・ｌ２４・ 《测控技术）２０１３年第３２卷第３期 基于ＴＤＣ的无人机数据链抗干扰技术研究 韦乃棋 ，陈自力 ，朱安石 ，郑百源 （１．军械工程学院无人机工程系，河北石家庄０５０００３；２．中国人民７５１３４，广西崇左５３２２００） 摘要：针对目前无人机数据链系统中传统扩频等技术在抗干扰性能上的局限，研究了基于变换域通信 （ＴＤＣ）的无人机数据链抗干扰技术。在研究变换域通信基本原理的基础上，结合无人机数据链的特点， 给出了基于ＴＤＣ的无人机数据链系统发射机和接收机模型，并通过仿真与常规直扩系统在窄带干扰中 的误码率性能比较，结果表明基于ＴＤＣ的数据链系统抗窄带干扰性能明显优于常规直扩系统。研究 表明变换域通信技术应用于无人机数据链可有效提高数据链抗干扰能力。 关键词：无人机；数据链；变换域通信；抗干扰 中图分类号：ＴＮ９２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—８８２９（２０１３）ｏ３—０１２４—０３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ａｎｔｉ－Ｊａｍｍｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ＵＡＶ Ｄａｔａ－Ｌｉｎｋ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＴＤＣ ＷＥＩ Ｎａｉ—ｑｉ ，ＣＨＥＮ Ｚｉ．１ｉ ，ＺＨＵ Ａｎ．ｓｈｉ ，ＺＨＥＮＧ Ｂａｉ—ｙｕａｎ （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ ＵＡＶ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｏｒｄｎａｎｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５０００３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｕｎｉｔ ７５１３４ ｏｆ ＰＬＡ，Ｃｈｏｎｇｚｕｏ ５３２２００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ｔｈｅ ａｎｔｉ—ｊａｍｍｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｓｐｒｅａｄ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｕｓｅｄ ｏｎ ｐｒｅｓｅｎｔ ＵＡＶ （ｕｎｍａｎｎｅｄ ａｅｒｉａｌ ｖｅｈｉｃｌｅ）ｄａｔａ—ｌｉｎｋ ｉｓ ｌｉｍｉｔｅｄ，ａｎ ａｎｔｉ－ｊａｍｍｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ＵＡＶ ｄａｔａ—ｌｉｎｋ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｒａｎｓ－ ｏｒｆｍ ｄｏｍａｉｎ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｆ ＴＤＣ１ ｉＳ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ＴＤＣ ｉＳ ｓｔｕｄｉｅｄ ｆｉｒｓｔｌｙ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＵＡＶ ｄａｔａ．．１ｉｎｋ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＴＤＣ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ．． ｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ＵＡＶ ｄａｔａ．