摘 要： 采用频分双工（FDD）的方式实现上下行信道的区分，在应用于高速（Mb/s）、远距离（100 km以上）传输上，一直以来是个难题。但在载荷有限的浮空平台中，如小型无人机、导弹、飞艇等，仍采用FDD方式。由于收发频率的不一致，设备射频部分需要两套接收机、发射机和功放。同样，对应的天线也需要两套。在体积、重量、功耗多方面都不符合浮空平台的装机需求。采用时分多址和时分双工相结合的双向数传系统，通过时隙分配，可在一套天线、一套收发射频装置上实现高速数传系统的组网通信，解决了浮空平台体积、重量受限，同时又要求双工通信的难题。

　　关键词： 远程通信；高速数传；时分多址；时分双工

0 引言

　　现代军事通信，尤其是涉及到多媒体通信方面，对于高速率的数据传输有着越来越广泛的需要。地面操作人员的大多数指控行为均是根据飞行器平台回传的高清实时视频图像来做出判断。

　　国内目前对高速数据传输的应用大多停留在采用单根天线单向传输视频数据流的层面[1]，且分辨率和图像质量较低，或者依靠频分双工(Frequency Division Dual，FDD)制式实现视频、数据的双向传输，频谱利用率与天线利用率较低。以一个简单的点对点通信系统为例，发送方需要2根天线（1根发送，1根接收），接收方也需要2根天线才能完成该系统的双向通信。对于有N个节点的组网通信，总天线数量将达到2N个。

　　为解决此类难题，开发了一套新型双向高速数传通信系统，以满足多功能、高性能、高速率、体积小、重量轻的应用需求。该系统在传输体制上未采用传统双向高速数传系统的FDD模式，而是采用了时分多址(Time Division Multiple Address，TDMA)+时分双工(Time Division Dual，TDD)通信系统。采用TDD技术，地面电台不仅能接收来自于空中的下行高速数据（视频）信号，还能反向传输上行指控命令[2]，实现对无人机飞行器的控制。TDMA技术使得无人机与地面指挥车既可实现一对一、点对点通信，也可实现一对多、多对多的组网通信。而不管系统内存在多少台设备，单个设备只需要配备一副天线在一个频率上即可实现数据的双向、组网通信。

1 系统简介

　　该系统是自主研发的、基于兆比特级高速信号的TDMA与TDD传输技术，实现了在一个信道上的图像、数据业务的双工传输[3]。区别于国内其他高速（Mb/s级）数据传输设备只支持单向、单个视频传输，或者只依靠FDD，该技术采用双天线的方式来满足双向通信需求。

　　从硬件复杂度和系统稳定性考虑，数传系统中频、基带信号处理模块并未采用传统FPGA+DSP+MCU方式[4]，而改用单片、低功耗FPGA实现。所有软件（控制链路层、调制解调物理层、TDMA+TDD网络层协议）也集成在该单片FPGA内，软件集成度、复杂度较高。采用该设计思想，确保了系统的小型化和低功耗。图1为全双工兆比特电台外形图，该电台尺寸仅为280 mm×150 mm×80 mm，重量≤1.8 kg。

　　TDMA+TDD技术的应用，使得该数传系统不仅支持点对点通信，也支持多个视频信号和控制信号的组网通信。该系统中，下行主要用于传输视频、图片、飞参信息给地面站图传电台，上行用于指控命令等低速数据业务的传送，从而实现地空间的双向通信。通过对图传系统进行常温下的功能试验、拉距试验、高低温试验以及振动试验等一系列环境试验，验证了该系统的软硬件性能及其工作的稳定性。

　　图2 为该系统的级联图，其中，1部地面台和2部机载台组成整个兆级传输网络，地面台可同时接收来自2部机载电台发送的图像或其他高速率码流，同时，地面台可对2部机载电台发送指令，从而组成TDMA通信网络。

2 协议软件的基本原理及实现

　　数传系统的上下行通信由TDMA+TDD协议来控制，电台发送信息按时间进行循环。该系统中，地面站数传电台作为主机设备，机载台1与机载台2作为从机设备。为避免主机与从机通信冲突，上下行帧结构为固定时隙[5]。机载台1、机载台2和地面台发送数据的帧结构如图3所示。

