直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)信道模擬與通信實(shí)現(xiàn)*

張志科，朱鐵林，宋 哲

(天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津 300457)

0 引 言

直升機(jī)具有快速、機(jī)動靈活、不受地理?xiàng)l件限制等優(yōu)點(diǎn)，在救災(zāi)過程中作為空中救援平臺，得到了大量應(yīng)用[1]。目前，直升機(jī)的通信手段主要依靠短波和超短波，短波受電離層大氣傳播條件變化影響大，超短波限于視距通信、易受高山遮擋、多徑效應(yīng)等因素影響，通信距離有限。衛(wèi)星通信具有不受陸地環(huán)境影響、通信范圍廣等優(yōu)勢[2]，可有效解決上述問題，但是直升機(jī)衛(wèi)星通信還未廣泛應(yīng)用，主要受限于直升機(jī)旋翼對衛(wèi)星信號遮擋導(dǎo)致通信鏈路中斷[3-5]。

目前，有很多人在直升機(jī)衛(wèi)星通信抗旋翼遮擋方面進(jìn)行了研究。王健等人[6]提出一種改進(jìn)的低密度奇偶校驗(yàn)(Low Density Parity Check,LDPC)譯碼算法，并經(jīng)過仿真證明對已知遮擋和預(yù)知遮擋譯碼性能都有一定提高。羅飛騰等人[7]建立了周期性刪除信道模型，討論了重發(fā)模式與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)系，得出兩次重發(fā)可在大多數(shù)遮擋信道下實(shí)現(xiàn)可靠通信，并且具有很好的靈活性和較低復(fù)雜度。董孝東[8]闡述了旋翼遮擋對信號的影響，并介紹了幾種前向鏈路克服旋翼遮擋的方法。姚國義等人[9]提出前向鏈路反饋地面信噪比的方法優(yōu)化縫隙檢測，并仿真可行。湯明文[10]提出一種前向鏈路采用時(shí)間發(fā)射分集，返向鏈路采用基于信號功率的縫隙檢測，在無遮擋間隙進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳的方法，并經(jīng)過仿真證明了方案的可行性。阮先麗等人[11]根據(jù)實(shí)際飛行情況，發(fā)現(xiàn)縫隙檢測算法漏洞，并提出了優(yōu)化方法。魏瑞剛[12]設(shè)計(jì)了一種頻率跟蹤和相位跟蹤方法，可消除多普勒頻偏，并經(jīng)理論推導(dǎo)和仿真證明有較高的頻率跟蹤精度。

本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，采用射頻收發(fā)器AD9361模擬了信道周期性衰減特性，在現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)上實(shí)現(xiàn)縫隙檢測算法，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套直升機(jī)衛(wèi)星通信方案。該方案不受直升機(jī)機(jī)型限制，在40%遮擋率下能實(shí)現(xiàn)前向鏈路25.6 kb/s和返向鏈路4 Mb/s速率下的可靠通信。

1 直升機(jī)衛(wèi)星通信旋翼遮擋信道模擬

在直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，準(zhǔn)確地模擬出因旋翼遮擋導(dǎo)致的信道周期衰減特性是后續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。衰減周期與直升機(jī)旋翼轉(zhuǎn)速、槳葉寬度和數(shù)量有關(guān)，典型的機(jī)型遮擋周期為47±3 ms和62±3 ms[7]，遮擋時(shí)間大概在10 ms。L頻段的仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，旋翼遮擋衰減超過8 dB的概率可達(dá)20%，衰減超過20 dB的概率約3%[7]。根據(jù)文獻(xiàn)[7],Ku頻段因遮擋造成中斷比例最壞情況下可達(dá)35%，Ka頻段遮擋造成的衰減將更寬更深。

