無人機無線數(shù)據(jù)鏈路校準(zhǔn)設(shè)備的設(shè)計與實現(xiàn)

陸文駿

(安徽三聯(lián)學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

無人機系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)性能指標(biāo)始終是影響其作戰(zhàn)使用的關(guān)鍵因素，基層部隊沒有配備相應(yīng)的檢測設(shè)備。中程無人機系統(tǒng)現(xiàn)有測試方法以定性測試為主，只能近場用小功率信號進行定性的功能觀察；通過飛機與地面站相隔5公里，用大功率信號的拉距試驗，來粗略評定無線數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)。有時信號不穩(wěn)定、不通暢也無法明確原因。這種測試方法的指標(biāo)種類、數(shù)量少，測試結(jié)果不可靠，難以準(zhǔn)確評價中程無人機全系統(tǒng)工作性能。為解決系統(tǒng)檢測方法單一、準(zhǔn)確率低、無法定量分析的問題，可通過對發(fā)射功率、接收靈敏度、誤碼率參量的測量[1](P169-183)，全面準(zhǔn)確地評估無人機無線數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的技術(shù)性能。

1 無線數(shù)據(jù)鏈路校準(zhǔn)設(shè)備的總體方案設(shè)計

1.1 無線數(shù)據(jù)鏈路校準(zhǔn)設(shè)備的組成

通過對無線數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的研究分析，確定以對無線數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)整體性能影響較大的無人機系統(tǒng)射頻發(fā)射設(shè)備的信號功率、頻率、射頻接收設(shè)備的接收靈敏度、動態(tài)范圍、誤碼率作為校準(zhǔn)指標(biāo)。無線數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的現(xiàn)場校準(zhǔn)與實驗室校準(zhǔn)有著本質(zhì)的區(qū)別，即要求使用盡量少的儀器、儀表，和簡單易行的測量方法，測量環(huán)境不能要求苛刻等。接收器靈敏度是接收器可以無干擾地解碼的最低信號強度[2]。然而，各種惡劣的空中通信介質(zhì)已經(jīng)引起發(fā)射器和接收器之間的信號路徑的顯著變化[3]，無線數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)直接在空中校準(zhǔn)，極易受到環(huán)境的干擾，影響測量的準(zhǔn)確性，只有真實反映出接收靈敏度，才能估算出作戰(zhàn)距離，因此我們提出了在地面采用射頻信號有線測量環(huán)境來模擬理想無線數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的信道，用有線方式校準(zhǔn)無線數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的工作狀況和性能指標(biāo)[4-5]?？紤]到射頻測量專業(yè)性強，人為因素對測量結(jié)果的影響大，宜采取現(xiàn)場自動校準(zhǔn)的方式[6](P61-72)。

無線數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)校準(zhǔn)重點研制的校準(zhǔn)設(shè)備有程控功率計、程控衰減箱、誤碼檢測儀等。工作原理如圖1所示。

圖1 無線數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)校準(zhǔn)設(shè)備的工作過程圖

1.2 無人機無線數(shù)據(jù)鏈路校準(zhǔn)工作模型

一般無線電設(shè)備的性能指標(biāo)包括接收靈敏度、帶寬、發(fā)射功率、信噪比、雜散輻射、噪聲系數(shù)、增益、帶寬、中心頻率、調(diào)制度、相位噪聲、鄰道泄露功率、諧波雜波抑制度等。由于無人機裝備的特殊性，不能拆開每一工作單元分項校準(zhǔn)，不能按通用發(fā)射接收設(shè)備的方式來檢測，要實現(xiàn)無人機系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路校準(zhǔn)檢測，需要找出真實反映出數(shù)據(jù)鏈路性能的關(guān)鍵參數(shù)，選擇安全合理的校準(zhǔn)點，然后對這些關(guān)鍵參數(shù)和校準(zhǔn)點進行測量。

無線數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)工作模型如圖2所示，無線數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)校準(zhǔn)包括信號發(fā)射設(shè)備校準(zhǔn)和信號接收設(shè)備校準(zhǔn)。發(fā)射設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)類型較多，經(jīng)分析，發(fā)射信號的功率、頻率是影響無人機系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。由于接收機輸入端的射頻功率在不同地點都互不相同，要求無人機系統(tǒng)接收機有較寬自適應(yīng)控制增益的能力。能在強干擾和噪聲存在的情況下解調(diào)出所需信號。接收設(shè)備的關(guān)鍵指標(biāo)包括接收機靈敏度，動態(tài)范圍和傳輸信道差錯率。

