楊道錕,盧艷玲,王振領(lǐng),賈 碩,趙 娟,陳軍科,謝舒吉

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所, 西安 710065)

0 引言

數(shù)據(jù)鏈作為智能化彈藥通信的關(guān)鍵技術(shù),能夠在低延時(shí)的情況下將彈藥的狀態(tài)信息下傳至地面指揮控制系統(tǒng)，也可以將地面指揮控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)指令上傳至彈藥信息系統(tǒng)中。單兵式彈藥不同于飛行器、導(dǎo)彈等武器系統(tǒng),其構(gòu)成簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小、使用方便、成本低廉等特點(diǎn)，限制了以往數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的應(yīng)用。因此需要設(shè)計(jì)一種可滿(mǎn)足小型化、低成本、使用簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)鏈產(chǎn)品。

文中基于以上原因進(jìn)行單兵小型化、低成本數(shù)據(jù)鏈軟硬件設(shè)計(jì)。該數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)采用單片機(jī)+FPGA+AD9361(寬帶收發(fā)器)架構(gòu)設(shè)計(jì),是一種集成度高、擴(kuò)展性好、低功耗、小體積的單向數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。

1 方案選擇

單兵式武器系統(tǒng)一般射程較近,作戰(zhàn)任務(wù)簡(jiǎn)單,操作指令簡(jiǎn)單,且系統(tǒng)的體積和重量受到作戰(zhàn)方式嚴(yán)格的限制,需要采用集成度高、功耗低、成本低的單向數(shù)據(jù)鏈方案。

單兵式數(shù)據(jù)鏈彈載端的體積、功耗限制最大,因此考慮接收機(jī)方案在低成本、低功耗和集成度3個(gè)方面的優(yōu)劣勢(shì)從而完成總體數(shù)據(jù)鏈設(shè)計(jì)。最常用的數(shù)據(jù)鏈接收機(jī)方案為超外差接收機(jī)、零中頻接收機(jī)和近中頻接收機(jī)。超外差接收機(jī)有很大的接收動(dòng)態(tài)范圍和接收靈敏度,可抑制很強(qiáng)的干擾,但是超外差接收機(jī)的混頻電路較多,相對(duì)于其他兩種接收機(jī)方案復(fù)雜而且集成度低,并且超外差接收機(jī)還會(huì)用到很多離散濾波器,這些濾波器一般較為昂貴,體積較大。零中頻接收機(jī)則是目前集成度最高、體積最小、成本低的接收機(jī)方案。由于其不需要鏡像頻率抑制濾波器,功耗、體積均可以做到很小,但是零中頻接收機(jī)在信道選擇性上(如動(dòng)態(tài)范圍、良好線性度)實(shí)現(xiàn)困難。低中頻或近零中頻接收機(jī)則是將射頻信號(hào)下變頻至接近直流的低頻信號(hào),避免了直流分量對(duì)信號(hào)的影響,具有集成度高、體積小的特點(diǎn),但是其與超外差接收機(jī)一樣,也需要考慮鏡像頻率抑制的問(wèn)題,其成本和體積相對(duì)于零中頻接收機(jī)較高。3種接收機(jī)方案的對(duì)比如表1所示。

因此零中頻接收機(jī)方案更符合單兵式武器系統(tǒng),在滿(mǎn)足高集成度、低成本、低功耗的要求下,數(shù)據(jù)鏈方案應(yīng)盡可能提高數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)指標(biāo)性能,減少零中頻接收機(jī)容易受到干擾的缺點(diǎn)。

表1 3種接收機(jī)方案對(duì)比

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)零中頻接收機(jī)方案,小型化低成本單向數(shù)據(jù)鏈由地面發(fā)射機(jī)和彈載接收機(jī)兩部分組成,其中地面發(fā)射機(jī)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)信息編碼、調(diào)制、成幀后通過(guò)射頻模塊發(fā)射出去,彈載接收機(jī)通過(guò)接收天線將地面的射頻信號(hào)解調(diào)、解碼出來(lái),并將解碼數(shù)據(jù)送給目標(biāo)部件。如圖1所示,彈載接收機(jī)由接收天線、接收射頻前端、接收基帶組件組成,地面發(fā)射機(jī)由發(fā)射天線、射頻功率放大、發(fā)射基帶組件組成。

