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摘要：Link11战术数据链是一种军用战术数据链，应用于战场战术信息的实时传输，因此对Link11战术数据链解调系统的研究具有十分重要的意义。本文针对Link11战术数据链解调接收问题，本文提出一种正交化技术，通过对数据帧的截短，将Link11非正交的载波做正交化处理实现解调接收，避免使用大抽头系数滤波器处理，降低了存储资源和计算资源的消耗。通过MATLAB仿真证实Link11信号在信噪比为12dB时可达到10-4解调误码率，具备较强的鲁棒性，在FPGA平台验证了系统硬件实现的正确性。

关键词：Link11；正交化解调；信号识别；FPGA

1 引言

作为早期军事通信体系的重要组成，Link11战术数据链在海军与空军平台的实时数据交互领域曾发挥关键作用。该系统的传输与调制解调技术长期受到电子对抗部门的重点关注，其物理层特征至今仍是信号分析的重要样本[1]。尽管Link16、Link22等新型数据链凭借更高性能逐步取代其主流地位，但Link11在系统架构设计上展现的工程智慧仍具研究价值，特别是在低成本、低复杂度场景中，这种经典数据链的低功耗特性和兼容优势，为其保留了特定的战术应用空间。

本文首先根据Link11数据链信号的特征形式，给出一种Link11的正交化技术的解调方法，并基于此采用MATLAB的仿真工具SIMULINK搭建解调模型，对模拟的Link11信号进行解调，获得解调结果；然后介绍FPGA算法实现流程，并给出了能减少FPGA芯片逻辑资源消耗的实现方法；最后片上运行验证了FPGA实现的正确性。

目前在Link11数据链解调的研究主要有：

l参考文献[2]提出了基于滑动相关功率谱的方法对Link11信号做信号识别与帧同步。

l参考文献[3]提出了基于SDR的Link11数据链传输系统设计，提出对传输信息执行QPSK调制和FM调制的方法。

l参考文献[4]提出了借鉴正交频分复用的解调原理对Link11信号做快速傅里叶变换实现解调。

l参考文献[5]提出了一种FM信号调制解调的数字化实现方法，采用鉴频器对AD采集信号做FM解调及频偏补偿处理。

2 Link11数据链简介

Link11数据链基带信号采用多音并行调制体系[6]，其数学特征表征为：

式中， A表示单路信号幅值，B=2A表示多普勒单音信号幅度，相位严格遵循四相差分相对相移键控（DQPSK）编码约束：

时域特征由矩形脉冲g（t）定义，其脉宽Ts决定信号单元持续时间。值得注意的是，16路模式下的副载波频率严格遵循55Hz奇次谐波分布规律，具体频点按升序排列为：605Hz、935Hz、1045Hz、1155Hz、1265Hz、1375Hz、1485Hz、1595Hz、1705Hz、1815Hz、1925Hz、2035Hz、2145Hz、2255Hz、2365Hz、2915Hz。

2.1 帧结构

Link11数据链的传输协议采用分层帧结构设计如图1所示，其完整通信单元由报头帧、相位参考帧、起始码帧、信息帧、终止帧地址帧顺序构成：

2.2 汉明编码

Link-11数据链采用（30，24）汉明码实现前向纠错机制。将24位战术信息位与6位监督位构成30位编码单元，满足k=24信息位与r=6冗余位的线性分组码约束。编码后的30位数据流通过15个副载波（编号2-16）进行承载，每个单音分配2位信息，满足15×2=30的精确映射关系。

2.3 调制解调方式

Link-11数据链采用/4-DQPSK与FM的混合调制架构，/4-DQPSK通过相邻符号间的相位差分承载2比特信息，取值为n/4（n=1，n=3），其星座图在8个相位点间循环跳变[7]。FM调制将差分编码生成的基带信号加载至15kHz载波，通过频率调制实现。