圖2 無線數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)工作過程圖

無線數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)的接收機靈敏度是中程無人機系統(tǒng)性能中最重要的指標(biāo)之一。表示數(shù)據(jù)鏈接接收器接收弱信號的能力。 通過測量上下行數(shù)據(jù)鏈的發(fā)射功率、接收靈敏度，評估出無人機作戰(zhàn)距離這一關(guān)鍵指標(biāo)。 由于無人機系統(tǒng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其接收靈敏度的測量不能按照傳統(tǒng)方法進行。 需要深刻分析其接收機理，找出其在無人機系統(tǒng)中相關(guān)聯(lián)的參數(shù)，通過檢測該項參數(shù)，同時改變接收機輸入端的電平，獲得接收器正常工作的最低信號，即接收器靈敏度。接收靈敏度校準(zhǔn)過程如圖3所示。

圖3 接收靈敏度校準(zhǔn)過程圖

無線數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的誤碼率也是一個重要指標(biāo)，通過在上下行信道的基帶信號輸入端發(fā)送符合無人機數(shù)據(jù)格式要求的偽隨機序列，在無線數(shù)據(jù)鏈動態(tài)范圍內(nèi)取高、中、低不同點，即在接收機輸入端允許的不同電平處，檢測傳輸信道中的誤碼率。誤碼率檢測過程如圖4所示。

圖4 誤碼率檢測過程圖

1.3 技術(shù)指標(biāo)要求

1.3.1 程控功率計

工作頻率：0～8 GHz

功率范圍：大功率250 mW～50 W， 小功率1 mW～250 mW，不確定度 0.36 dB(k=2)

駐波比:≤1.25

1.3.2 程控衰減箱

工作頻率：4 GHz～8 GHz

動態(tài)范圍：80 dB～140 dB 不確定度1.5 dB(k=2)

步進長度:0.5 dB

駐波比:≤1.25

2 無人機無線數(shù)據(jù)鏈路校準(zhǔn)設(shè)備的分系統(tǒng)設(shè)計

2.1 程控功率計

功率計作為一種通用電子測量設(shè)備，易受環(huán)境溫濕度等因素影響[7]，實現(xiàn)準(zhǔn)確測量往往要求在實驗室進行，由于無人機系統(tǒng)作戰(zhàn)使用環(huán)境的特殊性，對其發(fā)射功率的測量必須克服這一局限，應(yīng)其能適應(yīng)現(xiàn)場的各種復(fù)雜惡劣環(huán)境條件。因此需要研制針對無人機射頻信號的特點且具有溫度自動補償能力的現(xiàn)場功率計，使其既能完成大功率測量，又能滿足小功率測量的準(zhǔn)確度[8]。

功率計的關(guān)鍵部件是功率探頭[9]，目前功率探頭的種類很多，主要歸類于三種：熱敏電阻式、熱電偶式和晶體二極管式。上述探頭配置相應(yīng)的衰減器，可獲得更高功率的量程，實現(xiàn)中功率測量[10]。在本研究中，功率計設(shè)計采用熱電偶式C波段中功率計設(shè)計。

2.2 程控衰減箱

接收機接收靈敏度的檢測需要有射頻信號源來給接收機施加低電平的激勵，電平的高低通過控制程控衰減箱來改變[11]。如何評判接收正確與否？如何衡量？這是無人機裝備有別于其他接收機的特殊地方。經(jīng)反復(fù)論證得出：通過尋找隱藏在遙測信息中的特征字來判別鏈路中的鎖定情況，即找到接收機正常接收時的低電平閾值。設(shè)計方案為：給定程控衰減箱的衰減量，再查詢特征字獲悉鏈路鎖定情況，如果已鎖定，再加大衰減量，降低接收機輸入電平，直至發(fā)現(xiàn)特征字顯示鏈路失鎖；若給定程控衰減箱的衰減量，查詢特征字獲悉鏈路已失鎖，則減小衰減量，提高接收機輸入電平，直至發(fā)現(xiàn)特征字顯示鏈路鎖定。根據(jù)從鎖定到失鎖的這一過程對應(yīng)的衰減量、射頻線纜的損耗和發(fā)射的小信號功率，算出被測接收機的靈敏度。

