摘 要： 采用頻分雙工（FDD）的方式實現(xiàn)上下行信道的區(qū)分，在應用于高速（Mb/s）,、遠距離（100 km以上）傳輸上,，一直以來是個難題。但在載荷有限的浮空平臺中,，如小型無人機,、導彈、飛艇等,，仍采用FDD方式,。由于收發(fā)頻率的不一致，設備射頻部分需要兩套接收機,、發(fā)射機和功放,。同樣，對應的天線也需要兩套,。在體積,、重量、功耗多方面都不符合浮空平臺的裝機需求,。采用時分多址和時分雙工相結合的雙向數(shù)傳系統(tǒng),，通過時隙分配，可在一套天線,、一套收發(fā)射頻裝置上實現(xiàn)高速數(shù)傳系統(tǒng)的組網(wǎng)通信,，解決了浮空平臺體積、重量受限,，同時又要求雙工通信的難題,。
關鍵詞： 遠程通信；高速數(shù)傳,；時分多址,；時分雙工
0 引言
現(xiàn)代軍事通信,，尤其是涉及到多媒體通信方面，對于高速率的數(shù)據(jù)傳輸有著越來越廣泛的需要,。地面操作人員的大多數(shù)指控行為均是根據(jù)飛行器平臺回傳的高清實時視頻圖像來做出判斷,。
國內目前對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽么蠖嗤Ａ粼诓捎脝胃炀€單向傳輸視頻數(shù)據(jù)流的層面[1]，且分辨率和圖像質量較低,，或者依靠頻分雙工(Frequency Division Dual,，F(xiàn)DD)制式實現(xiàn)視頻、數(shù)據(jù)的雙向傳輸,，頻譜利用率與天線利用率較低,。以一個簡單的點對點通信系統(tǒng)為例，發(fā)送方需要2根天線（1根發(fā)送,，1根接收）,，接收方也需要2根天線才能完成該系統(tǒng)的雙向通信。對于有N個節(jié)點的組網(wǎng)通信,，總天線數(shù)量將達到2N個,。
為解決此類難題，開發(fā)了一套新型雙向高速數(shù)傳通信系統(tǒng),，以滿足多功能,、高性能、高速率,、體積小,、重量輕的應用需求。該系統(tǒng)在傳輸體制上未采用傳統(tǒng)雙向高速數(shù)傳系統(tǒng)的FDD模式,，而是采用了時分多址(Time Division Multiple Address,，TDMA)+時分雙工(Time Division Dual，TDD)通信系統(tǒng),。采用TDD技術,，地面電臺不僅能接收來自于空中的下行高速數(shù)據(jù)（視頻）信號，還能反向傳輸上行指控命令[2],，實現(xiàn)對無人機飛行器的控制,。TDMA技術使得無人機與地面指揮車既可實現(xiàn)一對一、點對點通信,，也可實現(xiàn)一對多,、多對多的組網(wǎng)通信。而不管系統(tǒng)內存在多少臺設備,，單個設備只需要配備一副天線在一個頻率上即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向、組網(wǎng)通信,。
1 系統(tǒng)簡介
該系統(tǒng)是自主研發(fā)的,、基于兆比特級高速信號的TDMA與TDD傳輸技術,，實現(xiàn)了在一個信道上的圖像、數(shù)據(jù)業(yè)務的雙工傳輸[3],。區(qū)別于國內其他高速（Mb/s級）數(shù)據(jù)傳輸設備只支持單向,、單個視頻傳輸，或者只依靠FDD,，該技術采用雙天線的方式來滿足雙向通信需求,。
從硬件復雜度和系統(tǒng)穩(wěn)定性考慮，數(shù)傳系統(tǒng)中頻,、基帶信號處理模塊并未采用傳統(tǒng)FPGA+DSP+MCU方式[4],，而改用單片、低功耗FPGA實現(xiàn),。所有軟件（控制鏈路層,、調制解調物理層、TDMA+TDD網(wǎng)絡層協(xié)議）也集成在該單片F(xiàn)PGA內,，軟件集成度,、復雜度較高。采用該設計思想,，確保了系統(tǒng)的小型化和低功耗,。圖1為全雙工兆比特電臺外形圖，該電臺尺寸僅為280 mm×150 mm×80 mm,，重量≤1.8 kg,。
TDMA+TDD技術的應用，使得該數(shù)傳系統(tǒng)不僅支持點對點通信,，也支持多個視頻信號和控制信號的組網(wǎng)通信,。該系統(tǒng)中，下行主要用于傳輸視頻,、圖片,、飛參信息給地面站圖傳電臺，上行用于指控命令等低速數(shù)據(jù)業(yè)務的傳送,，從而實現(xiàn)地空間的雙向通信,。通過對圖傳系統(tǒng)進行常溫下的功能試驗、拉距試驗,、高低溫試驗以及振動試驗等一系列環(huán)境試驗,，驗證了該系統(tǒng)的軟硬件性能及其工作的穩(wěn)定性。
