一種時(shí)分自組網(wǎng)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的設(shè)計(jì)

天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司 魏藝明 朱鐵林 牛立新

數(shù)據(jù)鏈依托有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)通信信道，在載荷設(shè)備、控制設(shè)備、指揮平臺(tái)之間傳輸信息，其搭載于無(wú)人機(jī)的使用方式已在電力巡檢、海域監(jiān)測(cè)、目標(biāo)偵察等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。采用無(wú)人機(jī)搭配數(shù)據(jù)鏈可代替人工在嚴(yán)苛的環(huán)境中作業(yè)，在要求的時(shí)間內(nèi)完成傳感器信息的有效采集，以及控制和狀態(tài)信息的傳遞，將信息匯集到指揮控制平臺(tái)中統(tǒng)一管理，為行業(yè)應(yīng)用提供高效、便捷的實(shí)現(xiàn)手段。

隨著行業(yè)技術(shù)革新，無(wú)人機(jī)逐漸向敏捷和多樣化的趨勢(shì)發(fā)展，其監(jiān)視目標(biāo)的范圍逐漸擴(kuò)大，傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸很難高效完成任務(wù)，且常需要同時(shí)傳輸視頻圖像和控制信息等數(shù)據(jù)，信息量增大，對(duì)傳輸可靠性提出了更嚴(yán)格的要求。為適應(yīng)更多機(jī)型，數(shù)據(jù)鏈設(shè)備要小型化、低功耗，提高接口兼容能力和傳輸效率，增加多點(diǎn)傳輸功能實(shí)現(xiàn)多機(jī)同時(shí)作業(yè)。

從功能、應(yīng)用和技術(shù)三方面考慮，設(shè)計(jì)了一種采用時(shí)分雙工工作方式，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈，具有串口、CAN接口適用于多種類(lèi)型傳感器和控制設(shè)備，同時(shí)具備圖傳和數(shù)傳功能，可接受高清和標(biāo)清視頻輸入，集射頻和數(shù)字電路于一體提高了設(shè)備集成度，自動(dòng)組網(wǎng)的功能可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。

1 時(shí)分自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈總體方案

數(shù)據(jù)鏈分為機(jī)載端和地面端，機(jī)載端由機(jī)載設(shè)備和天線(xiàn)組成，搭配載荷、飛控設(shè)備使用；地面端由地面設(shè)備和天線(xiàn)組成，搭配計(jì)算機(jī)和顯示器使用。機(jī)載端和地面端之間建立無(wú)線(xiàn)信道，上行可實(shí)現(xiàn)對(duì)鏈路、飛機(jī)的控制，下行可實(shí)現(xiàn)視頻圖像、鏈路狀態(tài)、飛機(jī)狀態(tài)等信息的傳輸，發(fā)送控制指令和數(shù)據(jù)顯示可在地面計(jì)算機(jī)的指揮控制界面中實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)采用時(shí)分雙工加時(shí)分多址的通信方式，采用BPSK調(diào)制以提高鏈路傳輸可靠性，采用(4，3，7)卷積編碼傳輸控制和狀態(tài)信息，以減小延時(shí)、提高傳輸信息的實(shí)時(shí)性。傳輸視頻等數(shù)據(jù)量較大的信息時(shí)，采用3/4 LDPC編碼，抵抗多徑干擾的同時(shí)能帶來(lái)約3.5dB的鏈路余量。自組網(wǎng)的過(guò)程中系統(tǒng)自動(dòng)分配時(shí)隙，減少了人工干預(yù)，提高了使用靈活性。時(shí)分雙工的設(shè)計(jì)免去了雙工器的使用，相比頻分雙工的設(shè)計(jì)更容易實(shí)現(xiàn)小型化和低功耗。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)載設(shè)備