接收靈敏度指標(biāo)的檢測必須利用無人機系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的小信號通過程控衰減箱后加到鏈路接收機的輸入端，格式不同的信號鏈路始終失鎖，無法進行校準(zhǔn)[12]，如圖5所示，圖中以上行主通道任務(wù)機接收機的接收靈敏度的校準(zhǔn)為例，從地面站上行主通道的小信號輸出(即功率放大器的輸入端)獲得低電平的激勵，經(jīng)過程控衰減箱后，輸出可調(diào)的弱電平信號給任務(wù)機接收機，主控系統(tǒng)再檢測任務(wù)機接收機的鎖定狀況，當(dāng)弱電平信號使任務(wù)機處于鎖定和失鎖的邊界時，此電平信號就是任務(wù)機接收機的接收靈敏度指標(biāo)。

圖5 接收靈敏度校準(zhǔn)過程圖

3 無線鏈路校準(zhǔn)設(shè)備的實現(xiàn)

無線數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)校準(zhǔn)設(shè)備采用組合箱結(jié)構(gòu)，原型如圖6所示。

圖6 無人機無線數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)校準(zhǔn)設(shè)備原型實物圖

無線數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)校準(zhǔn)設(shè)備需要研制適合裝備特點的關(guān)鍵設(shè)備及其附屬模塊，還需要選購?fù)ㄓ脙x器儀表組成，對通用儀器設(shè)計主要是儀器的選型應(yīng)與被試設(shè)備參數(shù)范圍相適應(yīng)，兼顧成本和可靠性。無線數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)校準(zhǔn)設(shè)備主要用于平時或戰(zhàn)時裝備現(xiàn)場條件下校準(zhǔn)鏈路的綜合性能，重點是上、下行鏈路發(fā)射功率、接收最低電平指標(biāo)的校準(zhǔn)，從而給無人機系統(tǒng)的作戰(zhàn)距離作出定量評定。這部分硬件技術(shù)設(shè)計的重點是功率計探頭和指示器、程控衰減箱在各個不同頻點、不同環(huán)境下測量結(jié)果的一致性、穩(wěn)定性的保證，構(gòu)建出適合裝備現(xiàn)場測量平臺。

3.1 程控衰減箱

程控衰減箱由數(shù)控衰減器、功分器、半鋼電纜連接組件、固定衰減器組成，原理框圖如圖7(a)所示，其中數(shù)控衰減器為有源器件，極易受環(huán)境溫度影響使功率衰減量變化[13]。重點對該模塊做了溫度誤差修正，內(nèi)置感溫器件和溫度修正數(shù)據(jù)庫。其他部分屬于無源器件，量值穩(wěn)定，事先標(biāo)定好即可保證系統(tǒng)測量要求。從功分器分流一部分射頻小信號送到功率計，用于實時監(jiān)測各個頻段頻點的射頻小信號功率，以便系統(tǒng)準(zhǔn)確計算出接收機正確工作時的最低電平。設(shè)計完成的程控衰減箱實物圖如圖7(b)所示。

圖7 程控衰減箱工作過程及實物圖

3.2 寬動態(tài)范圍高精度功率計

功率計在無線數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的發(fā)射設(shè)備、接收設(shè)備檢測中都是必不可少的環(huán)節(jié)。針對無人機裝備及其無線數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)射頻信號的特點，既要滿足大功率檢測時功率計安全，不被燒壞，又要保證小功率量程時準(zhǔn)確度高。需研制適合該特點的功率計。

3.2.1 功率探頭設(shè)計

采用薄膜熱電偶片進行功率探頭設(shè)計，需要保證射頻輸入端匹配狀況良好；由于薄膜熱電偶片的工作溫度范圍0 ℃～45 ℃比較寬，采用隔熱材料進行了功率探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證功率探頭內(nèi)的熱電偶片受溫度等環(huán)境因素影響小，并將溫度系數(shù)修正入功率計內(nèi)；熱電偶檢測出的電壓比較小(0.01 mV)，采用了穩(wěn)定性好的低噪聲放大器，獲得高的檢測靈敏度。

3.2.2 功率指示器電路設(shè)計

用24位AD轉(zhuǎn)換電路進行了指示器部分的設(shè)計，實現(xiàn)了低于0.01 mV的電壓測量，且數(shù)據(jù)采集速率達(dá)到100次/ms，提高了測量效率；頻率校正因子旨在提高功率計的測量精度。

