摘 要： 采用頻分雙工（FDD）的方式實現上下行信道的區分，在應用于高速（Mb/s）、遠距離（100 km以上）傳輸上，一直以來是個難題。但在載荷有限的浮空平臺中，如小型無人機、導彈、飛艇等，仍采用FDD方式。由于收發頻率的不一致，設備射頻部分需要兩套接收機、發射機和功放。同樣，對應的天線也需要兩套。在體積、重量、功耗多方面都不符合浮空平臺的裝機需求。采用時分多址和時分雙工相結合的雙向數傳系統，通過時隙分配，可在一套天線、一套收發射頻裝置上實現高速數傳系統的組網通信，解決了浮空平臺體積、重量受限，同時又要求雙工通信的難題。
關鍵詞： 遠程通信；高速數傳；時分多址；時分雙工
0 引言
現代軍事通信，尤其是涉及到多媒體通信方面，對于高速率的數據傳輸有著越來越廣泛的需要。地面操作人員的大多數指控行為均是根據飛行器平臺回傳的高清實時視頻圖像來做出判斷。
國內目前對高速數據傳輸的應用大多停留在采用單根天線單向傳輸視頻數據流的層面[1]，且分辨率和圖像質量較低，或者依靠頻分雙工(Frequency Division Dual，FDD)制式實現視頻、數據的雙向傳輸，頻譜利用率與天線利用率較低。以一個簡單的點對點通信系統為例，發送方需要2根天線（1根發送，1根接收），接收方也需要2根天線才能完成該系統的雙向通信。對于有N個節點的組網通信，總天線數量將達到2N個。
為解決此類難題，開發了一套新型雙向高速數傳通信系統，以滿足多功能、高性能、高速率、體積小、重量輕的應用需求。該系統在傳輸體制上未采用傳統雙向高速數傳系統的FDD模式，而是采用了時分多址(Time Division Multiple Address，TDMA)+時分雙工(Time Division Dual，TDD)通信系統。采用TDD技術，地面電臺不僅能接收來自于空中的下行高速數據（視頻）信號，還能反向傳輸上行指控命令[2]，實現對無人機飛行器的控制。TDMA技術使得無人機與地面指揮車既可實現一對一、點對點通信，也可實現一對多、多對多的組網通信。而不管系統內存在多少臺設備，單個設備只需要配備一副天線在一個頻率上即可實現數據的雙向、組網通信。
1 系統簡介
該系統是自主研發的、基于兆比特級高速信號的TDMA與TDD傳輸技術，實現了在一個信道上的圖像、數據業務的雙工傳輸[3]。區別于國內其他高速（Mb/s級）數據傳輸設備只支持單向、單個視頻傳輸，或者只依靠FDD，該技術采用雙天線的方式來滿足雙向通信需求。
從硬件復雜度和系統穩定性考慮，數傳系統中頻、基帶信號處理模塊并未采用傳統FPGA+DSP+MCU方式[4]，而改用單片、低功耗FPGA實現。所有軟件（控制鏈路層、調制解調物理層、TDMA+TDD網絡層協議）也集成在該單片FPGA內，軟件集成度、復雜度較高。采用該設計思想，確保了系統的小型化和低功耗。圖1為全雙工兆比特電臺外形圖，該電臺尺寸僅為280 mm×150 mm×80 mm，重量≤1.8 kg。
TDMA+TDD技術的應用，使得該數傳系統不僅支持點對點通信，也支持多個視頻信號和控制信號的組網通信。該系統中，下行主要用于傳輸視頻、圖片、飛參信息給地面站圖傳電臺，上行用于指控命令等低速數據業務的傳送，從而實現地空間的雙向通信。通過對圖傳系統進行常溫下的功能試驗、拉距試驗、高低溫試驗以及振動試驗等一系列環境試驗，驗證了該系統的軟硬件性能及其工作的穩定性。
圖2 為該系統的級聯圖，其中，1部地面臺和2部機載臺組成整個兆級傳輸網絡，地面臺可同時接收來自2部機載電臺發送的圖像或其他高速率碼流，同時，地面臺可對2部機載電臺發送指令，從而組成TDMA通信網絡。
2 協議軟件的基本原理及實現
數傳系統的上下行通信由TDMA+TDD協議來控制，電臺發送信息按時間進行循環。該系統中，地面站數傳電臺作為主機設備，機載臺1與機載臺2作為從機設備。為避免主機與從機通信沖突，上下行幀結構為固定時隙[5]。機載臺1、機載臺2和地面臺發送數據的幀結構如圖3所示。
考慮到以圖像信息為主的大數據為突發數據，且數據量較大，因此時隙劃分時圖像信息將占用大部分時隙。該系統中，上下行采用了不同的調制方式，其中下行為DQPSK，碼率為3 Mb/s，上行為MSK，碼率為60 kb/s。單個時隙長度為8 962.16 ms，機載臺單次發送的時隙長度為16.5 ms，地面臺發送同步碼與控制命令的時隙為0.16 ms，單向空中傳輸延遲1 ms。
圖4給出了主機與從機工作流程圖。上電后，主機在規定的時隙時間內，發送已知的同步頭與控制信息，且數據發送完畢后，立即切換至接收狀態。而從機開機后，處于接收狀態，不斷搜索主機發送的同步頭。檢測到同步頭后，對控制信息進行解調并判斷循環周期計算值cnt是否小于等于255，若cnt≤255，則分析判斷是否傳輸數據。數據傳送完畢后，重新判斷cnt是否等于255，若否，則從機轉入復位狀態。
圖5、圖6分別給出了主機與從機發射狀態控制及轉移圖。主機與從機處于發射狀態時，皆包含4個狀態[6]，分別為空閑、發送幀頭、發送數據、發送保護數據[7]（IDLE、SEND_HD、SEND_DATA、SEND_GUA）。主機狀態通過時鐘頻率為3 MHz的計數器控制，從機通過頻率為60 kHz的計數器控制，各狀態下方為對應的計數值。
3 關鍵技術與創新性
⑴硬件上，該數傳系統基帶傳輸速率為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720 MHz，高頻數字處理[8]對硬件的布板、布局要求非常高。
⑵軟件上，高速數傳電臺至少支持3 Mb/s的實時數據傳輸，并支持TDD制式的數圖同傳與TDMA模式的多機組網功能，這對FPGA程序、通信協議的同步設計提出了更高要求。
⑶TDD+TDMA工作體制的運用。區別于普通民用產品單向、點對點傳輸的特點，該系統在單根天線上完成信號上下行傳輸，且支持TDMA模式的多機組網。
⑷硬件架構上，該系統摒棄傳統FPGA+DSP+MCU方式，而改用單片FPGA方式進行數字信號處理，硬件集成度高、穩定性好、MTBF（平均無故障維修時間）指標很高。
⑸圖像接口：該系統圖像處理模塊不僅提供一路BNC（復合視頻）輸入輸出接口，而且提供一個串口和一個網口。通過網口直接輸出至上位機，實時顯示兩幅圖像及控制信息。
⑹物理層算法：該系統上下行信道采用不同的調制方式， 有效利用了TDMA時隙。
4 結束語
系統方案設計合理，技術前沿，硬件結構簡單，系統穩定。接收到的視頻信號不僅可直接用模擬方式輸出到電視，還可通過電臺預留的網口在電腦上顯示，并可實現組網后的多幅圖像的顯示，提高了系統的利用率和環境適應性。目前該系統已通過實驗室環境功能測試，并進行了10 km野外拉距試驗。
參考文獻
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