１ｉｎｋ．Ｔｈｅ ｂｉｔ ｅｒｒｏｒ ｒａｔｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ ＴＤＣ ａｎｄ ＤＳＳＳ ｕｎｄｅｒ ｎａｒｒｏｗ ｂａｎｄ ｉａｍｍｉｎｇ ａｒｅ ｓｉｍ． ｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｎｔｉ－ｊａｍｍｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ＵＡＶ ｄａｔａ．１ｉｎｋ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＴＤＣ ｉＳ ｅｖｉｄｅｎｔｌｙ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ＤＳＳＳ．Ｔｈｅ ｒｅａｓｅａｒｃｈ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＴＤＣ ｔｏ ＵＡＶ ｄａｔａ．１ｉｎｋ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｉｔｓ ａｎｔｉ－ｊａｍｍｉｎｇ ａｂｉｌｉｔｙ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＵＡＶ；ｄａｔａ—ｌｉｎｋ；ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｄｏｍａｉｎ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ（ＴＤＣ）；ａｎｔｉ－ｊａｍｍｉｎｇ 无人机数据链系统是无人机系统的重要组成部 分。无人机数据链系统主要包括指挥控制站、地面数 据终端和机载数据终端¨Ｊ。无人机数据链系统对数 能力，但仍不足以对抗不断提高的电子侦察、电子干扰 和电子攻击能力 Ｊ。传统通信系统对干扰的抑制是 在接收端通过滤波等信号处理技术剔除信号中包含干 扰部分的频谱，但在剔除干扰的同时也使带内有用信 号受到损失，导致系统误码率升高。变换域通信 （ＴＤＣ，ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｄｏｍａｉｎ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）则提供了另一 据传输可靠性要求较高，比一般通信系统要求更高的 误码率性能。无人机数据链抗干扰技术是确保无人机 测控与通信链路工作迅速、准确、保密与畅通的关键技 术，直接关系到无人机数据链系统在恶劣电磁环境下 的生存能力。传统无人机数据链多采用扩频、跳频、扩 种抗干扰思路，即在给定系统带宽内，在变换域动态合 成用于信息传输不含干扰（或被用户占用）谱的基本 调制波形，实现抑制干扰和ＬＰＩ（低截获概率）的目 的 －４］。ＴＤＣ能自适应复杂多变的电磁环境，能主动 避开干扰频谱并实现动态频谱接入，将其应用于无人 机数据链抗干扰技术研究，可有效提高无人机数据链 的抗干扰能力。 跳结合和纠错编码等抗干扰技术，具有一定的抗干扰 收稿日期：２０１２—０４一ｌ１ 作者简介：韦乃棋（１９８５一），男，广西宾阳人，博士研究生，主要 研究方向为无人机数据链抗干扰技术；陈自力（１９６４一），男，山 西临汾人，教授，博士生导师，主要研究方向为无人机智能数据 链技术和数据链性能检测技术；朱安石（１９８６一），男，河北承德 人，博士研究生，主要研究方向为无人机数据链智能重构技术； 郑百源（１９８１一），男，广西桂林人，硕士，助理工程师。 １ 变换域通信基本原理 ＴＤＣ的主要思路是在收发两端联合进行波形设 基于ＴＤＣ的无人机数据链抗干扰技术研究 ・１２５・ （ ）＝ＣＡ （∞）・ｅ （２） 计，发射端只将信号能量分配于未受干扰的频段，接收 端也只接收具有信号能量的频谱，达到有效躲避干扰 的目的。