3.2.3 中功率計的校準(zhǔn)因子定標(biāo)

C波段中功率計由熱電偶功率探頭和相應(yīng)的指示器組成，使用兩個不同范圍的功率探頭并僅使用一個中等功率指示器。其組成原理圖及實物見圖8。

圖8 C波段中功率計工作過程及實物圖

為了衡量所研制的中功率計測量功率的準(zhǔn)確性，需要對其校準(zhǔn)因子的值進行定標(biāo)并用以修正功率計的讀數(shù)。當(dāng)用功率計測量信號功率Pi時，由于功率探頭通常產(chǎn)生反射功率Pr，這與功率探頭的反射系數(shù)ΓL有關(guān)。為了確定輸入信號功率Pi，引入校準(zhǔn)因子的概念并且利用校準(zhǔn)因子校正功率計的指示。結(jié)合總體設(shè)計方案，對1 mW～250 mW量程的功率和250 mW～50 W量程的功率采用交替比較法，分別用高一級的小功率標(biāo)準(zhǔn)和中功率標(biāo)準(zhǔn)，對中功率計校準(zhǔn)因子進行定標(biāo)，并將定標(biāo)校準(zhǔn)因子修正值寫入功率計的顯示程序中。校準(zhǔn)后，中功率計的功率測量不確定度為3%。

3.3 誤碼儀

傳輸誤碼率是無人機無線數(shù)據(jù)鏈性能的關(guān)鍵指標(biāo)，無線數(shù)據(jù)鏈傳輸信道具有特殊的幀格式[14]。目前通用誤碼儀僅能用于電信等領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)通信信道誤碼率的測試，對信道可靠性要求高、檢測速度慢、無法檢測具有特殊幀格式的專用信道，且造價昂貴。因此，根據(jù)無人機信道數(shù)據(jù)幀格式和誤碼檢測要求，研制一種可自適應(yīng)信道特殊幀格式的誤碼檢測分析設(shè)備成為系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)鏈檢測誤碼檢測的關(guān)鍵。

圖10 誤碼檢測過程圖

常見的誤碼率檢測儀多數(shù)用于檢測各種標(biāo)準(zhǔn)高速信道[15]，不便于檢測無人機無線數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中具有特殊幀格式的專用通信信道，并且價格昂貴，搭建檢測平臺復(fù)雜。因此，無人機系統(tǒng)誤碼檢測中，自行研制了誤碼檢測儀。設(shè)計了基于FPGA的誤碼率檢測儀方案，使用Altera公司的Cyclone系列的FPGA(EP1C6240C)及相關(guān)的外圍電路[16]，實現(xiàn)誤碼檢測功能，誤碼儀具有多種工作模式，并將誤碼檢測結(jié)果直接顯示于誤碼儀上的LCD顯示屏上。無人機校準(zhǔn)檢測系統(tǒng)主控計算機可以通過誤碼儀實現(xiàn)的異步串行接口(UART)配置誤碼檢測儀并讀取誤碼信息，由計算機完成進一步的誤碼分析。誤碼檢測設(shè)備樣機如圖9所示。

圖9 誤碼檢測設(shè)備實物圖

系統(tǒng)采用FPGA作為系統(tǒng)的核心，由控制模塊，錯誤檢測主模塊，鍵盤，LED / LCD顯示模塊等模塊組成，該系統(tǒng)實現(xiàn)了單幀可選字節(jié)，可定時單幀固定字節(jié)，可選幀數(shù)可定時固定字節(jié)且中間可插任意碼元等PN碼測試信道性能。

根據(jù)無人機檢測系統(tǒng)對誤碼檢測的功能要求，誤碼儀的工作模式如下：

實現(xiàn)固定碼長序列的誤碼檢測；實現(xiàn)一定時間范圍內(nèi)序列的誤碼檢測；實現(xiàn)無人機上下行數(shù)據(jù)鏈路特殊數(shù)據(jù)幀格式的錯誤檢測；實現(xiàn)無人機圖像傳輸通道數(shù)據(jù)幀格式的錯誤檢測。

誤碼檢測儀原理如圖10所示，F(xiàn)PGA內(nèi)部的邏輯代碼用Verilog HDL硬件描述語言在Altera公司的Quartus 6.0集成開發(fā)環(huán)境下開發(fā)。

