摘 要： 采用頻分雙工（FDD）的方式實(shí)現(xiàn)上下行信道的區(qū)分，在應(yīng)用于高速（Mb/s）、遠(yuǎn)距離（100 km以上）傳輸上，一直以來是個(gè)難題。但在載荷有限的浮空平臺(tái)中，如小型無人機(jī)、導(dǎo)彈、飛艇等，仍采用FDD方式。由于收發(fā)頻率的不一致，設(shè)備射頻部分需要兩套接收機(jī)、發(fā)射機(jī)和功放。同樣，對應(yīng)的天線也需要兩套。在體積、重量、功耗多方面都不符合浮空平臺(tái)的裝機(jī)需求。采用時(shí)分多址和時(shí)分雙工相結(jié)合的雙向數(shù)傳系統(tǒng)，通過時(shí)隙分配，可在一套天線、一套收發(fā)射頻裝置上實(shí)現(xiàn)高速數(shù)傳系統(tǒng)的組網(wǎng)通信，解決了浮空平臺(tái)體積、重量受限，同時(shí)又要求雙工通信的難題。

　　關(guān)鍵詞： 遠(yuǎn)程通信；高速數(shù)傳；時(shí)分多址；時(shí)分雙工

0 引言

　　現(xiàn)代軍事通信，尤其是涉及到多媒體通信方面，對于高速率的數(shù)據(jù)傳輸有著越來越廣泛的需要。地面操作人員的大多數(shù)指控行為均是根據(jù)飛行器平臺(tái)回傳的高清實(shí)時(shí)視頻圖像來做出判斷。

　　國內(nèi)目前對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用大多停留在采用單根天線單向傳輸視頻數(shù)據(jù)流的層面[1]，且分辨率和圖像質(zhì)量較低，或者依靠頻分雙工(Frequency Division Dual，F(xiàn)DD)制式實(shí)現(xiàn)視頻、數(shù)據(jù)的雙向傳輸，頻譜利用率與天線利用率較低。以一個(gè)簡單的點(diǎn)對點(diǎn)通信系統(tǒng)為例，發(fā)送方需要2根天線（1根發(fā)送，1根接收），接收方也需要2根天線才能完成該系統(tǒng)的雙向通信。對于有N個(gè)節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)通信，總天線數(shù)量將達(dá)到2N個(gè)。

　　為解決此類難題，開發(fā)了一套新型雙向高速數(shù)傳通信系統(tǒng)，以滿足多功能、高性能、高速率、體積小、重量輕的應(yīng)用需求。該系統(tǒng)在傳輸體制上未采用傳統(tǒng)雙向高速數(shù)傳系統(tǒng)的FDD模式，而是采用了時(shí)分多址(Time Division Multiple Address，TDMA)+時(shí)分雙工(Time Division Dual，TDD)通信系統(tǒng)。采用TDD技術(shù)，地面電臺(tái)不僅能接收來自于空中的下行高速數(shù)據(jù)（視頻）信號(hào)，還能反向傳輸上行指控命令[2]，實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)飛行器的控制。TDMA技術(shù)使得無人機(jī)與地面指揮車既可實(shí)現(xiàn)一對一、點(diǎn)對點(diǎn)通信，也可實(shí)現(xiàn)一對多、多對多的組網(wǎng)通信。而不管系統(tǒng)內(nèi)存在多少臺(tái)設(shè)備，單個(gè)設(shè)備只需要配備一副天線在一個(gè)頻率上即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向、組網(wǎng)通信。

1 系統(tǒng)簡介

　　該系統(tǒng)是自主研發(fā)的、基于兆比特級高速信號(hào)的TDMA與TDD傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)信道上的圖像、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的雙工傳輸[3]。區(qū)別于國內(nèi)其他高速（Mb/s級）數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備只支持單向、單個(gè)視頻傳輸，或者只依靠FDD，該技術(shù)采用雙天線的方式來滿足雙向通信需求。