ＴＤＣ主要功能模块包括电磁环境采样、环境 谱估计、基函数幅度谱成型、随机相位生成、反变换生 成时域基函数及其存储、数据调制等。基于ＤＦＴ（离 散傅里叶变换）的ＴＤＣ发射机原理框图如图１（ａ）所 然后做ＩＦＦｖｒ得到基函数的时域波形序列ｂ（ｎ）， 并将其存储。基函数可看作多个子载波的叠加，各个 子载波的起始相位是在一个相位空间随机分布的。最 后用基函数对数据进行调制，送到射频端进行发射。 ＴＤＣ的调制方式有二元双极性调制（ＢＣＳＫ）、循环移 示。对于其他变换技术，ＴＤＣ原理框架基本不变，只 需把变换模块应用的变换技术替换成相应的变换技 术 一 。 （ａ）发射机原理框图 （ｂ）接收机原理框图 图１基于ＤＦＴ的ＴＤＣ收发机原理框图 首先发射机动态地在给定的带宽内对电磁环境进 行采样，并在变换域对采样信号进行谱估计，实现对干 扰谱定位，通过阈值处理将受到干扰的频谱抑制，得到 纯净的幅度谱向量Ａ （ ）。若某频点的幅度值超过 设定门限时，将该频点幅度值设置成０，反之，设置为 １，得到由０和１构成的一个频谱幅度向量Ａ （ ），如 式（１）所示。 Ａ （ ）＝［。ｌ，０２，…，ｎⅣ］ （１） 式中，０ ∈｛０，１｝代表系统带宽内第ｉ个频点（子载波） 的幅度值，０ ＝０表示该子载波存在干扰（或正在被用 户占用），０ ＝１表示该子载波不存在干扰。 将Ａ （∞）与相位映射器产生的等长复随机相位 向量ｅ ㈨ 做数量积得到曰 （ ），使系统具有类似噪声 的特性。再进行幅度调整以保证发射功率，得到基函 数的频域形式Ｂ（ｃ￡）），如式（２）所示，Ｃ为幅度调整因 子。 位键控（ＣＳＫ）等 ｊ。 ＴＤＣＳ接收机原理框图如图１（ｂ）所示，解调前先 要进行捕获、检测和同步。同步捕获可使用直接时间 相关技术或Ｇｅｒｍａｎ技术。ＴＤＣＳ解调器如图中虚线 部分所示，使用与发射机相同的基函数产生过程，接收 信号ｒ（ｔ）与 个本地参考信号ｃ （ ）进行相关。在 个相关器中，每个都产生一个统计量 （ ），根据最大 似然准则得到数据的估计值ｄ （ｔ）。其中判断准则要 根据数据调制方式而定。如对于二元ＣＳＫ，若 （ ） ＞０则判为Ｓｌ（ｔ），反之判为ｓ （ｔ）；若为二元ＣＳＫ调 制，ｚ （ ）一 ：（ ）＞０则判为ｓ】（ｔ），反之为ｓ２（ｔ）；对 元ＣＳＫ调制，接收信号与 个参考信号进行相关，选 择相关值最大的为对应符号的估计值。 ２基于ＴＤＣ的无人机数据链 ＴＤＣ中基函数生成部分的作用类似于传统通信 系统的载波生成部分。ＴＤＣ系统中ｍ序列的作用不 像直扩系统中主要用来扩展频谱，而是用来产生随机 相位。因此，将ＴＤＣ应用于无人机数据链时，需要将 传统数据链通信系统中的载波生成模块换成ＴＤＣ的 基函数生成模块，并去掉扩频与解扩部分。 图２（ａ）为基于Ｆ兀、的ＴＤＣ系统发射机模型，系 统主要基于软件无线电平台来实现。在干扰环境谱估 计部分，宽带射频前端从宽带天线接收信号并进行预 滤波以选择所期望得到的带宽，并用低噪放大器对有 用信号进行放大，经高速ＡＤＣ采样后进行谱估计 （ＰＳＤ），经幅度谱成型得到无干扰的谱向量。产生的 ｍ序列（或其他伪随机序列）经过相位映射后与幅度 谱向量做数量积，再经幅度调整、ＩＦ丌和缓存器（Ｂｕｆｆ－ ｅｒ），用得到的基函数对要发送的数据进行二元循环移 位键控调制（ＢＣＳＫ）。最后经数字上变频、ＤＡＣ送至 射频端和天线发射。 系统的接收机模型如图２（ｂ）所示。本地干扰谱 估计部分与发射机的相同，在进行随机相位映射时需 要获取同步信号，以便正确解调。射频前端接收到的 信号经ＡＤＣ和数字下变频（ＤＤＣ），与共轭后的本地基 函数相关，再经积分和判决便得到接收数据。 ３ 系统抗干扰性能仿真 系统仿真条件及相关参数：信道条件为加性高斯 ・１２６・ （ａ）发射机模型 数据输出 （ｂ）接收机模型 图２系统收发机模型 白噪声信道，信噪比固定为８ ｄＢ，信息码元为１００ｅ４ 个。通过与相同信道和干扰条件下常规直接序列扩频 系统抗干扰性能的对比，验证基于ＴＤＣ的数据链通信 系统的抗干扰性能。扩频系统仿真采用普通直接序列 扩频，调制方式为ＢＰＳＫ。