圖1 單向數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)組成

為了滿(mǎn)足數(shù)據(jù)鏈低成本要求,采用通用基帶設(shè)計(jì)方式,地面發(fā)射機(jī)基帶和彈載接收機(jī)基帶硬件電路一致,從而減少設(shè)計(jì)費(fèi)用及硬件加工成本。另外通過(guò)零中頻結(jié)構(gòu),采用FPGA+AD9361的設(shè)計(jì),直接將基帶信號(hào)搬到所需載波頻點(diǎn)上,得到高集成度的數(shù)據(jù)鏈產(chǎn)品。

3 數(shù)據(jù)鏈框架設(shè)計(jì)

3.1 硬件框架設(shè)計(jì)

通過(guò)圖1中地面發(fā)射機(jī)的功能,按照地面系統(tǒng)接口為CAN總線設(shè)計(jì),如圖2所示，地面發(fā)射機(jī)由CAN接口轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、FPGA、AD9361、電源管理、功率放大器、濾波器、耦合檢波器組成。其中CAN接口負(fù)責(zé)完成對(duì)外部數(shù)據(jù)指令的物理層連接。

鑒于在實(shí)際使用中AD9361的配置使用情況較為復(fù)雜,使用FPGA對(duì)其配置容易出錯(cuò),且配置更改繁雜,因此加入單片機(jī)完成對(duì)FPGA和AD9361的初始化配置,使用C語(yǔ)言編程的便利和配置簡(jiǎn)單的特點(diǎn),完成對(duì)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和接口通信控制。

圖2 地面發(fā)射機(jī)組成框圖

另外射頻模塊的大小往往決定了數(shù)據(jù)鏈實(shí)際體積的大小,因此在圖2中功率放大部分,僅對(duì)射頻信號(hào)一次放大,減少數(shù)據(jù)鏈功耗,減少設(shè)備使用空間。在此為了使地面發(fā)射機(jī)最終輸出大于15 dBm的功率值,設(shè)計(jì)時(shí)選用P-1為20 dBm的放大器,并使后級(jí)濾波器和耦合器的損耗控制在1.5 dB,從而使得地面發(fā)射機(jī)輸出功率余量為3.5 dB。

彈載接收機(jī)與地面發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)基本一致,根據(jù)彈載通信接口一般為串口的情況,彈載接收機(jī)主要由串口轉(zhuǎn)換、FPGA、AD9361、單片機(jī)、電源管理、低噪聲放大器、濾波器等組成,如圖3所示。

圖3 彈載接收機(jī)組成框圖

考慮到彈載接收機(jī)體積有限,可利用空間更小,在如圖4所示的彈載接收前端采用自制LC濾波器,在實(shí)現(xiàn)帶寬為500 MHz情況下,保證濾波器小體積。另外低噪放采用TQP3M9037,該器件具備良好的噪聲系數(shù),最小可達(dá)到0.45 dB,增益可達(dá)到18 dB,完全滿(mǎn)足接收機(jī)接收通道的使用要求。

圖4 彈載接收機(jī)發(fā)送前端原理圖

3.2 電源管理設(shè)計(jì)

由于數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)信號(hào)頻率較高,對(duì)電源穩(wěn)定性和噪聲要求較高,因此需要著重對(duì)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的電源系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃。在小體積單向數(shù)據(jù)鏈的要求下,利用開(kāi)關(guān)電源功耗低、轉(zhuǎn)換效率高、體積重量小的特點(diǎn)和LDO(低壓差線性穩(wěn)壓器)功耗低、成本低的特點(diǎn),數(shù)據(jù)鏈電源模塊采用開(kāi)關(guān)電源+LDO設(shè)計(jì)。按照電路核心芯片和外圍芯片供電電壓,設(shè)計(jì)電源模塊的電流走向如圖5所示。