本系統(tǒng)中模擬了一個(gè)遮擋周期為40 ms、遮擋時(shí)間分別為8 ms(20%遮擋率)和16 ms(40%遮擋率)的遮擋模型，發(fā)送端控制射頻發(fā)射器AD9361的發(fā)射功率，在前一半遮擋時(shí)間內(nèi)每0.5 ms衰減增加4 dB，后一半時(shí)間內(nèi)每0.5 ms衰減減少4 dB，這樣20%遮擋率的最大衰減可以達(dá)到32 dB，比真實(shí)情況更嚴(yán)格，在Vivado上在線采樣20%遮擋率情況下接收端接收到的信號如圖1所示。

圖1 遮擋信道模擬圖

系統(tǒng)的碼片速率為6.875 Mb/s，采樣間隔為128個(gè)碼片，可見在衰減增加12 dB后信號已經(jīng)很小，無法正常解調(diào)。通過此方法模擬的信道衰減特性更接近真實(shí)情況，甚至比真實(shí)情況更加嚴(yán)格，為后續(xù)縫隙檢測算法實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了硬件驗(yàn)證平臺。

2 縫隙檢測算法優(yōu)化與實(shí)現(xiàn)

縫隙檢測算法是直升機(jī)衛(wèi)星通信中最重要一環(huán)，縫隙檢測結(jié)果是前向鏈路分集接收的依據(jù)，同時(shí)也是返向鏈路在無遮擋縫隙傳輸數(shù)據(jù)的依據(jù)。因此，能否有效檢測出遮擋縫隙是直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)可靠通信的關(guān)鍵。本系統(tǒng)采用的縫隙檢測算法在張峰[15]和高凱等人[14]的邏輯框圖上進(jìn)行了優(yōu)化，并借鑒了阮先麗等人[11]的飛行經(jīng)驗(yàn)，在快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)之后加入濾波器，有效防止了誤捕獲?？p隙檢測算法原理框圖如圖2所示。

圖2 縫隙檢測算法原理框圖

縫隙檢測算法進(jìn)行了兩點(diǎn)優(yōu)化：第一，對解調(diào)后的信號非線性變換，而非在AD9361后直接進(jìn)行非線性變換，因?yàn)锳D9361下變頻后的信號還存在很小的頻偏，此頻偏會對FFT結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重影響；第二，先進(jìn)行濾波再進(jìn)行門限比較，因?yàn)闇y試結(jié)果表明，在遮擋開始和結(jié)束階段，F(xiàn)FT峰值提取結(jié)果會發(fā)生跳變，經(jīng)過濾波器后可有效濾掉跳變，防止誤判。

圖3和圖4分別為對AD9361下變頻后的信號和解調(diào)后的信號進(jìn)行縫隙檢測的結(jié)果，對比表明后者正確且穩(wěn)定。

圖3 對AD9361下變頻后信號峰值檢測結(jié)果

圖4 對解調(diào)后信號縫隙檢測結(jié)果

由圖3 可見，頻偏的存在導(dǎo)致FFT計(jì)算的信號功率隨之周期變化，無法有效提取出旋翼遮擋參數(shù)。由圖4可見，解調(diào)后的信號有效消除了載波頻偏，檢測結(jié)果穩(wěn)定正確。根據(jù)縫隙檢測結(jié)果，可有效得到前向鏈路旋翼遮擋周期、遮擋時(shí)間和返向鏈路無遮擋時(shí)間，為鏈路可靠通信提供保障。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在解決信道遮擋模型和縫隙檢測算法等關(guān)鍵技術(shù)問題后，根據(jù)前向鏈路和返向鏈路的數(shù)據(jù)速率和帶寬要求，制定了一套直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)通信方案，即前向鏈路采用重發(fā)和分集接收及短碼LDPC編碼技術(shù)，返向鏈路采用在無旋翼遮擋縫隙突發(fā)通信和長碼LDPC編碼技術(shù)。要求系統(tǒng)可適應(yīng)大多數(shù)直升機(jī)機(jī)型，并在6.875 Mb/s碼片速率(12 MHz帶寬)和40%遮擋率下，實(shí)現(xiàn)前向鏈路25.6 kb/s和返向鏈路4 Mb/s速率下的可靠通信。

3.1 前向鏈路設(shè)計(jì)