機(jī)載設(shè)備可實(shí)現(xiàn)控制、狀態(tài)數(shù)據(jù)收發(fā)，視頻采集編碼功能，具有串口、CAN數(shù)據(jù)接口，以及SDI高清視頻接口和CVBS標(biāo)清視頻接口，有以下功能模塊：（1）中射頻模塊：采用“FPGA+變頻收發(fā)器+射頻前端”架構(gòu)，將調(diào)制解調(diào)、編碼解碼、時(shí)域均衡等中頻處理過(guò)程在FPGA中編程實(shí)現(xiàn)，通過(guò)變頻收發(fā)器進(jìn)行數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過(guò)射頻前端實(shí)現(xiàn)功率放大發(fā)送和低噪放接收，中頻和射頻電路集成在一塊板卡，通過(guò)合理劃分地平面和屏蔽設(shè)計(jì)防止干擾使整機(jī)小型化，時(shí)分雙工使信道分時(shí)復(fù)用，可減小系統(tǒng)功耗；（2）視頻編碼模塊：以H.265視頻編碼芯片為核心，搭配SDI高清和CVBS標(biāo)清視頻采樣芯片，支持NTSC、PAL、720p60等分辨率的視頻輸入，相比H.264編碼方式最多能降低50%的碼率，提高了視頻傳輸效率；（3）數(shù)據(jù)收發(fā)模塊：采用CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片和多協(xié)議串口轉(zhuǎn)換芯片，支持CAN、RS232和RS422，適合多數(shù)傳感器和控制器接口；（4）時(shí)鐘模塊：采用TCXO晶振和低抖動(dòng)時(shí)鐘分配器作為時(shí)鐘源，保證信號(hào)穩(wěn)定性；（5）電源模塊：主電源可接受9～36V電源輸入，使用多通道降壓穩(wěn)壓器和LDO芯片為各功能模塊供電。機(jī)載設(shè)備上電后自動(dòng)檢測(cè)自身狀態(tài)，向地面發(fā)送帶有同步狀態(tài)、視頻狀態(tài)、信噪比的遙測(cè)信息。

2.2 地面設(shè)備

地面設(shè)備可實(shí)現(xiàn)控制、狀態(tài)數(shù)據(jù)收發(fā)，以及視頻解碼輸出功能，具有CAN接口、串口、網(wǎng)口，可直接輸出SDI、HDMI、CVBS接口的高清和標(biāo)清視頻連接顯示器觀看，以及未解碼的視頻流支持在計(jì)算機(jī)軟件解碼觀看，有以下功能模塊：（1）中射頻模塊：采用“FPGA+變頻收發(fā)器+射頻前端”架構(gòu)，除了中頻處理和射頻收發(fā)，還實(shí)現(xiàn)入網(wǎng)管理、數(shù)據(jù)分配等功能；（2）視頻解碼模塊：以H.265視頻解碼芯片為核心，可直接硬件解碼輸出CVBS標(biāo)清視頻和HDMI高清視頻，外接SDI串行器可實(shí)現(xiàn)SDI接口輸出，支持多種高清和標(biāo)清視頻分辨率；（3）數(shù)據(jù)收發(fā)模塊：CAN接口和串口支持用戶(hù)數(shù)據(jù)直接輸出，千兆網(wǎng)口支持全部數(shù)據(jù)發(fā)至計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)的指揮控制界面可發(fā)送指令、讀取數(shù)據(jù)、觀看視頻；（4）時(shí)鐘模塊：采用TCXO和時(shí)鐘發(fā)生器構(gòu)建時(shí)鐘樹(shù)為整機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)；（5）電源模塊：可接受9～36V電源輸入，低紋波穩(wěn)壓器和LDO為各模塊供電。在地面指揮控制界面可對(duì)機(jī)載和地面設(shè)備發(fā)送指令，調(diào)整功率大小、切換中心頻點(diǎn)等，可查看機(jī)載遙測(cè)信息、地面站測(cè)信息、飛機(jī)狀態(tài)信息等，實(shí)時(shí)了解鏈路狀態(tài)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)載和地面設(shè)備上電后，自動(dòng)組成以地面為中心的網(wǎng)絡(luò)，入網(wǎng)成功后開(kāi)始數(shù)據(jù)收發(fā)，地面設(shè)備根據(jù)每個(gè)機(jī)載設(shè)備的編號(hào)區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)并分別控制或顯示。系統(tǒng)采用時(shí)分多址的通信方式，時(shí)隙的劃分如圖1所示，分為上行遙控、下行數(shù)據(jù)和視頻傳輸、入網(wǎng)申請(qǐng)三種時(shí)隙，在每?jī)蓚€(gè)時(shí)隙之間加入保護(hù)間隔防止跨時(shí)隙干擾。