3 Link11解调算法

3.1 解调算法实现流程

Link11数据链信号接收端解调算法实现流程如图图2所示。

具体流程如下：

（1）FM解调模块采用鉴频器解调的方式实现，将AD采样下来的信号做数字下变频、抽取滤波和鉴频。将信号频谱搬移到基带，用鉴频器做相位计算、差分、频偏补偿等处理。

（2）检测模块采用突发信号能量检测法[8]，当检测值高于设定检测门限，输出信号出现时刻，发送给下一个模块作为使能信号输入。

（3）帧定时模块利用报头帧中的2915Hz信号做长度为T的滑动积分进行帧同步信号提取，寻找每一帧信号的结束时刻，实现帧同步。

（4）帧数据采集模块实现正交化技术，根据帧定时模块发送的帧结束信号，对每一帧信号做中心频率数字下变频，截取点采样数据作为当前帧的数据。截取后的信号各个子载波之间实现正交化，达到抑制载波间干扰的效果，发送给解调模块。帧数据的截取借鉴OFDM维持子载波正交性的原理，具体算法如下。

在码元持续时间内任意两个子载波都正交的条件为

对于Link11数据链系统的载波频率取值为55Hz 的奇次谐波，最小载波间距为110Hz，与码元持续时间非整数倍关系，那么要满足上式条件，则应调整码元持续时间，即将接收信号的每一帧持续时间截短为，截短后的信号采样点数为采样率除以，使得信号在时间内任意两个子载波积分为零，满足OFDM的正交条件，消除了载波间干扰，降低了解调误码率。

（5）解调模块对帧数据采集模块截短的帧数据做点的快速傅里叶变换，并取其中对应频率，然后对帧数据信号做差分与相位补偿[4]。按照调制数据和相位差的对应关系得到/4-DQPSK解调数据，然后通过并串转换和汉明译码单比特纠错，得到正确的传输数据信息。

3.2 MATLAB仿真运行结果

为验证算法的有效性，生成传输速率为2250bps的Link11信号，采样频率为82.5kHz，满足奈奎斯特采样准则，如图3所示为发射端同步头频谱，当频谱分辨率小于55Hz时能明显地观察到多普勒单音信号比同步音强6dB，比其余载波强12dB。根据上述解调算法通过MATLAB仿真平台进行解调，统计不同噪声情况下的解调误码率，误符号率性能结果如图4所示。

由于系统发射端进行FM调制，当SNR小于8dB时，FM调制理论误码率直接达到0.5，导致解调系统完全失效，从图中误符号率性能可以分析得出在12dB信噪比下系统的误码率达到，接收端算法的正确性也得到了间接验证，完全符合Link11数据链系统的指标要求。

4 解调关键技术FPGA实现

基于上述MATLAB仿真分析，可认为本文给出的解调算法是可行的，具体实现时采用并行处理的方式。

4.1 FPGA实现结构

Link11数据链信号解调实现结构如图5所示。Link11信号是15路并行/4-DQPSK调制叠加后进行FM调制，因此对于解调，先将AD采集的信号进行FM解调，再进行并行/4-DQPSK解调，解调后的数据进行并串转换和汉明码译码输出解调数据。

4.2 FPGA实现

在本研究中，针对FM调制信号的解调，采用了基于鉴频器的解调方法，该过程通过FPGA模块得以高效实现。如图6所示FM解调模块由数字下变频，匹配滤波和鉴频三个部分组成。

数字下变频由一个DDS及两个乘法器组成，DDS产生载频信号，正交分解后与输入数据相乘实现下变频至基带。匹配滤波器为42阶FIR低通滤波器，通带截止频率，阻带截止频率。

匹配滤波通过MATLAB滤波器设计软件导出，调用Xilinx的FIR IPcore完成滤波器配置。调用FPGA内部的Cordic IPcore，对合并后的信号进行相位信息计算。最终，鉴频器通过对比并计算前后相邻采样点的相位差，获取鉴频结果存入RAM中作为检测模块的输入，完成FM调制信号的解调任务。