变换域通信中，干扰功 率谱估计采用基于ＡＲ谱估计法，ＩＦＦＴ长度Ⅳ取５１２， 基函数幅度成型中干扰门限设置为最大谱估计值的 ４０％，调制方式为ＢＣＳＫ。窄带干扰频率占信号频率 的１０％，幅度均为１。干信比（Ｊ／ｓ）范围取０～１６ ｄＢ。 根据文献［８］，采用ＢＣＳＫ调制时理论误码率为 Ｑ（ ） （３） 式中，Ｅ ／Ⅳｎ为接收机输入端信噪比。 图３（ａ）和图３（ｂ）分别为系统仿真所用的１０％窄 带干扰的功率谱及其生成的幅度谱向量。由图可见， 生成的幅度谱向量是经过门限剔除干扰频段后的纯净 谱向量。图３（ｃ）为由图３（ｂ）所示的干扰环境幅度谱 向量经过随机相位映射、幅度调整和ＩＦ 后生成的基 函数的频域波形。由图看出基函数已经剔除了存在干 扰的频段，并具有类似随机噪声的特性。 基于ＴＤＣ的数据链通信系统与常规直扩系统的 抗窄带干扰误码率性能仿真比较结果如图４所示，虽 然随着干信比的增加，ＴＤＣＳ误码率也明显增加，但仍 然显著优于常规直扩系统，误码率性能提高１—２个数 量级以上。仿真结果表明，基于ＴＤＣ的数据链通信系 统的抗窄带干扰性能明显优于传统的直接序列扩频系 统。 《测控技术）２０１３年第３２卷第３期 ｆ／ＭＨｚ （ａ）窄带干扰功率谱 Ⅱ 迎垦 ｆ／ＭＨｚ （ｂ）干扰幅度谱向量 ２ 。 ２ ０ １Ｏ０ ２００ ３００ ４００ ５００ ６００ ７００ ８００ ９００ １ｏｏｏ ｆ／ＭＨｚ （ｃ）基函数频域波形 图３基函数生成 —１０ ｅ—ＴＤＣ一仿真 —＋一直扩．仿真 一理论 ｌＯ 姆 瘴 １０一 ｌ０一 Ｏ ５ １Ｏ １５ 干信比，ｄＢ 图４ ＴＤＣ与直扩系统抗窄带干扰性能比较 ４ 结束语 本文在研究变换域通信技术基本原理的基础上， 结合无人机数据链的特点，给出了基于ＴＤＣ的无人机 数据链系统发射机模型和接收机模型，并通过仿真与 常规直接序列扩频系统在窄带干扰中的误码率性能比 较，结果表明基于ＴＤＣ的数据链通信系统可有效对抗 窄带干扰。在此仿真验证的基础上，下一步研究工作 将是基于软件无线电平台研究基于ＴＤＣ的数据链通 信系统的实现方法及其实验验证。变换域通信技术作 为一种很有潜力的认知无线电候选技术，为提高无人 机数据链抗干扰能力提供了新的思路。 （下转第１３４页） ・１３４・ 参考文献： 《测控技术｝２０１３年第３２卷第３期 ［１］ 刘俊文，王承华．防空火控网数据传输精度分析与测量 ［Ｊ］．火力与指挥控制，２００９，３４（６）：１６１—１６３． ［２］ 牛刚，黄健群，全厚德．Ｃ３Ｉ系统诸元显示和报读器的设 计与实现［Ｊ］．微计算机信息，２００６，２２（８）：２３６—２３８． ［３］刘军．例说ＳＴＭ３２［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社， ２０１１：３４６． ［４］ 意法半导体（中国）投资有限公司．ＳＴＭ３２Ｆ１０３中文参考 手册［Ｚ］．２００７． ［５］ 杜小璐，朱明富，王琰．工业现场实时监测数据的存储系 图４ ｓＤ卡读取扇区数据时间图 统设计［Ｊ］．华中科技大学学报（自然科学版），２００８ （ｚ１）：２８１—２８３． 通过现场实际测试，主观听觉感受声音自然真实， 无明显时延且内容完全正确，符合设计要求。 ［６］ 罗悦怿，沈建华．嵌入系统的硬盘文件操作［Ｊ］．计算机工 程，２００４，３０（２）：１７６—１７７． ５ 结束语 本文结合单炮火控系统工程应用中的实际要求， ［７］ 于晶荣，滕召胜，孙传奇，等．基于ＵＳＢ主机技术的三相 多功能电能表设计［Ｊ］．湖南大学学报（自然科学版）， ２００７，３４（２）：５１—５５． 以ＳＴＭ３２Ｆ１０３单片机为核心控制芯片，以ｓＤ卡存储 录制报读语音，通过检索报读信号对应语音段并将其 经ＳＰＩ接口送往ＶＳ１０５３音频解码芯片解码输出。通 过实际测试，实现了火控系统射击诸元及报警信号等 的实时报读，具有报读声自然、准确、实时眭好等优点。 该设计还可推广至其他需要实现实时语音报读功能的 系统中。 ［８］孙书鹰，陈志佳，寇超．新一代嵌入式微处理器 ＳＴＭ３２Ｆ１０３开发与应用［Ｊ］．