圖1 時(shí)隙劃分

3.1 入網(wǎng)流程

機(jī)載設(shè)備上電后即進(jìn)入入網(wǎng)流程，搜索測(cè)控范圍內(nèi)地面設(shè)備的遙控信號(hào)，未建立網(wǎng)絡(luò)時(shí)，機(jī)載設(shè)備處于監(jiān)聽(tīng)并申請(qǐng)入網(wǎng)狀態(tài)。入網(wǎng)流程如圖2所示，分為以下幾步：（1）機(jī)載設(shè)備接收到地面遙控信息后開(kāi)始同步，計(jì)算時(shí)隙位置，到達(dá)入網(wǎng)申請(qǐng)時(shí)隙時(shí)申請(qǐng)入網(wǎng)；（2）地面設(shè)備收到入網(wǎng)申請(qǐng)后查詢(xún)已入網(wǎng)的飛機(jī)數(shù)是否達(dá)到飽和，沒(méi)有達(dá)到飽和則從空閑的時(shí)隙中選擇，按序號(hào)為新申請(qǐng)的飛機(jī)分配時(shí)隙，并發(fā)送含有機(jī)載設(shè)備編號(hào)的允許入網(wǎng)通知，已飽和則發(fā)送禁止入網(wǎng)通知；（3）機(jī)載設(shè)備在遙控時(shí)隙接收到帶有自己編號(hào)的允許入網(wǎng)通知后，則成功入網(wǎng)并發(fā)送下行信息，地面設(shè)備在指定時(shí)隙接收到可確認(rèn)機(jī)載設(shè)備入網(wǎng)成功，如果一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到，或收到禁止入網(wǎng)信息，則隨機(jī)延時(shí)一段時(shí)間后再申請(qǐng)入網(wǎng)。

圖2 入網(wǎng)流程

3.2 數(shù)據(jù)處理流程

下行數(shù)據(jù)處理流程：下行傳輸?shù)男畔ㄒ曨l及傳感器信息、飛機(jī)狀態(tài)信息和鏈路遙測(cè)信息。機(jī)載設(shè)備中，視頻經(jīng)接口轉(zhuǎn)換和編碼壓縮后轉(zhuǎn)換為1.6Mbps的碼流，傳感器信息和飛機(jī)狀態(tài)信息由串口、CAN接口輸入，遙測(cè)信息由設(shè)備檢測(cè)鏈路狀態(tài)后產(chǎn)生，下行信息在FPGA內(nèi)經(jīng)過(guò)組幀、編碼、調(diào)制后轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)發(fā)送到地面。地面設(shè)備在FPGA中進(jìn)行解調(diào)、解碼、解幀后根據(jù)數(shù)據(jù)類(lèi)型分類(lèi)， 飛機(jī)狀態(tài)信息和鏈路遙測(cè)信息可通過(guò)串口或CAN接口直接輸出到專(zhuān)用設(shè)備，經(jīng)過(guò)的接口少延時(shí)低，同時(shí)全部下行信息可通過(guò)千兆網(wǎng)口輸出到計(jì)算機(jī)指揮控制界面進(jìn)行后續(xù)操作，視頻既可以連接地面設(shè)備的SDI、HDMI高清或CVBS標(biāo)清輸出接口直接觀看，也可以通過(guò)解碼軟件觀看，提供多種使用數(shù)據(jù)的方式。