圖5 電源模塊電流走向圖

另外數(shù)據(jù)鏈的基帶電路和射頻電路對(duì)電源穩(wěn)定性要求較高,因此在電源前端首先使用如圖6所示的EMI濾波器,減少電纜網(wǎng)上的電磁干擾和浪涌電流,有效濾除輸入電源的共模和差模噪聲。

圖6 EMI濾波原理圖

圖7 開(kāi)關(guān)電源原理圖

之后按照如圖7所示DC/DC+LDO的形式,將輸入電壓轉(zhuǎn)換為芯片所需電壓。DC/DC選用動(dòng)態(tài)范圍大、切換頻率可調(diào)的LT3480。LDO采用兩級(jí)轉(zhuǎn)換,得到低噪聲低壓降電源:第一級(jí)采用linear公司的低噪聲、低壓降線性穩(wěn)壓器,滿(mǎn)足射頻部件、FPGA、單片機(jī)的敏感電流特性,第二級(jí)采用大電流降壓轉(zhuǎn)換器,使用小尺寸和高效率電壓轉(zhuǎn)換器,簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和外部器件空間,獲得所需電壓值及小空間要求。

4 基帶電路設(shè)計(jì)

4.1 基帶電路硬件設(shè)計(jì)

按照以上數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)方案設(shè)計(jì),地面發(fā)射機(jī)基帶電路和彈載接收機(jī)基帶電路均以單片機(jī)+FPGA+AD9361為核心,多種外設(shè)輔助的一體式設(shè)計(jì)方法,滿(mǎn)足低成本、通用性、配置簡(jiǎn)單、易于擴(kuò)展的要求。 其硬件原理圖及信息流如圖8所示。

圖8 基帶電路硬件原理框圖

4.2 軟件流程設(shè)計(jì)

針對(duì)地面發(fā)射機(jī)與彈載接收機(jī)基帶設(shè)計(jì)一致,其軟件流程均由主控部分和數(shù)字信號(hào)處理部分組成。地面發(fā)射機(jī)主控軟件流程圖和信號(hào)處理流程圖分別如圖9、圖10所示。其中主控部分主要負(fù)責(zé)接口數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送、AD9361的初始化配置和控制、系統(tǒng)自檢過(guò)程控制與自檢結(jié)果判斷、實(shí)時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控等功能;數(shù)字信號(hào)處理部分主要負(fù)責(zé)信號(hào)的有效性判斷、編解碼、調(diào)制解調(diào)、擴(kuò)頻、組幀等功能。

5 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案,單向數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)實(shí)際尺寸僅為手掌大小,并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)試和室外拉距測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)測(cè)試中,將地面發(fā)射機(jī)和彈載接收機(jī)分別放在相距20 m的兩間屋子內(nèi),通過(guò)固定衰減器和可調(diào)衰減器,測(cè)試了數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的極限性能指標(biāo)。室外拉距試驗(yàn)中,將地面發(fā)射機(jī)和彈載接收機(jī)相距2 km,測(cè)試實(shí)際環(huán)境下產(chǎn)品的抗干擾和糾錯(cuò)能力。

如表2所示,單向數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足要求,并具有10 dB以上的系統(tǒng)裕量。

圖9 地面發(fā)射機(jī)主控部分軟件流程圖

圖10 地面發(fā)射機(jī)數(shù)字信號(hào)處理軟件流程圖

表2 試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

研究并設(shè)計(jì)了低成本、小體積的單向數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。系統(tǒng)選用小型化、低功耗硬件芯片,采用通用基帶硬件的發(fā)射機(jī)與接收機(jī),確保了系統(tǒng)集成化、通用化和低成本,并提高了系統(tǒng)在實(shí)際產(chǎn)品中的實(shí)用性、穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。試驗(yàn)證明,該系統(tǒng)可在2 km范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)可靠的單向指令傳輸,并具有較高的系統(tǒng)裕量。