量。在实验过程中，发送端发送固定消息，调整收发两端天线的距离0～50 m，步进5 m，每个点位接收端通信时间设为30 s。对比收发两端的信息得到误码率BER。

如图4所示为Link1数据系统的整体性能距离BER曲线，当收发两端天线距离增加时，系统的误码率上升；但在此距离范围内，系统的误码率总体小于1.7e-3，完全满足Link11数据链系统的指标要求，这也间接验证了发送端和接收端算法的可靠性。

4 结语

本文研发了一套基于SDR的完整Link11数据链系统，包括数据链的发送端和接收端。发送端通过UDP读取控制终端消息，然后再执行QPSK调制和FM调制，最后通过天线发出；接收端通过天线接收信号，再执行正交解调、低通滤波、前导段检测、同步点检测以及相位差计算和文本符号解析，最后通过UDP发送消息到控制终端。同时，对比收发端的消息，测量出系统的BER。实验结果表明，本文方案完整实现了基于SDR的Link11数据链系统，其性能指标也满足要求。

由于系统实现方案比较简洁，因此可移植性较高。同时仅需要两块B210射频板就能完成短距离信号的收发，因此实现成本低。可应用于各电子战对抗单位的实验，同时也可进一步研究应用于民用通信系统。

参考文献

［1］张格鹏，陈林山，张震，等.战术数据链的现状与发展研究［J］.现代传输，2020（5）：44-46.

［2］费忠霞，尹华锐，徐佩霞.基于DSP的LINK11数据链对抗系统［J］.航天电子对抗，2005（4）：51-54.

［3］张帅帅，郑龙，王玉文，等.基于Opnet的Link11数据链仿真设计［J］.通信技术，2011（2）：62-64.

［4］唐力强，卫超.基于时频特征的Link4A和Link11信号检测方法研究［J］.计算机与数字工程，2017（2）：409-413.

［5］马向宁.战术数据链的应用和技术研究［J］.长江信息通信，2019（6）：270-271.

［6］谭志强，徐军.Link11数据链性能仿真分析［J］.舰船电子对抗，2011（4）：1673-9167.

［7］范小麟，马大玮，李晓飞.Link11误码性能分析［J］.中国科技信息，2007（1）：101-102.

［8］韩剑，张杰.Link11数据链特点及干扰方法［J］.电子信息对抗技术，2014（2）：39-43，54.

［9］李永志.Link11数据链仿真技术研究［J］.计算机与网络，2019（24）：57-59.

［10］李慧博，吴海乔，栗苹，等.基于VMware的Link11数据链半实物仿真技术［J］.兵工学报，2020（S2）：224-233.

［11］关媛，樊宏伦，樊来恩.数据链中DQPSK调制解调仿真［J］.信息通信，2020（1）：90-93.

［12］何斌.一种基于Goertzel算法的Link11信号检测和同步方法［J］.通信对抗，2017（2）：18-21.

［13］邓宇.低信噪比环境下Link-11解调方法研究［J］.无线互联科技，2015（8）：124-126.

［14］李晓龙，陈建青，刘波.基于汉宁窗的插值FFT算法在11号数据链测频中的应用［J］.舰船电子工程，2018（5）：37-40.

［15］杨伟程，帅明，郭军.基于FPGA的Link11解调实现［J］.通信对抗，2015（1）：34-37.

（编辑 沈 强）

Design of Link11 data link system based on SDR

Xiong  Hang， Liao  Conghui， Du  Hong

（Chengdu University of Information Technology， Chengdu 610225， China）

Abstract： In view of the fact that the current Link11 datalink research only verifies key technologies and lacks the status quo of the complete workflow of the datalink， this paper develops a complete Link11 datalink system based on SDR， including the sending and receiving ends of the datalink. After the implementation of both ends of the transceiver， the error performance of the Link11 data link system is tested. Experimental results show that the Link11 data link communication system is fully implemented in this system， and in the experiment based on the distance index， the system has better error performance under the real channel.

Key words： Link11 data link system; sender; receiving end; bit error performance