　　考虑到以图像信息为主的大数据为突发数据，且数据量较大，因此时隙划分时图像信息将占用大部分时隙。该系统中，上下行采用了不同的调制方式，其中下行为DQPSK，码率为3 Mb/s，上行为MSK，码率为60 kb/s。单个时隙长度为8 962.16 ms，机载台单次发送的时隙长度为16.5 ms，地面台发送同步码与控制命令的时隙为0.16 ms，单向空中传输延迟1 ms。

　　图4给出了主机与从机工作流程图。上电后，主机在规定的时隙时间内，发送已知的同步头与控制信息，且数据发送完毕后，立即切换至接收状态。而从机开机后，处于接收状态，不断搜索主机发送的同步头。检测到同步头后，对控制信息进行解调并判断循环周期计算值cnt是否小于等于255，若cnt≤255，则分析判断是否传输数据。数据传送完毕后，重新判断cnt是否等于255，若否，则从机转入复位状态。

　　图5、图6分别给出了主机与从机发射状态控制及转移图。主机与从机处于发射状态时，皆包含4个状态[6]，分别为空闲、发送帧头、发送数据、发送保护数据[7]（IDLE、SEND_HD、SEND_DATA、SEND_GUA）。主机状态通过时钟频率为3 MHz的计数器控制，从机通过频率为60 kHz的计数器控制，各状态下方为对应的计数值。

3 关键技术与创新性

　　⑴硬件上，该数传系统基带传输速率为3 Mb/s，中频工作频率为70 MHz，射频工作频率为450 MHz，其中DA模块工作频率甚至到达720 MHz，高频数字处理[8]对硬件的布板、布局要求非常高。

　　⑵软件上，高速数传电台至少支持3 Mb/s的实时数据传输，并支持TDD制式的数图同传与TDMA模式的多机组网功能，这对FPGA程序、通信协议的同步设计提出了更高要求。

　　⑶TDD+TDMA工作体制的运用。区别于普通民用产品单向、点对点传输的特点，该系统在单根天线上完成信号上下行传输，且支持TDMA模式的多机组网。

　　⑷硬件架构上，该系统摒弃传统FPGA+DSP+MCU方式，而改用单片FPGA方式进行数字信号处理，硬件集成度高、稳定性好、MTBF（平均无故障维修时间）指标很高。

　　⑸图像接口：该系统图像处理模块不仅提供一路BNC（复合视频）输入输出接口，而且提供一个串口和一个网口。通过网口直接输出至上位机，实时显示两幅图像及控制信息。

　　⑹物理层算法：该系统上下行信道采用不同的调制方式， 有效利用了TDMA时隙。

4 结束语

　　系统方案设计合理，技术前沿，硬件结构简单，系统稳定。接收到的视频信号不仅可直接用模拟方式输出到电视，还可通过电台预留的网口在电脑上显示，并可实现组网后的多幅图像的显示，提高了系统的利用率和环境适应性。目前该系统已通过实验室环境功能测试，并进行了10 km野外拉距试验。

参考文献

　　[1] 杨秦彪,宋鹏,齐建中. 基于CPLD的高速数传电台设计与实现[J]. 遥测遥控, 2011,32(5)：64-67.

　　[2] 汪洋,葛临东. 基于软件无线电的短波宽带跳频信号处理系统[A]. 无线传感器网及网络信息处理技术——2006年通信理论与信号处理年会论文集[C]. 2006:382-389.

　　[3] 安建平,罗常青. 一种宽带OFDM快跳频电台中频及基带处理单元的实现方案[A]. 2005年海峡两岸三地无线科技学术会论文集[C]. 2005:487-490.

　　[4] 李楠,周辉. 基于软件无线电的数字中频平台的设计与实现[A]. 全国第二届嵌入式技术联合学术会议论文集[C]. 2007.

　　[5] Carter T,Kim S,Johnson M. High throughput,power and spectrally efficient communications in dynamic multipath environments[C]. IEEE Military Communications Conference, 2003:61-66.

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　　[8] 邢永中,李坤. 软件无线电技术在3G系统中的应用[J]. 电脑与电信, 2010(5):78-80.