潘乐炳，刘琪琪 ，袁永琼 ，文 明 ，叶 峻

（1.中国电子科技集团公司第五十研究所，上海 200331；2.中国电子科技集团公司数据链技术重点实验室，西安 710068）

0 引言

数据链将消息、协议和传输设备紧密耦合，实现雷达、声纳、电子战、敌我识别、自动上报、可视化监控等系统和设备的数据交互，是战场指控平台、武器平台、传感器平台和作战人员的信息“纽带”，是获得战场信息优势、提高协同作战能力和缩短决策时间的关键。

随着现代战争内涵的发展，战争样式逐渐从以平台为中心转向以网络为中心［1］，数据链实体逐渐从单机设备演进到多功能系统，传输层面上需要具备多信道协同、多链信息融合和传输自适应切换［2-5］。传统的多链系统信息共享主要在消息层面以通用消息标准来实现，难以满足高机动平台对时敏信息的交互，同时由于各个数据链之间传输设备和波形采用独立使用和处理的方式，造成具备多链接入能力的节点体积庞大，波形开发和验证工作量庞大。

以美国 DARPA（Defense Advanced Research Projects Agency）开展的 DyNAMO（Dynamic Network Adaptation for Mission Optimization）项目［6］为例，为了实现多个独立数据链之间的互操作，采用了基于C2E （Communications in Contested Environments）项目研发的平台，C2E项目通过建立信息系统参考架构和开发环境，将波形功能在硬件和波形层面分解为可重用的处理元素，使得在硬件平台上协同实现CDL、MADL、Link 16、TTNT 和 IFDL 等多种数据链波形。

本文的参数化设计技术将多路数据链波形相似的模块进行统一参数化设计，每个波形模块的输入为数据和参数两部分，模块的输出为处理数据和传递到下一模块的参数。通过参数化波形传输技术可实现：1）充分发挥射频前端灵活配置能力，实现多链之间在传输不中断情况下的连续切换；2）在现有平台能力的基础上，支持通过异构数据链组网来改进通信服务；3）在统一的通信系统构架下，支持对现有通信设备的性能升级，支持第三方技术的介入来实现设备的快速更新。

1 异构军事系统中的数据链波形设计

在复杂作战任务执行过程中，数据链系统的任务是保证信息的可靠交互［7］，如图1所示，复杂作战任务系统以多种异构武器平台和传感器为载体，协同完成联合防空、联合侦查、协同作战、协同监控等任务，对数据链的输入信息包含了多链控制信息和情报、监视、侦查等数据信息，数据链传输单元根据传输需求，映射到波形处理过程，完成波形重构操作，为传输平台输出硬件天线等的配置信息和处理后的波形数据。

由于任务需求和设计条件的不同，数据链在通信协议、数据格式、传输信道等多个方面有较大的差异，作战平台的异构性为信息交互带来较大的挑战，在多军种、多维空间的联合作战战场上，各种数据链之间的互操作性是有效实施网络中心战的基础，直接制约了体系化作战能力。

图1 异构军事系统中的数据链波形重构设计

如图1所示，数据链要支持多任务协同和异构平台加载，一般在系统架构的约束下，通过通用软件无线电平台实现数据链传输单元的异构数据链信息共享、感知自适应、跨平台互操作等能力。异构数据链波形重构在传输需求的约束下，形成多数据链波形重构、传输波形自适应、通用软件化波形控制等重构设计需求，具体处理操作包含模块设计、波形验证和平台映射，传输平台实现收发器频率功率、天线波束的重配置能力。与一般的实时通信系统不同，要完成这些功能和需求，对波形处理单元和硬件平台提出了较高的要求。

在目前的现役数据链系统中，波形的基本结构相似，但是在实现独立功能时，根据具体的波形参数来重新设计，从而导致需要大量的时间和精力在FPGA/DSP/GPP上进行设计实现和验证。以美军的CDL、Link 16、TTNT等常用数据链为例，波形处理单元都包含了信道编码、调制解调、数字变频、脉冲成形等模块，每个模块使用的算法技术又有许多相似的地方，因此，通过参数化配置每个模块，减少重用模块的重复设计和验证工作，可以大大提高波形重构速度，同时硬件资源不是与整个波形匹配，而是与波形子模块匹配，便于实现硬件资源共享。因此，研究参数化波形重构架构对解决复杂任务中的传输需求具有实战意义。

