基于软件无线电的数据链轮询协议实践教学

［摘 要］ 在海军工程大学“学科建设提质计划”背景下，在“数据链通信原理与技术”教学中，实现理论与实践结合，基于LINK-11数据链，实现了对信号的编码、调制、发送和接收。从理论、硬件、软件等方面论述了在教学中实现Link-11数据链通信的方法，克服了以往“数据链通信原理与技术”课程重理论、轻实践的弊端，提高了学生的实践能力和任职能力，对数据链的应用及教学具有特殊意义。

［关键词］ 通信Link-11；数据链；通信；教学；实践

［基金项目］ 2021年度海军工程大学学科建设理论研究课题“新时代军队院校特色学科建设发展研究——以信息与通信工程学科为例”（XK2021002）

［作者简介］ 窦高奇（1981—），男，山西长治人，博士，海军工程大学电子工程学院教授，博士生导师，主要从事差错控制编码和数字通信信号处理研究；付天晖（1981—），男，黑龙江大庆人，博士，海军工程大学电子工程学院副教授（通信作者），主要从事数字通信与通信抗干扰技术研究；徐 丹（1982—），女，浙江余姚人，博士，海军工程大学电子工程学院讲师，主要从事数据链波形传输技术研究。

［中图分类号］ G642.3 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）20-0098-04 ［收稿日期］ 2022-05-27

引言

在海军工程大学数据链专业本科生的高年级培育阶段，由于综合应用了硬件、软件系统，强调专业知识与社会前沿硬件开发技术相结合，理论知识点多，覆盖学科面广，学生要熟练掌握应用有较大难度，学习时感觉内容枯燥乏味，实践无从下手，实践教学效果不太理想，综合能力较弱的学生对此课程兴趣不大。为了培育学生架构数据链通信的能力及对Link-11数据链（11号战术数据链）的了解和分析能力，数据链专业的学生必须开设一门“数据链通信原理与技术”的教学及实践课程。基于通信系统的数据链应用实践课程的开设，将使数据链专业学生的数据链应用能力有较大提高。

数据链原理与技术涉及通信原理、计算机网络及数字通信等学科内容及数据链组网应用，实践课程涉及基本原理与典型应用结合的综合验证，同时需要学生熟练掌握MATLAB、C语言等软件编程和硬件平台操作，对学生动手能力要求高，教师实践环节设计难度大。我校目前配备的无线电平台，内部自带了Ubuntu操作系统，可以连接外部设备对其进行操作，同时可以通过MATLAB生成Link-11数据并进行信号捕获、频率估计、帧同步和差分解调译码。每个学生使用一台一体机设备即可完全仿真Link-11数据的发送与接收过程。基于上述硬件设施，我校具备扎实开展数据链轮询协议实践教学，提高学生专业水平的条件。

Link-11是一种具有保密功能的数据链，主要是供舰艇之间、舰岸之间、舰空之间和空岸之间实现战术数据交换的重要数据链，在未来的一段时间里都会发挥重要的作用［1］。因此，经过再三考虑，在“数据链通信原理与技术”教学实践课中引入Link-11数据链，让学生了解其特点、使用方法、应用领域、应用技巧及网络配置技术等，使学生通过对LINK-11数据链通信的了解和使用，了解数据链在通信系统中的作用及建立数据链系统的技巧等。

一、LINK-11数据链的特点与功能

Link-11是20世纪60年代开始研发的一种低速战术数据链并于70年代在美国海军开始服役［2］。Link-11数据链系统组成主要包括计算机、保密设备、数据终端、射频电台等。数据链系统的射频电台有短波电台（2M～30M）和超短波电台（225M～400M）两类，短波电台采用SSB调制，超短波电台采用FM调制。Link-11采用网络通信技术和标准报文格式，工作在HF频段时，使用SSB或抑制载波AM调制，可覆盖300海里；工作在UHF频段时，使用FM调制，提供舰对空150海里，舰对舰25海里。Link-11数据链支持空中舰船和水下跟踪数据、电子战数据和指挥控制单元之间的有限指挥数据的交换［3］。

Link-11作为地空数据链和空空数据链广泛应用于军事通信领域的指挥作战体系中，是情报传输系统的重要手段和工具。其诞生对北约数据链的研发具有相当重要的意义，在已服役的数据链中应用范围广泛、装备规模很大［4］。

二、基于Link-11的数据链通信教学实验课

我校实验室目前已配备了无线电平台，内部自带了Ubuntu操作系统，可以连接外设对其进行操作，并可以通过MATLAB生成Link-11数据波形。在教学过程中，学生要熟悉硬件平台的使用和操作，掌握硬件平台（包括无线电硬件平台、显示器、键盘、鼠标与硬盘）的正确连接和开机操作；熟悉软件界面的使用，了解Link-11数据链多站点组网方式，通过软件无线电平台模拟的多站点进行组网和点名呼叫实验，了解Link-11对发送波形的编码、并行子载波调制方式，了解发送信号的帧结构组成和功能及并行多音体制，了解Link-11接收端的同步捕获、帧同步、差分解调、译码的过程和基本原理，加深对Link-11轮询协议原理的理解。

（一）教学实验原理

采用理论与实验相结合的方式对学生进行教学。首先向学生讲解数据链通信的原理，然后进行分步实验教学。学生在实验前需了解数据发送原理、数据接收原理等主要数据链通信原理。

1.数据发送原理。根据数字通信系统模型，需要在发送端对数据进行编码、调制，并基于此设计编码、调制教学实验。为了实现数据的收发同步，所以数据被分为若干帧进行发送。Link-11信号就是将16个子载波搬移到不同频谱的叠加信号即频分复用信号。