直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中前向鏈路傳送遙控指令，遙控指令對速率要求較低，但對安全性要求較高，無人直升機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)如果一直收不到遙控指令將進(jìn)入失控保護(hù)狀態(tài)。針對這些特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)中前向鏈路采用地面站對數(shù)據(jù)進(jìn)行重發(fā)，機(jī)載端分集接收，并采用短碼LDPC編碼技術(shù)確保鏈路穩(wěn)定可靠。

3.1.1 重發(fā)機(jī)制設(shè)計(jì)

重發(fā)和分集接收設(shè)計(jì)方案需滿足大多數(shù)機(jī)型的要求，因此重發(fā)的時(shí)間設(shè)置尤為重要。本設(shè)計(jì)中采用二次重發(fā)，兼顧靈活性和安全性，同時(shí)節(jié)省資源[7]。在評估系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否滿足要求時(shí)遵循兩個(gè)原則：一是重發(fā)幀時(shí)間與原始幀時(shí)間之和小于旋翼遮擋周期，但要接近旋翼遮擋周期；二是原始幀時(shí)間大于旋翼遮擋時(shí)間，并大得越多越好。第一條原則可保證在一輪發(fā)送時(shí)間內(nèi)只發(fā)生一次遮擋，第二條原則可保證每次遇到遮擋時(shí)都可以分集接收到有用信息。

本設(shè)計(jì)中重發(fā)原理框圖如圖5所示。原始幀和重發(fā)幀一共包含16組，每一組中包含16個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙長度為1 024個(gè)碼片；前8組為原始幀后8組為重發(fā)幀，重發(fā)幀和原始幀發(fā)送的數(shù)據(jù)完全一致；原始幀和重發(fā)幀的第一組前兩個(gè)時(shí)隙發(fā)送不同的同步偽碼，通過兩個(gè)偽碼的不同來區(qū)分是原始幀和重發(fā)幀。

圖5 前向鏈路重發(fā)原理框圖

記To為原始幀時(shí)間，Tr為重發(fā)幀時(shí)間，系統(tǒng)碼片速率為6.875 Mb/s，記Tc為每個(gè)碼片時(shí)間，因此，

To=Tr=8×16×1024×Tc=19.07 ms 。

本設(shè)計(jì)中設(shè)置旋翼遮擋周期為40 ms，旋翼遮擋時(shí)間分別為8 ms(20%遮擋率)和16 ms(40%遮擋率)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的兩個(gè)原則，To+Tr=38.14 ms <旋翼遮擋周期，To=Tr>旋翼遮擋時(shí)間，可見重發(fā)方案滿足要求。

3.1.2 前向鏈路速率計(jì)算

前向鏈路速率由系統(tǒng)設(shè)計(jì)決定，與遮擋率無關(guān)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中碼片速率為6.875 Mb/s，采用QPSK調(diào)制、二次重發(fā)機(jī)制和3/4 LDPC編碼，因此前向鏈路速率計(jì)算公式為

式中：256表示一輪發(fā)送一共256個(gè)時(shí)隙，126表示一輪發(fā)送時(shí)隙中發(fā)送有效數(shù)據(jù)的時(shí)隙，2表示QPSK調(diào)制，3/4表示3/4LDPC編碼，N為擴(kuò)頻倍數(shù)。

當(dāng)Vf為25.6 kb/s時(shí)，計(jì)算得擴(kuò)頻倍數(shù)為200，可見滿足前向鏈路速率25.6 kb/s要求，且擴(kuò)頻倍數(shù)足夠。

3.1.3 分集接收機(jī)制設(shè)計(jì)

機(jī)載端根據(jù)縫隙檢測的結(jié)果對原始幀和重發(fā)幀分集接收，分集接收的原理為在原始幀和重發(fā)幀中找出無遮擋幀并正確接收，原理框圖如圖6所示。對每一輪接收時(shí)隙進(jìn)行檢測，如果本組幀中發(fā)生遮擋，記錄其編號，一輪檢測結(jié)束后將無遮擋時(shí)隙組結(jié)果輸出。