2 基于多平面分离的波形参数化重构

参数化波形设计将整个波形的开发转化为模块的调用和参数配置，设计工作转化为模块的设计验证和波形参数的设计，波形模块和波形参数的独立设计，便于设计人员专注自己擅长的工作，同时波形与硬件以模块形式进行匹配，容易实现资源精细化使用。本节提出多平面分离波形重构架构，将参数控制、数据处理、硬件平台的一体化设计分离为参数控制面、数据处理面和资源映射面，各功能单元的独立处理，实现多种数据链波形的快速重构。

2.1 数据链多平面分离波形重构架构

如图2所示，以设计两种异构波形为例，选取典型的信道编码、交织、调制和数字变频处理流程，常规的多波形设计结构在数据处理上各波形独立操作，即使数据链波形结构相似，在数据流处理时进行的是单独处理操作，在进行FPGA/DSP/GPP硬件综合时，波形与硬件进行波形级别的大颗粒度映射验证。

毛泽东在建构和完善矛盾学说体系方面作了杰出的工作。《矛盾论》是马克思主义哲学史上系统地阐述矛盾规律的哲学专著，其论述紧密结合中国革命的实践和中国传统辩证法思想，因而具有鲜明的中国作风和气派。在《矛盾论》中，毛泽东从对立统一的观点出发建构了一个完整的矛盾学说体系，从而谱写了马克思主义矛盾观的新乐章。

图2 参数化多平面分离波形设计架构

以数据链波形自适应设计为例，一般在约束条件Con下，以数据链速率R为优化目标，优化设计参数调制指数Qm，编码因子Rc和扩频因子Gp：

以上参数在求解完成后，获得最佳的设计参数，将{Qm，Rc，Gp}与数据处理面的模块相匹配，即可得到参数设计平面的参数集合S，约束条件Con不只是系统需求约束，也包含现有数据链模块库的约束。参数设计平面的重点是满足系统传输性能，不需要充分考虑数据链平台实现的因素。

在数据处理面，首先将波形模块（编码器、交织器、调制器…）参数化，模块调用只需提供相应的参数和输入数据。模块设计只关注输入的数据和参数，不关注波形性能，在模块库搭建完成以后，设计工作主要是模块参数的设计。各波形制定参数集合S={P1、P2、P3…}，其中集合 Px为具体模块的配置参数集合，每个模块输入数据Dx和参数Px。

在进行FPGA/DSP/GPP硬件综合时，在资源映射面，波形与硬件进行的是模块级别的小颗粒度映射验证，在操作上与整个波形的功能性能相独立。

参数化多平面分离波形设计架构具有以下优点：

1）波形参数控制、波形数据处理和硬件平台验证3个操作平面独立进行，易于实现异构数据链模块重用、硬件资源共享和波形自适应控制，各个控制处理平面的独立研发设计容易实现高效的工程实现；

2）模块的调用减少了数据链波形相似结构的重复设计工作，由于硬件映射的验证以模块验证为主，大大减少了验证和调试的工作量，具有较好的可扩展性；

3）硬件资源的使用以波形模块级别的小颗粒度映射，提升了资源的使用效率，容易实现不同波形和芯片的资源共享。

2.2 参数化波形处理模块

以常用的数据链波形 CDL、MADL、Link 16、TTNT和IFDL为基础波形集合，可得到如下页表1所示的基础模块集合，包含数字处理、扩频编码、纠错编码等，每种模块包含了常用的多个实例，如信道编码包含了卷积码、RS编码、LDPC编码等，表1拟定了数据链波形主要使用的模块，可作为参数化波形设计的模块库。

表1 参数化波形模块集合表

对于每个模块，首先设定实例类型属性，在类型属性的基础上，以实例的处理算法为核心，制定具体实例涉及的参数，参数的数量以满足可扩展性和可实现性为目标，以信道编码模块为例，相关参数设计如表2所示。

表2 参数化信道编码模块

表2列举了常用的信道编码以及传递的参数，在接收端，根据信道编码模块设计相应的解码模块，由于使用的数据链波形类型有限，考虑到实现的具体情况，编码参数的值有一定的约束规范，而非任意取值。同时对于部分处理可实现灵活设计，如卷积编码中的交织单元，既可以调用参数化交织模块，也可以用枚举方式预先存储交织表。

3 基于模块的参数化波形重构

本节在参数化多平面分离波形设计架构的基础上，提出模块化重构设计和模块化硬件平台映射方法，制定多平面分离架构的具体实现流程，完成参数化波形重构技术在数据链装备上的实现。

3.1 模块化波形重构设计

图3 基于模块的参数化波形重构

数据链参数化波形模块库以现有数据链波形模块为主，支持扩展波形模块的添加，同时支持第三方对模块库的更新升级，如图3所示的波形重构架构，模块库的可扩展性代表了多平面分离波形重构架构的可扩展性。

