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(lái)是個(gè)難題,。但在載荷有限的浮空平臺(tái)中,，如小型無(wú)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(duì)應(yīng)的天線(xiàn)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(guò)時(shí)隙分配，可在一套天線(xiàn),、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(duì)于高速率的數(shù)據(jù)傳輸有著越來(lái)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(lái)做出判斷。

　　國(guó)內(nèi)目前對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用大多停留在采用單根天線(xiàn)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(xiàn)利用率較低。以一個(gè)簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)為例,，發(fā)送方需要2根天線(xiàn)（1根發(fā)送,，1根接收），接收方也需要2根天線(xiàn)才能完成該系統(tǒng)的雙向通信,。對(duì)于有N個(gè)節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)通信,，總天線(xiàn)數(shù)量將達(dá)到2N個(gè)。

　　為解決此類(lèi)難題,，開(kāi)發(fā)了一套新型雙向高速數(shù)傳通信系統(tǒng),，以滿(mǎn)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(lái)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(duì)無(wú)人機(jī)飛行器的控制,。TDMA技術(shù)使得無(wú)人機(jī)與地面指揮車(chē)既可實(shí)現(xiàn)一對(duì)一、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信,，也可實(shí)現(xiàn)一對(duì)多,、多對(duì)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(xiàn)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(jiǎn)介

　　該系統(tǒng)是自主研發(fā)的,、基于兆比特級(jí)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(guó)內(nèi)其他高速（Mb/s級(jí)）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(xiàn)的方式來(lái)滿(mǎn)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(duì)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(guò)對(duì)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(jí)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(jí)傳輸網(wǎng)絡(luò)，地面臺(tái)可同時(shí)接收來(lái)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(duì)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(lái)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(zhǎng)度為8 962.16 ms,，機(jī)載臺(tái)單次發(fā)送的時(shí)隙長(zhǎng)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(kāi)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(cè)到同步頭后,，對(duì)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(guò)時(shí)鐘頻率為3 MHz的計(jì)數(shù)器控制，從機(jī)通過(guò)頻率為60 kHz的計(jì)數(shù)器控制,，各狀態(tài)下方為對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值,。

3 關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新性

　　⑴硬件上,，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(duì)硬件的布板,、布局要求非常高,。

　　⑵軟件上，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(duì)FPGA程序、通信協(xié)議的同步設(shè)計(jì)提出了更高要求,。

　?、荰DD+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(duì)點(diǎn)傳輸?shù)奶攸c(diǎn),，該系統(tǒng)在單根天線(xiàn)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(wú)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(guò)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(yǔ)

　　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)合理,，技術(shù)前沿，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)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(guò)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境功能測(cè)試,，并進(jìn)行了10 km野外拉距試驗(yàn),。

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