上行數(shù)據(jù)處理流程：上行傳輸?shù)男畔w控信息和鏈路遙控信息。上行控制信息既可以在專(zhuān)用設(shè)備上通過(guò)串口或CAN接口直接發(fā)送，也可以在指揮控制界面中發(fā)送。上行信息在FPGA中組幀、編碼、調(diào)制后轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)發(fā)送到機(jī)載設(shè)備，機(jī)載設(shè)備收到后根據(jù)類(lèi)型區(qū)分，飛控信息通過(guò)CAN接口或串口發(fā)至飛控設(shè)備，遙控信息由機(jī)載設(shè)備解析，進(jìn)行調(diào)整功率、切換頻點(diǎn)、入網(wǎng)退網(wǎng)等操作。

4 系統(tǒng)測(cè)試

為測(cè)試系統(tǒng)功能，搭建了一站三機(jī)鏈路，系統(tǒng)帶寬12 MHz，機(jī)載設(shè)備發(fā)射功率30 dbm，地面設(shè)備發(fā)射功率32 dbm，天線(xiàn)增益6 dBi，當(dāng)傳輸距離為10 km時(shí)，下行有11 dB鏈路余量，上行有14 dB余量，余量足夠可保證傳輸距離。

（1）組網(wǎng)功能測(cè)試。上電后，如果成功入網(wǎng)三個(gè)機(jī)載設(shè)備會(huì)分別回報(bào)鏈路遙測(cè)信息到地面，根據(jù)遙測(cè)幀協(xié)議可解析出編號(hào)為1B18的機(jī)載設(shè)備入網(wǎng)序號(hào)為1，編號(hào)為2724的入網(wǎng)序號(hào)為2，編號(hào)為1417的入網(wǎng)序號(hào)為3，三個(gè)設(shè)備有不同的編號(hào)并且能循環(huán)回報(bào)表示入網(wǎng)成功，根據(jù)遙測(cè)信息，自檢信息、信噪比、視頻回報(bào)均在正常值范圍內(nèi)，表示機(jī)載設(shè)備狀態(tài)、鏈路狀態(tài)和視頻編解碼都正常。

（2）數(shù)據(jù)收發(fā)測(cè)試。連接串口轉(zhuǎn)USB和CAN轉(zhuǎn)USB轉(zhuǎn)接線(xiàn)，使用串口和CAN接口調(diào)試助手進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)測(cè)試，機(jī)載和地面設(shè)備同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，串口發(fā)送100000字節(jié)以上，CAN接口發(fā)送擴(kuò)展幀8000幀以上，經(jīng)對(duì)比無(wú)錯(cuò)數(shù)和丟數(shù)，說(shuō)明上行和下行的誤碼率小于等于10-5。

（3）視頻傳輸測(cè)試。在電腦端使用VLC等視頻解碼軟件打開(kāi)RTSP網(wǎng)絡(luò)串流，地面設(shè)備的視頻輸出接口連接顯示器，可同時(shí)觀看軟件解碼和硬件解碼后的視頻，經(jīng)測(cè)試視頻清晰流暢，三路互不干擾。

上行信息傳輸延時(shí)約20 ms，下行視頻傳輸延時(shí)約230 ms，具有較好的實(shí)時(shí)性。機(jī)載設(shè)備加天線(xiàn)總重量小于200 g，功耗約7 W，重量輕體積小可在多種機(jī)型上搭載。

結(jié)論：為適應(yīng)不斷發(fā)展的行業(yè)應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了基于時(shí)分雙工和時(shí)分多址通信方式，可自動(dòng)組網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，系統(tǒng)能同時(shí)進(jìn)行圖像傳輸和數(shù)據(jù)傳輸，接口豐富可對(duì)接多種載荷和控制設(shè)備。設(shè)計(jì)采用自組網(wǎng)的方式降低了對(duì)人工操作的要求，在地面端可以便捷的進(jìn)行鏈路控制和數(shù)據(jù)獲取，滿(mǎn)足多種機(jī)型的使用要求，在飛行試驗(yàn)和批量生產(chǎn)中都取得了良好的應(yīng)用效果。