检测模块实现流程如图 7所示，将鉴频器得到的结果输入检测模块，将鉴频输出的数据存入中，另一路通过数字下变频和匹配滤波后，得到混频结果存入。

对和中的数据各自做能量平方相加，输出能量比值，与阈值门限对比做判定，得到检测结果供后续模块使用。数字下变频中DDS产生605Hz信号，匹配滤波器为721阶FIR低通滤波器，通带截止频率，阻带截止频率。

帧定时模块将鉴频器输出的数据通过数字下变频和匹配滤波，得到和，然后计算滑动相关值，在使能信号为高电平的情况下，输出的相关值在某时刻减少，则设置计数器CNT=-351并启动CNT对输入数据进行计数，当CNT=0时，则输出帧定时信号。

帧数据采集模块如图8所示，数字下变频中DDS产生1705Hz信号，将鉴频数据1705Hz频率搬移至零频，并根据各个帧的结束时刻，在使能信号为高电平时，对每一帧数据截取前750点数据发送给解调模块，截取的具体实现为采用计数器CNT_cj对原始数据的1100个采样点计数，当CNT_cj小于750时输出信号作为有效输出。

解调模块如图9所示，实现方式为调用FFT IPcore对帧数据做8192点快速傅里叶变换， 并取其中对应频率。

调用Cordic IPcore计算得到非线性相位差并做相位补偿得到包含各个子载波的相位信息，对进行周期化处理，通过查找表确定/4-DQPSK解调信息，并存入RAM中，做并串转换，发送给汉明解调模块，查找错码并纠正，最后得到输出数据frame_out。

5 测试验证

为了验证Link11数据链物理层实现的正确性，对数据进行采集和分析，采用Xilinx公司的XC7Z100T芯片测试，仿真平台为Vivado2018.3开发软件的SIMULATION工具。

如图10所示为接收端捕获的载频为15kHz经过AD采样的I、Q两路信号，并且携带数据frame_din。

如图11为帧数据采集模块实现对每一帧信号截取910点数据存入RAM中作为解调模块的输入。

如图12为获取每一帧解调数据结果，可以观察到对Link11数据链信号很好地进行了实时解调。

对比图10和图12可以看出，该设计方案有效地解调出信号和数据信息，是正确可行的，也间接验证了解调算法的正确性。

6 结语

本文针对Link11数据链信号解调提出的基于正交化的解调接收技术，物理层模型包括FM解调模块、 检测模块、帧定时模块、帧数据采集模块、解调模块，通过仿真实验，在信噪比为12dB的条件下，解调误码率达到了10-3，证明了本文算法的真实有效性，利用FPGA的高速信息处理优势实现接收端并行解调，该实现方式节省了DSP资源消耗，提升了解调速率。

参考文献：

[1]张慧，于龙，丁鲲等.美军联合全域指挥控制中的战术数据链发展分析[J].国防科技，2024，45（05）：121-128.

[2]徐哲.短波串行Link11信号解调关键技术研究[J].舰船电子对抗，2024，47（05）：75-78+89.

[3]熊航，廖聪慧，杜鸿.基于SDR的Link11数据链系统设计[J].无线互联科技，2023，20（03）：65-68.

[4]费忠霞，尹华锐，徐佩霞.基于DSP的LINK11数据链对抗系统[J].航天电子对抗，2005，（04）：51-54.

[5]布刚刚.一种FM信号调制解调数字化实现方法研究[J].现代导航，2021，12（04）：306-309.

[6]李永志.Link11数据链仿真技术研究[J].计算机与网络，2019，45（24）：57-59.

[7]关媛，樊宏伦，樊来恩.数据链中DQPSK调制解调仿真[J].信息通信，2020，（01）：90-93.

[8]王务鹏.多节点Link-11数据链关键技术研究与验证[D].电子科技大学，2016.

作者简介：陈泽（1997.10- ），男，四川宜宾人，研究生，硕士，主要研究方向：高速数字信号处理；

陈永昇（2000.10- ），男，福建莆田人，研究生，硕士，主要研究方向：高速数字信号处理；

周良臣（1975.10- ），男，四川南充人，副教授，博士，主要研究方向：高速数字信号处理。