圖2 為該系統(tǒng)的級聯(lián)圖,，其中,，1部地面臺和2部機載臺組成整個兆級傳輸網(wǎng)絡，地面臺可同時接收來自2部機載電臺發(fā)送的圖像或其他高速率碼流，同時,，地面臺可對2部機載電臺發(fā)送指令,，從而組成TDMA通信網(wǎng)絡。
2 協(xié)議軟件的基本原理及實現(xiàn)
數(shù)傳系統(tǒng)的上下行通信由TDMA+TDD協(xié)議來控制,，電臺發(fā)送信息按時間進行循環(huán),。該系統(tǒng)中，地面站數(shù)傳電臺作為主機設備,，機載臺1與機載臺2作為從機設備,。為避免主機與從機通信沖突，上下行幀結構為固定時隙[5],。機載臺1,、機載臺2和地面臺發(fā)送數(shù)據(jù)的幀結構如圖3所示。
考慮到以圖像信息為主的大數(shù)據(jù)為突發(fā)數(shù)據(jù),，且數(shù)據(jù)量較大,，因此時隙劃分時圖像信息將占用大部分時隙。該系統(tǒng)中,，上下行采用了不同的調制方式,，其中下行為DQPSK，碼率為3 Mb/s,，上行為MSK,，碼率為60 kb/s。單個時隙長度為8 962.16 ms,，機載臺單次發(fā)送的時隙長度為16.5 ms,，地面臺發(fā)送同步碼與控制命令的時隙為0.16 ms，單向空中傳輸延遲1 ms,。
圖4給出了主機與從機工作流程圖,。上電后，主機在規(guī)定的時隙時間內,，發(fā)送已知的同步頭與控制信息,，且數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，立即切換至接收狀態(tài),。而從機開機后,，處于接收狀態(tài)，不斷搜索主機發(fā)送的同步頭,。檢測到同步頭后,，對控制信息進行解調并判斷循環(huán)周期計算值cnt是否小于等于255，若cnt≤255,，則分析判斷是否傳輸數(shù)據(jù),。數(shù)據(jù)傳送完畢后,，重新判斷cnt是否等于255，若否,，則從機轉入復位狀態(tài),。
圖5、圖6分別給出了主機與從機發(fā)射狀態(tài)控制及轉移圖,。主機與從機處于發(fā)射狀態(tài)時，皆包含4個狀態(tài)[6],，分別為空閑,、發(fā)送幀頭、發(fā)送數(shù)據(jù),、發(fā)送保護數(shù)據(jù)[7]（IDLE,、SEND_HD、SEND_DATA,、SEND_GUA）,。主機狀態(tài)通過時鐘頻率為3 MHz的計數(shù)器控制，從機通過頻率為60 kHz的計數(shù)器控制,，各狀態(tài)下方為對應的計數(shù)值,。
3 關鍵技術與創(chuàng)新性
⑴硬件上,，該數(shù)傳系統(tǒng)基帶傳輸速率為3 Mb/s,，中頻工作頻率為70 MHz，射頻工作頻率為450 MHz,，其中DA模塊工作頻率甚至到達720 MHz,，高頻數(shù)字處理[8]對硬件的布板、布局要求非常高,。
?、栖浖希咚贁?shù)傳電臺至少支持3 Mb/s的實時數(shù)據(jù)傳輸,，并支持TDD制式的數(shù)圖同傳與TDMA模式的多機組網(wǎng)功能,，這對FPGA程序、通信協(xié)議的同步設計提出了更高要求,。
?、荰DD+TDMA工作體制的運用。區(qū)別于普通民用產(chǎn)品單向,、點對點傳輸?shù)奶攸c,，該系統(tǒng)在單根天線上完成信號上下行傳輸，且支持TDMA模式的多機組網(wǎng),。
?、扔布軜嬌希撓到y(tǒng)摒棄傳統(tǒng)FPGA+DSP+MCU方式，而改用單片F(xiàn)PGA方式進行數(shù)字信號處理,，硬件集成度高,、穩(wěn)定性好、MTBF（平均無故障維修時間）指標很高,。
?、蓤D像接口：該系統(tǒng)圖像處理模塊不僅提供一路BNC（復合視頻）輸入輸出接口，而且提供一個串口和一個網(wǎng)口,。通過網(wǎng)口直接輸出至上位機,，實時顯示兩幅圖像及控制信息。
?、饰锢韺铀惴ǎ涸撓到y(tǒng)上下行信道采用不同的調制方式,， 有效利用了TDMA時隙。
4 結束語
系統(tǒng)方案設計合理,，技術前沿,，硬件結構簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定,。接收到的視頻信號不僅可直接用模擬方式輸出到電視,，還可通過電臺預留的網(wǎng)口在電腦上顯示，并可實現(xiàn)組網(wǎng)后的多幅圖像的顯示,，提高了系統(tǒng)的利用率和環(huán)境適應性,。目前該系統(tǒng)已通過實驗室環(huán)境功能測試，并進行了10 km野外拉距試驗,。
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