微计算机应用，２０１０（１２）： ５９—６１． ［９］Ｌｅｓｔｅｒ Ｍ，Ｂｏｌｅｙ Ｊ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｌａｔｅｎｃｙ ｏｎ ｌｉｖｅ ｓｏｕｎｄ ｍｏｎｉ— ｔｏｔｉｎｇ［Ｇ］／／Ａｕｄｉｏ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ．２００７： ７１９８． ［１０］ＶＬＳＩ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｏｙ．ＶＳｌＯ５３ｂ中文数据手册［ｚ］． 口 （上接第１２６页） 参考文献： ［１］魏瑞轩，李学仁．无人机系统及作战使用［Ｍ］．北京：国防 工业出版社，２００９． （上接第１３０页） 参考文献： ［１］毛兴鹏，刘爱军，邓维波，等．斜投影极化滤波器［Ｊ］．电子 学报，２０１０，３８（９）：２００３～２００８． ［２］刘爱军，毛兴鹏，邓维波．基于斜投影极化滤波的高频雷 ［２］Ｈｕａｎｇ Ｗ Ｚ，Ｗａｎｇ Ｙ Ｓ，Ｙｅ Ｘ Ｙ．Ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｎ ｎｏｖｅｌ ａｎｔｉ－ｊａｍ— ｍｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｕｎｍａｎｎｅｄ ａｅｒｉａｌ ｖｅｈｉｃｌｅ ｄａｔａ ｌｉｎｋ［Ｊ］． Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ，２００８，２１（２）：１４１—１４８． 达电台干扰抑制［Ｊ］．吉林大学学报（工学版），２０１１，４１ （４）：１１７７—１１８２． ［３］Ｚｈｏｕ Ｒ Ｌ，Ｈａｎ Ｑ，Ｃｏｏｐｅｒ Ｒ，ｅｔ ａ１．Ａ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｉｆｎｅｄ ｒａｄｉｏ ｂａｓｅｄ ａｄａｐｔｉｖｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ａｖｏｉｄａｎｃｅ ＴＤＣＳ ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ ｒａｄｉｏ ［３］来庆福，赵晶，冯德军，等．斜投影极化滤波的雷达导引头 抗箔条干扰方法［Ｊ］．信号处理，２０１１，２７（７）：１０１６— １６２０． ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ２０１０ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ．２０１０：１—５． ［４］ 刘爱军，曹斌．斜投影算子及其在信号极化滤波中的应用 ［Ｊ］．科学技术与工程，２０１０，ｌＯ（１４）：３３３１—３３３４． ［４］ Ｂｕｄｉａｒｊｏ Ｉ，Ｎｉｋｏｏｋａｒ Ｈ，Ｌｉｇｔｈａｒｔ Ｌ．Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ ｒａｄｉｏ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｍａｇａｚｉｎｅ，２ＯＯ８，２５（６）． ［５］ 张钦宇，曹斌，王健，等．基于斜投影的极化滤波技术［Ｊ］． ［５］ Ｃｈａｋｒａｖａｒｔｈｙ Ｖ，Ｎｕｎｅｚ Ａ Ｓ，Ｓｔｅｐｈｅｎｓ Ｊ Ｐ，ｅｔ ａ１．ＴＤＣＳ， ＯＦＤＭ，ａｎｄ ＭＣ—ＣＤＭＡ：ａ ｂｒｉｅｆ ｔｕｔｏｒｉａｌ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｃｏｍｍｕｎｉ． ｃａｔｉｏｎｓ Ｍａｇａｚｉｎｅ，２００５，４３（９）：Ｓ１１一Ｓ１６． 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