陆文骏

(安徽三联学院 电子电气工程学院，安徽 合肥 230601)

无人机系统的无线数据链系统性能指标始终是影响其作战使用的关键因素，基层部队没有配备相应的检测设备。中程无人机系统现有测试方法以定性测试为主，只能近场用小功率信号进行定性的功能观察；通过飞机与地面站相隔5公里，用大功率信号的拉距试验，来粗略评定无线数据链系统的技术状态。有时信号不稳定、不通畅也无法明确原因。这种测试方法的指标种类、数量少，测试结果不可靠，难以准确评价中程无人机全系统工作性能。为解决系统检测方法单一、准确率低、无法定量分析的问题，可通过对发射功率、接收灵敏度、误码率参量的测量[1](P169-183)，全面准确地评估无人机无线数据链系统的技术性能。

1 无线数据链路校准设备的总体方案设计

1.1 无线数据链路校准设备的组成

通过对无线数据链系统的研究分析，确定以对无线数据链系统整体性能影响较大的无人机系统射频发射设备的信号功率、频率、射频接收设备的接收灵敏度、动态范围、误码率作为校准指标。无线数据链系统的现场校准与实验室校准有着本质的区别，即要求使用尽量少的仪器、仪表，和简单易行的测量方法，测量环境不能要求苛刻等。接收器灵敏度是接收器可以无干扰地解码的最低信号强度[2]。然而，各种恶劣的空中通信介质已经引起发射器和接收器之间的信号路径的显著变化[3]，无线数据链系统直接在空中校准，极易受到环境的干扰，影响测量的准确性，只有真实反映出接收灵敏度，才能估算出作战距离，因此我们提出了在地面采用射频信号有线测量环境来模拟理想无线数据链系统的信道，用有线方式校准无线数据链系统的工作状况和性能指标[4-5]。考虑到射频测量专业性强，人为因素对测量结果的影响大，宜采取现场自动校准的方式[6](P61-72)。

无线数据链系统校准重点研制的校准设备有程控功率计、程控衰减箱、误码检测仪等。工作原理如图1所示。

图1 无线数据链系统校准设备的工作过程图

1.2 无人机无线数据链路校准工作模型

一般无线电设备的性能指标包括接收灵敏度、带宽、发射功率、信噪比、杂散辐射、噪声系数、增益、带宽、中心频率、调制度、相位噪声、邻道泄露功率、谐波杂波抑制度等。由于无人机装备的特殊性，不能拆开每一工作单元分项校准，不能按通用发射接收设备的方式来检测，要实现无人机系统数据链路校准检测，需要找出真实反映出数据链路性能的关键参数，选择安全合理的校准点，然后对这些关键参数和校准点进行测量。

无线数据链系统工作模型如图2所示，无线数据链系统校准包括信号发射设备校准和信号接收设备校准。发射设备的技术指标类型较多，经分析，发射信号的功率、频率是影响无人机系统性能的关键指标。由于接收机输入端的射频功率在不同地点都互不相同，要求无人机系统接收机有较宽自适应控制增益的能力。能在强干扰和噪声存在的情况下解调出所需信号。接收设备的关键指标包括接收机灵敏度，动态范围和传输信道差错率。

图2 无线数据链系统工作过程图

无线数据链路系统的接收机灵敏度是中程无人机系统性能中最重要的指标之一。表示数据链接接收器接收弱信号的能力。 通过测量上下行数据链的发射功率、接收灵敏度，评估出无人机作战距离这一关键指标。 由于无人机系统的设备结构复杂，其接收灵敏度的测量不能按照传统方法进行。 需要深刻分析其接收机理，找出其在无人机系统中相关联的参数，通过检测该项参数，同时改变接收机输入端的电平，获得接收器正常工作的最低信号，即接收器灵敏度。接收灵敏度校准过程如图3所示。