圖6 分集接收原理框圖

輸出結(jié)果時(shí)，應(yīng)盡量舍棄遮擋結(jié)束后的幾個(gè)時(shí)隙組，因?yàn)橛捎谡趽鯇?dǎo)致這幾個(gè)時(shí)隙組接收不穩(wěn)定，如圖6所示，在5、6、7、8時(shí)隙組發(fā)生遮擋，因此應(yīng)輸出1、2、3、4、13、14、15、16時(shí)隙組的結(jié)果。

3.1.4 短碼LDPC碼長設(shè)計(jì)

LDPC編碼技術(shù)是一種特殊的線性分組碼，并具有天然的交織特性，非常適合抗遮擋[6]。LPDC碼長的設(shè)置是系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮的重要因素，碼長太短不利于抗遮擋，碼長太長會引入很大的系統(tǒng)延時(shí)，因此需根據(jù)遮擋周期設(shè)置LDPC編碼的幀長。LDPC幀長應(yīng)大于等于系統(tǒng)速率和遮擋周期的乘積，可保證每個(gè)LDPC幀中大部分?jǐn)?shù)據(jù)正確。本設(shè)計(jì)中，前向速率為25.6 kb/s，遮擋周期為40 ms，因此短碼LDPC的幀長設(shè)置為1 024 b。

3.2 返向鏈路設(shè)計(jì)

直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中返向鏈路傳輸內(nèi)容包括圖像、載荷以及遙測信息等，因此返向鏈路速率較快，重發(fā)和分集接收帶寬利用率低，不適合返向鏈路。本系統(tǒng)中采用無遮擋縫隙突發(fā)通信和長碼LDPC編碼，實(shí)現(xiàn)返向鏈路正常通信。

由于下行速率為4 Mb/s，在進(jìn)行LDPC編碼碼長設(shè)計(jì)時(shí)不必遵循前向鏈路的數(shù)據(jù)方法，因?yàn)榉迪蜴溌芬呀?jīng)沒有遮擋的概念，如果還是按照前向鏈路LDPC碼長設(shè)計(jì)，將引入很大系統(tǒng)時(shí)延。

根據(jù)縫隙檢測結(jié)果，可以確定遮擋周期和無遮擋時(shí)間。記無遮擋時(shí)間為Tf，根據(jù)無遮擋時(shí)間可以計(jì)算出發(fā)送時(shí)隙數(shù)，記為N,則

N=Ff/Tc/1024。

計(jì)算出返向發(fā)送時(shí)隙數(shù)后，可進(jìn)行返向鏈路時(shí)隙劃分。返向鏈路時(shí)隙劃分中最重要的問題是如何讓接收端知道起始時(shí)隙和結(jié)束時(shí)隙。文獻(xiàn)[15-16]提出通過在頭部插入前導(dǎo)頻和在尾部插入后導(dǎo)頻的方法解決起始和結(jié)束的問題。此方法雖然可行，但是接收端在沒有收到后導(dǎo)頻之前需對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，消耗緩存資源，同時(shí)引入系統(tǒng)延時(shí)。本設(shè)計(jì)中，返向鏈路時(shí)隙劃分如圖7所示，前兩個(gè)時(shí)隙為導(dǎo)頻，用于確定本次通信的開始，3、4時(shí)隙發(fā)送訓(xùn)練序列，用于信道估計(jì)和均衡，5、6時(shí)隙發(fā)送本次突發(fā)通信要發(fā)送的時(shí)隙數(shù)目。用兩個(gè)時(shí)隙發(fā)送時(shí)隙數(shù)目，可保證很高的擴(kuò)頻倍數(shù)，相對保證安全性，后面的時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，接收端可直接將數(shù)據(jù)輸出，無需緩存，不會引入系統(tǒng)時(shí)延。