在参数控制平面，通过网络应用、信道检测结果、抗干扰要求、LPD/LPI（Low Probability of Detect/Low Probability of Intercept）约束等波形需求制定对参数化模块的选择和配置，并先完成理论仿真验证。

在波形处理平面，以建立的参数化波形模块库为基础，根据参数控制平面产生的参数调用波形模块并进行配置，最终生成重构的波形源代码。

在资源映射平面，数据链硬件平台以FPGA、DSP、GPP等处理资源和核心，在建立波形模块库时首先实现对各波形模块的性能验证，在进行波形重构时根据波形数据处理平面产生的重构波形代码，完成整个波形的功能和性能的验证。

3个平面在设计流程中大部分操作是独立执行的，但是在实际运行中，每个平面之间需要进行反馈信息交互，例如当资源映射平面在波形验证不通过时，需要对波形处理平面的波形源代码编译进行修改；当实现的平台传输功能和性能不满足要求时，需要参数控制平面对参数进行重新设计。并且在架构开发环境的建设过程中，平台处理能力、模块映射方式和参数配置集合三者之间相互制约，只有3个平面协同处理才能有效完成多波形高效快速重构。

3.2 波形模块化硬件平台开发

目前的传输波形设计一般以基于HDL和C/C++的编译集成开发环境IDE（Integrated Develop Environment）为主要软件开发平台，因此，在建立数据链波形参数化模块库时，首先建立C-IDE、HDL-IDE模块，这样的模块对硬件的支持更好。

同时随着基于模型的开发技术和开发环境的成熟，基于 Matlab、Simulink［8］等工具的开发编译环境也支持HDL和C/C++代码的生成，因此，可建立Matlab模块和Simulink模块，这些高级波形模块开发环境对开发人员更加友好和简单，工作量较小，但是往往占用更多的硬件资源。

图4 基于模块的快速波形重构

混合模块的开发方式支持多种开发平台，容易实现对第三方技术的支持，同时也可以对不同平台生成的模块代码进行优化，如图4建立的快速波形重构开发，例如首先利用模型开发技术通过Matlab、Simulink生成HDL和C/C++代码，在对生成的代码进行优化和改进，在保证波形性能的同时，实现对硬件平台的支持和资源的有效使用。

4 数据链参数化波形设计实例

以用于联合战术通信信息系统和武器协同的Link16 数据链［9］和 TTNT 数据链［10］为例，两种波形使用模块大多相同，主要是调制和跳频部分不同，Link16采用MSK调制，跳频点数51个，TTNT采用GMSK调制，跳频点数16个。两种波形采样速率不同，频带带宽也不同。

如图5所示，以两种数据链基带处理主要模块为例，都包含了信息校验、信道编码、交织、数字扩频、调制和跳频模块。在实例类型部分，信息校验、信道编码、数字扩频使用的实例类型分别为CRC、RS、CCSK方法，Link16调制模块实例类型采用MSK，TTNT调制模块实例类型采用GMSK，通信系统中的交织和跳频处理方法一般相似，因此，实例类型为空。

在控制参数部分，实例CRC传递的参数为码字长度、信息长度、生成多项式，实例RS根据数据和报头不同传递两种码字长度和信息长度数据，交织模块传递交织矩阵维度，实例CCSK扩频模块传递码字长度、信息长度和扩频映射表，实例MSK传递符号采样值、数据差分与否和初始相位，GMSK还需要传递滤波器滚降系数，跳频实例传递参数为频点编号和跳频序列。

从Link16和TTNT数据链波形处理来看，两种波形基带模块具有较多的相似性，采用参数化设计可以减少重复设计工作，同时在增加新的波形时，通过模块和实例的增加即可实现设计的可扩展性。

图5 基于参数化技术的波形设计实例

5 结论

随着网络中心战和多军兵种协同作战的发展，需要在多种异构数据链之间实现信息共享，对作战数据链平台提出了快速重构波形的要求。本文提出了基于多平面分离的参数化波形重构技术，将传统的波形设计分解为参数控制、数据处理和资源映射，支持模块级粒度的设计，从而实现架构的可扩展，降低重复设计工作和充分共享硬件资源。同时模块化的波形设计容易实现软件开发环境到硬件平台的映射，容易实现多平台波形加载，以及对系统的快速更新和性能升级。

未来的研究中，在参数化波形重构架构下，还需要进一步研究波形参数的设计，以及硬件约束、资源重用等问题，通过软硬件数据链传输平台来实现本文提出的分平面设计思想。

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