图3 接收灵敏度校准过程图

无线数据链系统的误码率也是一个重要指标，通过在上下行信道的基带信号输入端发送符合无人机数据格式要求的伪随机序列，在无线数据链动态范围内取高、中、低不同点，即在接收机输入端允许的不同电平处，检测传输信道中的误码率。误码率检测过程如图4所示。

图4 误码率检测过程图

1.3 技术指标要求

1.3.1 程控功率计

工作频率：0～8 GHz

功率范围：大功率250 mW～50 W， 小功率1 mW～250 mW，不确定度 0.36 dB(k=2)

驻波比:≤1.25

1.3.2 程控衰减箱

工作频率：4 GHz～8 GHz

动态范围：80 dB～140 dB 不确定度1.5 dB(k=2)

步进长度:0.5 dB

驻波比:≤1.25

2 无人机无线数据链路校准设备的分系统设计

2.1 程控功率计

功率计作为一种通用电子测量设备，易受环境温湿度等因素影响[7]，实现准确测量往往要求在实验室进行，由于无人机系统作战使用环境的特殊性，对其发射功率的测量必须克服这一局限，应其能适应现场的各种复杂恶劣环境条件。因此需要研制针对无人机射频信号的特点且具有温度自动补偿能力的现场功率计，使其既能完成大功率测量，又能满足小功率测量的准确度[8]。

功率计的关键部件是功率探头[9]，目前功率探头的种类很多，主要归类于三种：热敏电阻式、热电偶式和晶体二极管式。上述探头配置相应的衰减器，可获得更高功率的量程，实现中功率测量[10]。在本研究中，功率计设计采用热电偶式C波段中功率计设计。

2.2 程控衰减箱

接收机接收灵敏度的检测需要有射频信号源来给接收机施加低电平的激励，电平的高低通过控制程控衰减箱来改变[11]。如何评判接收正确与否？如何衡量？这是无人机装备有别于其他接收机的特殊地方。经反复论证得出：通过寻找隐藏在遥测信息中的特征字来判别链路中的锁定情况，即找到接收机正常接收时的低电平阈值。设计方案为：给定程控衰减箱的衰减量，再查询特征字获悉链路锁定情况，如果已锁定，再加大衰减量，降低接收机输入电平，直至发现特征字显示链路失锁；若给定程控衰减箱的衰减量，查询特征字获悉链路已失锁，则减小衰减量，提高接收机输入电平，直至发现特征字显示链路锁定。根据从锁定到失锁的这一过程对应的衰减量、射频线缆的损耗和发射的小信号功率，算出被测接收机的灵敏度。

接收灵敏度指标的检测必须利用无人机系统内产生的小信号通过程控衰减箱后加到链路接收机的输入端，格式不同的信号链路始终失锁，无法进行校准[12]，如图5所示，图中以上行主通道任务机接收机的接收灵敏度的校准为例，从地面站上行主通道的小信号输出(即功率放大器的输入端)获得低电平的激励，经过程控衰减箱后，输出可调的弱电平信号给任务机接收机，主控系统再检测任务机接收机的锁定状况，当弱电平信号使任务机处于锁定和失锁的边界时，此电平信号就是任务机接收机的接收灵敏度指标。

图5 接收灵敏度校准过程图

3 无线链路校准设备的实现

无线数据链系统校准设备采用组合箱结构，原型如图6所示。

图6 无人机无线数据链系统校准设备原型实物图

无线数据链系统校准设备需要研制适合装备特点的关键设备及其附属模块，还需要选购通用仪器仪表组成，对通用仪器设计主要是仪器的选型应与被试设备参数范围相适应，兼顾成本和可靠性。无线数据链系统校准设备主要用于平时或战时装备现场条件下校准链路的综合性能，重点是上、下行链路发射功率、接收最低电平指标的校准，从而给无人机系统的作战距离作出定量评定。这部分硬件技术设计的重点是功率计探头和指示器、程控衰减箱在各个不同频点、不同环境下测量结果的一致性、稳定性的保证，构建出适合装备现场测量平台。