　　從硬件復(fù)雜度和系統(tǒng)穩(wěn)定性考慮，數(shù)傳系統(tǒng)中頻、基帶信號(hào)處理模塊并未采用傳統(tǒng)FPGA+DSP+MCU方式[4]，而改用單片、低功耗FPGA實(shí)現(xiàn)。所有軟件（控制鏈路層、調(diào)制解調(diào)物理層、TDMA+TDD網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議）也集成在該單片F(xiàn)PGA內(nèi)，軟件集成度、復(fù)雜度較高。采用該設(shè)計(jì)思想，確保了系統(tǒng)的小型化和低功耗。圖1為全雙工兆比特電臺(tái)外形圖，該電臺(tái)尺寸僅為280 mm×150 mm×80 mm，重量≤1.8 kg。

　　TDMA+TDD技術(shù)的應(yīng)用，使得該數(shù)傳系統(tǒng)不僅支持點(diǎn)對點(diǎn)通信，也支持多個(gè)視頻信號(hào)和控制信號(hào)的組網(wǎng)通信。該系統(tǒng)中，下行主要用于傳輸視頻、圖片、飛參信息給地面站圖傳電臺(tái)，上行用于指控命令等低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳送，從而實(shí)現(xiàn)地空間的雙向通信。通過對圖傳系統(tǒng)進(jìn)行常溫下的功能試驗(yàn)、拉距試驗(yàn)、高低溫試驗(yàn)以及振動(dòng)試驗(yàn)等一系列環(huán)境試驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的軟硬件性能及其工作的穩(wěn)定性。

　　圖2 為該系統(tǒng)的級聯(lián)圖，其中，1部地面臺(tái)和2部機(jī)載臺(tái)組成整個(gè)兆級傳輸網(wǎng)絡(luò)，地面臺(tái)可同時(shí)接收來自2部機(jī)載電臺(tái)發(fā)送的圖像或其他高速率碼流，同時(shí)，地面臺(tái)可對2部機(jī)載電臺(tái)發(fā)送指令，從而組成TDMA通信網(wǎng)絡(luò)。

2 協(xié)議軟件的基本原理及實(shí)現(xiàn)

　　數(shù)傳系統(tǒng)的上下行通信由TDMA+TDD協(xié)議來控制，電臺(tái)發(fā)送信息按時(shí)間進(jìn)行循環(huán)。該系統(tǒng)中，地面站數(shù)傳電臺(tái)作為主機(jī)設(shè)備，機(jī)載臺(tái)1與機(jī)載臺(tái)2作為從機(jī)設(shè)備。為避免主機(jī)與從機(jī)通信沖突，上下行幀結(jié)構(gòu)為固定時(shí)隙[5]。機(jī)載臺(tái)1、機(jī)載臺(tái)2和地面臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)的幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　考慮到以圖像信息為主的大數(shù)據(jù)為突發(fā)數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)量較大，因此時(shí)隙劃分時(shí)圖像信息將占用大部分時(shí)隙。該系統(tǒng)中，上下行采用了不同的調(diào)制方式，其中下行為DQPSK，碼率為3 Mb/s，上行為MSK，碼率為60 kb/s。單個(gè)時(shí)隙長度為8 962.16 ms，機(jī)載臺(tái)單次發(fā)送的時(shí)隙長度為16.5 ms，地面臺(tái)發(fā)送同步碼與控制命令的時(shí)隙為0.16 ms，單向空中傳輸延遲1 ms。

　　圖4給出了主機(jī)與從機(jī)工作流程圖。上電后，主機(jī)在規(guī)定的時(shí)隙時(shí)間內(nèi)，發(fā)送已知的同步頭與控制信息，且數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，立即切換至接收狀態(tài)。而從機(jī)開機(jī)后，處于接收狀態(tài)，不斷搜索主機(jī)發(fā)送的同步頭。檢測到同步頭后，對控制信息進(jìn)行解調(diào)并判斷循環(huán)周期計(jì)算值cnt是否小于等于255，若cnt≤255，則分析判斷是否傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳送完畢后，重新判斷cnt是否等于255，若否，則從機(jī)轉(zhuǎn)入復(fù)位狀態(tài)。