在Link-11系统中，16个单音频率为605，2915， 935，1045，1155，1265，1375，1485，1595，1705，1815，

1925，2035，2145，2255，2365，频率单位为Hz［5］。其中605 Hz用于多普勒频移校正，2 915 Hz用于同步或传递数据信息，其他14个频率用于传递数据信息。

15个数据子载波单音每个携带2比特，共携带30比特［6］。前导码中，605 Hz的功率是2 915 Hz的4倍；非前导码中，605 Hz单音的功率是其他每个单音的4倍，其他单音功率相等；前导码605 Hz的功率是非前导码605 Hz功率的4倍。

Link-11帧格式包括前导码、相位参考帧、控制码、数据消息等［7］。从相位参考帧开始，每一帧都包含16个单音子载波信号，其中605 Hz依旧用于为接收端校正多普勒频移。其他15个单音为控制码的第一帧提供参考相位。从相位参考帧开始，前一帧为后一帧提供参考相位。控制码分为起始码、前哨终止码、控制终止码和地址码［8］。终止码位于数据帧之后，前哨站终止码固定为全1，控制站终止码固定为全0。数据消息是发送报文中包含信息的部分，由若干数量的帧组成，每一帧包含24比特，汉明编码之后30比特的数据，数据消息须紧跟在起始码之后。

2.数据接收原理。Link-11接收是发送的逆过程，但增加了信号检测、同步、多普勒频偏校正模块［9］。接收端的解调流程中突发信号检测、同步、多普勒频移校正是关键。

因为数据帧总长为帧长×81，所以以帧长×81为判定条件，当选出的locs大于帧长×81则说明是从整个报文数据的后面开始接收数据的，所以向前取帧长×76的到数据帧；否则向后取帧长×76。得到数据帧之后，对其进行解调解码操作，即恢复了原信号。

（二）教学实验过程

学校对参课学生制定明确的实验要求，具体步骤如下：基于发送端的MATLAB代码，对要发送的英文文本“hello”，进行ASCII码变换，之后对其进行编码和调制，最后进行Hilbert变换，形成最终的发送信号。

学生接收来自发射端的带有“hello”信息的信号，按步骤进行MATLAB代码的运行。基于接收端的MATLAB代码，对接收到的信号进行信号检测、同步、多普勒频偏校正等系列操作。通过MATLAB界面观察每一个步骤的数据输出，实例化地了解每一个流程的原理。学生的规范操作步骤如下。

1.用MATLAB打开文件夹内的JointTestTx.m文件，对发送端的参数进行赋值。

2.获取要输入的英文字符，并对其进行ASCII码变换，把ASCII码整合成行矩阵，再将得到的char型数据转换成num型数据。得到“hello”的ASCII码矩阵，第一行代表字符“h”，以此类推。

3.将数据转成行矩阵，每7个比特为一组，分别代表“h”“e”“l”“l”“o”。将数据位扩展到规定长度，满足数据帧的要求。学生输入的“hello”转换成二进制字符串长度为35，则将其余位全部补零。生成编码调制之后的信号序列tx_signal，其大小为1×88 371。报文数据总大小为88 371=81×1 091，其中有5个导频，每个分帧大小为1 091。

4.得到经过汉明码编码后的数据序列Origin_Bits，大小为69×30。前导码共有5帧，只含有两个单音，605 Hz和2 915 Hz，605 Hz不调制，2 915 Hz采用BPSK调制。相位参考帧，共1帧，为控制码的第一帧提供参考相位，含有16个单音，605 Hz不调制，其他单音分别采用QPSK调制。起始码固定为（7450604077）8（5467322342）8。

5.得到发送信号tx_signal。

在接收端，首先进行接收端参数赋值，为了能够成功解调解码发送端的Link-11信号，接收端的参数配置应该与发送端保持一致。对接收到的信号通过信号检测、同步、差分解调和译码等过程，当终止码正确解码时，依据ASCII将数据转成字符串，结果为message_recv=“hello”，有效地接收到“hello”字符串。综合上述实验步骤，学生能够完整地进行数据链轮询协议实验中的数据发送过程和数据接收过程。

三、课程总结与展望

（一）课程总结

本文基于Link-11数据链，实现了信号波形的发送和接收仿真实验。在教学中有效地解决了以下问题：（1）利用MATLAB产生独立同分布随机信息序列，完成信息比特偶校验编码及汉明编码；完成π/4QPSK调制信号生成；（2）通过查表生成方式完成16路多音并行子载波调制的生成；（3）完成前导码、相位参考帧、数据消息码及终止码的生成过程，完成网控站呼叫报文（IM）、网控站报告报文（IWM）及前哨站应答报文（PRM）波形生成；（4）通过findpeaks后找到准确的前导的位置，实现帧同步；（5）通过π/4DQPSK调制生成符合Link-11协议的码完成收发认证。

（二）展望

基于发送端的MATLAB代码，对于要发送的英文文本经过ASCII转换后进行调制、编码，最后进行Hilbert变换，形成最终的发送信号。在接收端，对接收到的信号，基于MATLAB代码，进行一系列操作，恢复为英文文本。在发送和接收过程中，通过MATLAB界面观察每一个步骤的数据输出，实例化地了解每一个流程的原理。

课堂教学环节主要采用实验的教学模式，利用典型Link-11数据链，通过理论讲授和亲身实践两种教学模式，突破教学过程中的重点和难点问题，为学生提供系统、完备的理论知识支撑，并使实践性教学成为既是加深对数据链组网原理及波形传输理解的实验环节，又是学生综合素质、特别是技术创新能力培养的一种重要手段，从而循序渐进地提升学生岗位任职能力。

学生通过软件修改及完善，激发对数据链课程的学习兴趣，加深对数据链轮询理论与工作原理的认识，提升实践教学效果。