3.1 程控衰减箱

程控衰减箱由数控衰减器、功分器、半钢电缆连接组件、固定衰减器组成，原理框图如图7(a)所示，其中数控衰减器为有源器件，极易受环境温度影响使功率衰减量变化[13]。重点对该模块做了温度误差修正，内置感温器件和温度修正数据库。其他部分属于无源器件，量值稳定，事先标定好即可保证系统测量要求。从功分器分流一部分射频小信号送到功率计，用于实时监测各个频段频点的射频小信号功率，以便系统准确计算出接收机正确工作时的最低电平。设计完成的程控衰减箱实物图如图7(b)所示。

图7 程控衰减箱工作过程及实物图

3.2 宽动态范围高精度功率计

功率计在无线数据链系统的发射设备、接收设备检测中都是必不可少的环节。针对无人机装备及其无线数据链系统射频信号的特点，既要满足大功率检测时功率计安全，不被烧坏，又要保证小功率量程时准确度高。需研制适合该特点的功率计。

3.2.1 功率探头设计

采用薄膜热电偶片进行功率探头设计，需要保证射频输入端匹配状况良好；由于薄膜热电偶片的工作温度范围0 ℃～45 ℃比较宽，采用隔热材料进行了功率探头结构设计，保证功率探头内的热电偶片受温度等环境因素影响小，并将温度系数修正入功率计内；热电偶检测出的电压比较小(0.01 mV)，采用了稳定性好的低噪声放大器，获得高的检测灵敏度。

3.2.2 功率指示器电路设计

用24位AD转换电路进行了指示器部分的设计，实现了低于0.01 mV的电压测量，且数据采集速率达到100次/ms，提高了测量效率；频率校正因子旨在提高功率计的测量精度。

3.2.3 中功率计的校准因子定标

C波段中功率计由热电偶功率探头和相应的指示器组成，使用两个不同范围的功率探头并仅使用一个中等功率指示器。其组成原理图及实物见图8。

图8 C波段中功率计工作过程及实物图

为了衡量所研制的中功率计测量功率的准确性，需要对其校准因子的值进行定标并用以修正功率计的读数。当用功率计测量信号功率Pi时，由于功率探头通常产生反射功率Pr，这与功率探头的反射系数ΓL有关。为了确定输入信号功率Pi，引入校准因子的概念并且利用校准因子校正功率计的指示。结合总体设计方案，对1 mW～250 mW量程的功率和250 mW～50 W量程的功率采用交替比较法，分别用高一级的小功率标准和中功率标准，对中功率计校准因子进行定标，并将定标校准因子修正值写入功率计的显示程序中。校准后，中功率计的功率测量不确定度为3%。

3.3 误码仪

传输误码率是无人机无线数据链性能的关键指标，无线数据链传输信道具有特殊的帧格式[14]。目前通用误码仪仅能用于电信等领域的标准通信信道误码率的测试，对信道可靠性要求高、检测速度慢、无法检测具有特殊帧格式的专用信道，且造价昂贵。因此，根据无人机信道数据帧格式和误码检测要求，研制一种可自适应信道特殊帧格式的误码检测分析设备成为系统无线数据链检测误码检测的关键。

图10 误码检测过程图

常见的误码率检测仪多数用于检测各种标准高速信道[15]，不便于检测无人机无线数据链系统中具有特殊帧格式的专用通信信道，并且价格昂贵，搭建检测平台复杂。因此，无人机系统误码检测中，自行研制了误码检测仪。设计了基于FPGA的误码率检测仪方案，使用Altera公司的Cyclone系列的FPGA(EP1C6240C)及相关的外围电路[16]，实现误码检测功能，误码仪具有多种工作模式，并将误码检测结果直接显示于误码仪上的LCD显示屏上。无人机校准检测系统主控计算机可以通过误码仪实现的异步串行接口(UART)配置误码检测仪并读取误码信息，由计算机完成进一步的误码分析。误码检测设备样机如图9所示。