　　圖5、圖6分別給出了主機(jī)與從機(jī)發(fā)射狀態(tài)控制及轉(zhuǎn)移圖。主機(jī)與從機(jī)處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，皆包含4個(gè)狀態(tài)[6]，分別為空閑、發(fā)送幀頭、發(fā)送數(shù)據(jù)、發(fā)送保護(hù)數(shù)據(jù)[7]（IDLE、SEND_HD、SEND_DATA、SEND_GUA）。主機(jī)狀態(tài)通過時(shí)鐘頻率為3 MHz的計(jì)數(shù)器控制，從機(jī)通過頻率為60 kHz的計(jì)數(shù)器控制，各狀態(tài)下方為對應(yīng)的計(jì)數(shù)值。

3 關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新性

　?、庞布?，該數(shù)傳系統(tǒng)基帶傳輸速率為3 Mb/s，中頻工作頻率為70 MHz，射頻工作頻率為450 MHz，其中DA模塊工作頻率甚至到達(dá)720 MHz，高頻數(shù)字處理[8]對硬件的布板、布局要求非常高。

　?、栖浖?，高速數(shù)傳電臺(tái)至少支持3 Mb/s的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，并支持TDD制式的數(shù)圖同傳與TDMA模式的多機(jī)組網(wǎng)功能，這對FPGA程序、通信協(xié)議的同步設(shè)計(jì)提出了更高要求。

　　⑶TDD+TDMA工作體制的運(yùn)用。區(qū)別于普通民用產(chǎn)品單向、點(diǎn)對點(diǎn)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，該系統(tǒng)在單根天線上完成信號(hào)上下行傳輸，且支持TDMA模式的多機(jī)組網(wǎng)。

　?、扔布軜?gòu)上，該系統(tǒng)摒棄傳統(tǒng)FPGA+DSP+MCU方式，而改用單片F(xiàn)PGA方式進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，硬件集成度高、穩(wěn)定性好、MTBF（平均無故障維修時(shí)間）指標(biāo)很高。

　　⑸圖像接口：該系統(tǒng)圖像處理模塊不僅提供一路BNC（復(fù)合視頻）輸入輸出接口，而且提供一個(gè)串口和一個(gè)網(wǎng)口。通過網(wǎng)口直接輸出至上位機(jī)，實(shí)時(shí)顯示兩幅圖像及控制信息。

　?、饰锢韺铀惴ǎ涸撓到y(tǒng)上下行信道采用不同的調(diào)制方式， 有效利用了TDMA時(shí)隙。

4 結(jié)束語

　　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)合理，技術(shù)前沿，硬件結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定。接收到的視頻信號(hào)不僅可直接用模擬方式輸出到電視，還可通過電臺(tái)預(yù)留的網(wǎng)口在電腦上顯示，并可實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)后的多幅圖像的顯示，提高了系統(tǒng)的利用率和環(huán)境適應(yīng)性。目前該系統(tǒng)已通過實(shí)驗(yàn)室環(huán)境功能測試，并進(jìn)行了10 km野外拉距試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 楊秦彪,宋鵬,齊建中. 基于CPLD的高速數(shù)傳電臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 遙測遙控, 2011,32(5)：64-67.

　　[2] 汪洋,葛臨東. 基于軟件無線電的短波寬帶跳頻信號(hào)處理系統(tǒng)[A]. 無線傳感器網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)信息處理技術(shù)——2006年通信理論與信號(hào)處理年會(huì)論文集[C]. 2006:382-389.

　　[3] 安建平,羅常青. 一種寬帶OFDM快跳頻電臺(tái)中頻及基帶處理單元的實(shí)現(xiàn)方案[A]. 2005年海峽兩岸三地?zé)o線科技學(xué)術(shù)會(huì)論文集[C]. 2005:487-490.

　　[4] 李楠,周輝. 基于軟件無線電的數(shù)字中頻平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[A]. 全國第二屆嵌入式技術(shù)聯(lián)合學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C]. 2007.

　　[5] Carter T,Kim S,Johnson M. High throughput,power and spectrally efficient communications in dynamic multipath environments[C]. IEEE Military Communications Conference, 2003:61-66.

　　[6] 汪敏,肖斌. 中頻數(shù)字接收機(jī)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2010,26(23):47-48.

　　[7] 覃嶺,鄧小煒,何子述,等. 寬帶數(shù)字下變頻的高效實(shí)現(xiàn)方法研究[J]. 電子科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2008,37(5):698-700.

　　[8] 邢永中,李坤. 軟件無線電技術(shù)在3G系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 電腦與電信, 2010(5):78-80.