圖7 返向鏈路時(shí)隙劃分

接收端接收到前導(dǎo)頻后開始接收，經(jīng)過信道估計(jì)和均衡后提取本次通信時(shí)隙數(shù)目，然后開始數(shù)據(jù)接收，直到本次通信結(jié)束。接收流程如圖8所示。

圖8 接收端接收流程

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試旨在驗(yàn)證縫隙檢測算法、前向鏈路重發(fā)和分集接收技術(shù)和返向鏈路無遮擋縫隙突發(fā)通信是否正常穩(wěn)定工作，因此衛(wèi)星鏈路用L頻段代替，前向鏈路1 640 MHz，返向鏈路1 340 MHz。本系統(tǒng)測試中搭建了一套回環(huán)測試環(huán)境，原理框圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)測試框圖

編寫上位機(jī)測試軟件。上位機(jī)模擬前向鏈路遙控?cái)?shù)據(jù)，遙控?cái)?shù)據(jù)以幀的形式發(fā)送，每幀數(shù)據(jù)中包含幀計(jì)數(shù)和CRC校驗(yàn)，通過串口1發(fā)送給地面設(shè)備，模擬遙控?cái)?shù)據(jù)經(jīng)過前向鏈路后到達(dá)機(jī)載設(shè)備，然后通過機(jī)載設(shè)備上的串口2返回給上位機(jī)；上位機(jī)測試軟件通過幀計(jì)數(shù)和CRC校驗(yàn)判斷數(shù)據(jù)的正確性和連續(xù)性，完成前向鏈路測試。同時(shí)上位機(jī)模擬下行遙測數(shù)據(jù)，遙測數(shù)據(jù)同樣以幀的形式發(fā)送，每幀數(shù)據(jù)中包含幀計(jì)數(shù)和CRC校驗(yàn)，通過串口2發(fā)送給機(jī)載設(shè)備，模擬遙測經(jīng)過返向鏈路后到達(dá)地面設(shè)備，然后通過地面設(shè)備上的串口1發(fā)送給上位機(jī)；上位機(jī)測試軟件通過幀計(jì)數(shù)和CRC校驗(yàn)判斷數(shù)據(jù)的正確性和連續(xù)性，完成返向鏈路測試。經(jīng)過長時(shí)間拷機(jī)測試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測試結(jié)果如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)測試結(jié)果

系統(tǒng)測試結(jié)果表明，測試75萬幀數(shù)據(jù)，無錯誤，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

本文首先解決直升機(jī)衛(wèi)星通信中的旋翼遮擋導(dǎo)致的信道周期衰減和縫隙檢測算法兩個(gè)關(guān)鍵問題,信道的周期衰減特性采用射頻收發(fā)器AD9361模擬，更接近真實(shí)情況，更加直觀，有利于后面系統(tǒng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證;縫隙檢測算法在FPGA上實(shí)現(xiàn)并進(jìn)行了優(yōu)化，檢測結(jié)果更加穩(wěn)定?；谝陨辖Y(jié)果，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套直升機(jī)衛(wèi)星通信方案，即前向鏈路采用重發(fā)和分集接收及短碼LDPC編碼技術(shù)，返向鏈路根據(jù)前向鏈路縫隙檢測的結(jié)果在無遮擋縫隙采用突發(fā)通信和長碼LDPC編碼技術(shù)。前向鏈路設(shè)計(jì)中總結(jié)了原始幀和重發(fā)幀與遮擋周期和遮擋時(shí)間的關(guān)系以及短碼LDPC幀長與遮擋周期和遮擋時(shí)間的關(guān)系；返向鏈路設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)了一套突發(fā)通信時(shí)隙結(jié)構(gòu)，在通信過程中傳輸本次通信的時(shí)隙數(shù)，使接收端接收更加簡單。經(jīng)過拷機(jī)系統(tǒng)測試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。但系統(tǒng)還有一點(diǎn)不足，即系統(tǒng)只是在實(shí)驗(yàn)室硬件平臺上通過驗(yàn)證，后續(xù)還需經(jīng)過多次飛行試驗(yàn)，證明其穩(wěn)定性。