图9 误码检测设备实物图

系统采用FPGA作为系统的核心，由控制模块，错误检测主模块，键盘，LED / LCD显示模块等模块组成，该系统实现了单帧可选字节，可定时单帧固定字节，可选帧数可定时固定字节且中间可插任意码元等PN码测试信道性能。

根据无人机检测系统对误码检测的功能要求，误码仪的工作模式如下：

实现固定码长序列的误码检测；实现一定时间范围内序列的误码检测；实现无人机上下行数据链路特殊数据帧格式的错误检测；实现无人机图像传输通道数据帧格式的错误检测。

误码检测仪原理如图10所示，FPGA内部的逻辑代码用Verilog HDL硬件描述语言在Altera公司的Quartus 6.0集成开发环境下开发。

经过测试，误码检测仪的差错率为10-8，可用于传输速率低于100 MHz的信道误码检测，满足设计要求。

4 性能指标试验

无线数据链系统校准设备指标测试主要包括：功率计校准试验、程控衰减箱校准试验。主要目的是验证功率计、程控衰减箱是否满足无线数据链系统发射功率、接收灵敏度的校准要求。

4.1 功率计校准试验

试验目的：验证功率计的功率座是否满足进行无线数据链系统发射功率、接收灵敏度校准的指标要求。

试验场地：中国电子科技集团公司电子第38研究所计量测试中心。

试验仪器：量程校准器、功率标准座、量热式功率计[17]。

试验方法：对1 mW～250 mW量程的功率和250 mW～50 W量程的功率分别用小功率标准和中功率标准进行校准，采用交替比较法[18]对中功率计校准因子进行定标测试。

将标准功率座分别连至量程校准器和量热式功率计，记录此时功率指示器的示值；保持量程校准器的输出功率幅度不变，将被校功率座分别连至量程校准器和功率指示器，记录此时功率指示器的示值，试验结果见表1、2。驻波系数小于1.2。

表1 中功率探头(250 mW～50 W)

表2 小功率探头(1 mW～250 mW)

表中数据表明，功率测量不确定度不超过0.35 dB，满足系统设计指标要求。

4.2 程控衰减箱校准试验

试验目的：验证程控衰减箱工作是否正常，检验其衰减量是否满足无线数据链系统接收灵敏度的校准要求。

试验场地：中国电子科技集团公司电子第38研究所计量测试中心。

试验仪器：信号源、主控制设备、HP8902AT测量接收机。

试验原理：程控衰减箱校准试验采用串联中频替代法与射频替代法相结合的方法[19]。信号源的输出信号连至被校程控衰减箱，主控制设备通过串口改变程控衰减箱的衰减量，通过测量接收机接收信号，得到实际衰减量。

表3 程控衰减箱校准试验数据表(dB)

经计算，程控衰减箱的允许误差极限不超过1.5 dB，满足系统设计指标要求。

5 结论与展望

无人机系统在现有测试手段和条件下，测试方法以开环测试为主，测试指标种类、数量少，测试结果精度低，在无人机无线数据链校准中引入环路测试方法，以发遥控指令及接收遥测数据的方式，通过发送和接收两条线路，在校准与检测的过程中形成闭合的信号检测环路，搭建出在线动态测试环境，实现无人机系统受控状态下的综合性能校准与检测。解决系统检测方法单一、准确率低、无法定量分析的问题。突破了基于闭环可控的无线数据链校准设备设计、无人机射频弱信号宽动态范围高精度测试等关键技术，研制了无线数据链校准设备，解决了无线链路主要参数校准检测的难题，为装备日常维护、作战训练及承担重大飞行任务前的技术保障提供了定量评定手段。

下一步将提高无人机装备校准和检测的覆盖率，建立无人机计量保障体系，制定有关装备的技术法规文件，使武器装备的参数校准、检测有据可依，执行有标准可参照。