經(jīng)過測試，誤碼檢測儀的差錯率為10-8，可用于傳輸速率低于100 MHz的信道誤碼檢測，滿足設(shè)計要求。

4 性能指標(biāo)試驗

無線數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)校準(zhǔn)設(shè)備指標(biāo)測試主要包括：功率計校準(zhǔn)試驗、程控衰減箱校準(zhǔn)試驗。主要目的是驗證功率計、程控衰減箱是否滿足無線數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)發(fā)射功率、接收靈敏度的校準(zhǔn)要求。

4.1 功率計校準(zhǔn)試驗

試驗?zāi)康模候炞C功率計的功率座是否滿足進行無線數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)發(fā)射功率、接收靈敏度校準(zhǔn)的指標(biāo)要求。

試驗場地：中國電子科技集團公司電子第38研究所計量測試中心。

試驗儀器：量程校準(zhǔn)器、功率標(biāo)準(zhǔn)座、量熱式功率計[17]。

試驗方法：對1 mW～250 mW量程的功率和250 mW～50 W量程的功率分別用小功率標(biāo)準(zhǔn)和中功率標(biāo)準(zhǔn)進行校準(zhǔn)，采用交替比較法[18]對中功率計校準(zhǔn)因子進行定標(biāo)測試。

將標(biāo)準(zhǔn)功率座分別連至量程校準(zhǔn)器和量熱式功率計，記錄此時功率指示器的示值；保持量程校準(zhǔn)器的輸出功率幅度不變，將被校功率座分別連至量程校準(zhǔn)器和功率指示器，記錄此時功率指示器的示值，試驗結(jié)果見表1、2。駐波系數(shù)小于1.2。

表1 中功率探頭(250 mW～50 W)

表2 小功率探頭(1 mW～250 mW)

表中數(shù)據(jù)表明，功率測量不確定度不超過0.35 dB，滿足系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)要求。

4.2 程控衰減箱校準(zhǔn)試驗

試驗?zāi)康模候炞C程控衰減箱工作是否正常，檢驗其衰減量是否滿足無線數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)接收靈敏度的校準(zhǔn)要求。

試驗場地：中國電子科技集團公司電子第38研究所計量測試中心。

試驗儀器：信號源、主控制設(shè)備、HP8902AT測量接收機。

試驗原理：程控衰減箱校準(zhǔn)試驗采用串聯(lián)中頻替代法與射頻替代法相結(jié)合的方法[19]。信號源的輸出信號連至被校程控衰減箱，主控制設(shè)備通過串口改變程控衰減箱的衰減量，通過測量接收機接收信號，得到實際衰減量。

表3 程控衰減箱校準(zhǔn)試驗數(shù)據(jù)表(dB)

經(jīng)計算，程控衰減箱的允許誤差極限不超過1.5 dB，滿足系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)要求。

5 結(jié)論與展望

無人機系統(tǒng)在現(xiàn)有測試手段和條件下，測試方法以開環(huán)測試為主，測試指標(biāo)種類、數(shù)量少，測試結(jié)果精度低，在無人機無線數(shù)據(jù)鏈校準(zhǔn)中引入環(huán)路測試方法，以發(fā)遙控指令及接收遙測數(shù)據(jù)的方式，通過發(fā)送和接收兩條線路，在校準(zhǔn)與檢測的過程中形成閉合的信號檢測環(huán)路，搭建出在線動態(tài)測試環(huán)境，實現(xiàn)無人機系統(tǒng)受控狀態(tài)下的綜合性能校準(zhǔn)與檢測。解決系統(tǒng)檢測方法單一、準(zhǔn)確率低、無法定量分析的問題。突破了基于閉環(huán)可控的無線數(shù)據(jù)鏈校準(zhǔn)設(shè)備設(shè)計、無人機射頻弱信號寬動態(tài)范圍高精度測試等關(guān)鍵技術(shù)，研制了無線數(shù)據(jù)鏈校準(zhǔn)設(shè)備，解決了無線鏈路主要參數(shù)校準(zhǔn)檢測的難題，為裝備日常維護、作戰(zhàn)訓(xùn)練及承擔(dān)重大飛行任務(wù)前的技術(shù)保障提供了定量評定手段。

下一步將提高無人機裝備校準(zhǔn)和檢測的覆蓋率，建立無人機計量保障體系，制定有關(guān)裝備的技術(shù)法規(guī)文件，使武器裝備的參數(shù)校準(zhǔn)、檢測有據(jù)可依，執(zhí)行有標(biāo)準(zhǔn)可參照。