Link11數據鏈性能仿真分析

譚志強,徐 軍

(1.國防科技大學,長沙 410000;2.解放軍 63891部隊,洛陽 471003)

0 引 言

Link11(美軍稱之為TADIL A)于20世紀70年代投入使用,計劃服役到2015年。通常所說11號數據鏈除?；腖ink11數據鏈外,還包括陸基的Link11B數據鏈,Link11B是一條專用、點對點、全雙工的數據鏈路,主要用于陸基防空和空中控制單元,采用的消息格式與Link11相同,下面主要針對Link11進行分析論述。

Link11是一條保密的網絡化數字數據鏈路,用于艦艇之間、艦岸之間、艦空之間、空岸之間實現戰術數字信息交換。該數據鏈采用M序列報文,報文標準由美國軍用標準MIL-STD-6011和北約標準STANAG5511定義,通信標準由美國軍用標準MIL-STD-188-203-1A定義。標準傳輸速率為1 364 bps或2 250 bps。它通常在網絡控制站的控制下,以輪詢方式進行工作,也可采用廣播模式工作。Link11數據鏈使用HF和UHF頻段。當使用HF頻段時,能夠覆蓋信息發送地點周圍300 nmile的區域;使用UHF頻段時,能夠提供艦對艦25 nmile、艦對空150 nmile的覆蓋。

1 Link11數據鏈系統組成

Link11數據鏈于20世紀70年代投入使用,是一條保密的網絡化數字數據鏈路。通常所說的11號數據鏈除?；腖ink11數據鏈外,還包括陸基的Link11B數據鏈,它們分別對應于美軍的TADIL-A和TADIL-B。Link11B主要用于陸基防空和空中控制單元,相對?；?Link11來講 Link11B應用范圍較小,本文主要研究對象為?；鵏ink11數據鏈(以下簡稱Link11數據鏈)。Link11數據鏈主要用于艦艇、艦岸、艦空、空岸之間實現戰術數字信息交換。該數據鏈采用M 序列報文,工作模式包括網絡同步(Net Sync)、網絡測試(Net Test)、輪詢(Roll Call)、廣播(Broadcast)、簡短廣播(Short Broadcast)、無線電靜默(Radio Silence)6種,輪詢模式為其主要工作模式。Link11數據鏈使用HF和UHF頻段,當使用HF頻段時,能夠覆蓋信息發送地點周圍300 nmile的區域;使用UHF頻段時,能夠提供艦對艦25 nmile、艦對空150 nmile的覆蓋。

圖1 典型的Link11數據鏈系統

典型的Link11數據鏈系統配置如圖1所示,由計算機、保密設備、數據終端機(DTS)、HF或 UHF無線電設備組成。數據終端機與無線電設備相連,完成所有與網絡操作有關的控制功能。

2 Link11數據鏈仿真算法分析

2.1 仿真原理

按照Link11數據鏈通信標準[1]的描述,數據終端是Link11數據鏈的核心,由它完成Link11音頻信號的產生和接收檢測,因此Link11物理層算法主要是指Link11數據終端的物理層算法。下面對數據終端的功能進行詳細分析。

(1)編碼

Link11使用的編碼方式是漢明編碼,就是在每組信息碼元的后面加補一些附加位以達到檢錯糾錯的目的。DTS從TDS計算機接收24位二進制數據,然后加上6位檢錯糾錯數據(EDAC)把24位數據擴展為30位,其值是基于對24位數據字特定組合的奇偶校驗,具體的監督關系下:

在Link11系統中,只對數據信息進行漢明編碼,起始碼、終止碼、地址碼不進行漢明編碼。

(2)調制解調

在Link11系統中,通過對音頻信號分成數據幀來標示各個30 bit的數據,在這15個數據音頻中每個音頻的相移角度傳遞了這個音頻中包含的數字信息,每幀的每個數據頻率都有特定的相位。在每幀的邊界,每個數據音頻的相位根據前一幀進行相移。相移的大小即相位差決定了這2位數據的值,其相位變化服從表1的規律。

表1 相位變化列表

2.2 主要算法

將數據終端的物理層過程進行了模塊化分解,如圖2和圖3所示,其中虛線框內為數據終端的物理層過程。除AD和DA轉換2個模塊外都需要進行算法設計,下面按照信號從發送到接收的流向,對主要算法模塊進行分析。

圖2 信號發送流程

圖3 信號接收檢測流程

(1)信道編碼

Link11的戰術報文采用(30,24)的漢明編碼,編碼方案由Link11數據鏈系統通信標準[1]定義,從中可以推出生成矩陣G24×39。將戰術報文信息mn×24通過生成矩陣G即得到n幀30 bit的并行數據:

(2)π/4-DQPSK調制

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Link11數據鏈系統采用多音并行體制,沒有信道估計的機制,所以只能采用相對移相的調制方式——差分四進制移相鍵控(π/4-DQPSK以下簡稱DQPSK),從而可以解決相位模糊影響相干解調輸出的問題。首先在基帶生成DQPSK符號對,再搬移到音頻。信號可表示為:

式中:Ik、Qk為本次輸出的符號對;Ik-1、Qk-1為上一次輸出的符號對;θk為輸入二元組對應的相位變化。

(3)副載波調制

Link11數據鏈系統采用了多音并行體制,即用15個音頻載波來同時傳遞信號。一個DQPSK符號對(Ik,Qk)到其對應頻率的DQPSK離散音頻調制信號的計算:

如果令dk=Ik+j Qk,則s(fcnTs)=Re(dkej2πfcnTs),于是 N個單音的 DQPSK離散音頻調制信號可合成:

令N=15,且 fk分別對應通信標準中規定的15個數據副載波單音,那么式(10)就是Link11音頻信號(離散)。將n×15的并行DQPSK符號對進行副載波調制后,可以得到n幀音頻調制信號的離散序列。

(4)副載波解調

副載波解調完成的是將多音并行信號變換到基帶,輸出DQPSK符號對。將式(10)的解析式通過數學變換改寫如下:

那么攜帶數據信息的DQPSK符號對dk的解析式可以表示為:

3 仿真模型的建立

根據Link11數據鏈通信標準,可構建的仿真模型如圖4所示。按照條件化劃分的思想,可以在a處觀察發射信號的波形,在b處考察系統性能,c處為干擾加入點,通過建立系統仿真模型可以對Link11信號頻譜、抗干擾性能進行分析。

3.1 仿真條件及假設

(1)仿真中由數據源隨機生成15幀戰術報文,通過編碼調制等一系列過程后,在b處觀察輸出信號的頻譜。因為Link11音頻信號是15個單音的疊加,通過功率譜可以比較直觀地體現信號的特征。

(2)Link11數據鏈通信標準對數據終端的誤比特有明確規定,仿真中由數據源隨機生成7 500幀戰術報文,信噪比取0～10 dB,步進1 dB,統計各種信噪比下的誤比特率。

(3)c處加入單音干擾,信噪比分別選取10 dB、20 dB、30 dB 時,統計信干比從-5～ 10 dB時的系統性能;加入多音干擾,保持信道中信噪比為20 dB,統計比較1、5、10單音時的系統性能。

圖4 Link11物理層仿真模型

3.2 結果分析

(1)圖5是仿真發射的數據報文的功率譜,可以區分出譜線由16個單音疊加而成。從幅度上看,除605 Hz單音相對高6 dB左右外,其余單音幅度基本相同,與Link11數據鏈通信標準規定一致,驗證了系統仿真模型的正確性。

圖5 數據報文功率譜

(2)圖6是Link11數據終端的整體性能曲線(包括信道編譯碼),可見在10 dB信噪比下,平均誤比特率逼近10-3,系統性能完全滿足 Link11數據鏈系統的指標要求,這也證明了算法的正確性。

圖6 Link11系統性能

(3)圖7為對935 Hz采用單音干擾時,信噪比為10 dB、20 dB、30 dB,數據終端解調誤碼率隨信干比變化情況。與圖6比較,加入單音干擾后數據終端解調性能明顯下降。圖8為多音干擾下的性能曲線,隨著干擾頻點的增長系統解調性能急劇下降。

圖7 單音干擾仿真結果

圖8 多音干擾仿真結果

4 小結

從近幾次局部戰爭的情況看,Link11數據鏈目前仍在美軍及其北約盟國廣泛應用,部分功能還無法替代,因此對Link11數據鏈及其抗干擾性能進行研究具有重要的戰略意義。通過仿真分析,Link11數據鏈中數據終端雖有一定檢錯能力,但總體抗干擾性能不強,特別是針對數據終端實施多音干擾時會造成系統性能的急劇下降,所以對Link11數據鏈組網工作時的抗干擾性、抗毀性還需進一步研究。

[1]M IL-STD-188-203-1A.Interoperability and Performance Standards for Tactical Digital Information Link(tadil)A[S].

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[3]范小麟,馬大瑋,李曉飛.Link11誤碼性能分析[J].中國科技信息,2007(1):101-102.

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[5]蔡嘯,郭偉,周應芳.對美軍戰術數字信息鏈路(TADIL)A的偵察與干擾[J].艦船電子工程,2005,25(4):116-119,123.