L-3 数据链介绍与计算
2024-04-11 00:13:24
该文档使用价值极高，从系统角度几句话就能说透关键概念，能把窗户纸捅烂那种，数据图绘制和计算表都具有实用性，现在仍有不解之处，本文末尾下载英文原版。 30多年来，L-3通信系统一直为所有国防部用户提供专门的应用，独有最先进的宽带通信系统。这些设备为地对空、地对星、空对空和空对星的双向通信应用建立通道。L-3通信公司通过积极的内部IRAD活动不断推出最先进的技术提高产品的性能，降低成本，来保持其市场份额。 在过去的十年中，通信系统的技术已经显著成熟，主要是在器件开发领域，随之增加了通信/数据链路的性能和功能。L-3Communication的技术人员保持通讯的应用和技术水平，我们的经营宗旨是-只有这样，才能为多方面的通信用户设计出有效的解决方案。 “链路预算”是通信系统设计者从用户需求中得出解决方案的主要工具。“链接预算”的输入代表用户的需求和要求;例如，分配的可用频率、所需的吞吐率、可视范围(LOS)和SWAP(大小、重量和功率)约束。产生的“链路预算”将虚拟地描述通信解决方案，并且其生成过程需要经验丰富的通信设计师进行一系列直观的折衷，这些折衷包括天线，发射机功率和效率，噪声系数，处理能力等 军事通信用户还可以通过在存在故意干扰（干扰）和/或秘密通信的情况下指定可靠的通信来施加附加的通信要求。隐蔽通信具有通过低检测概率（LPD）和/或低拦截概率（LPI）描述的品质因数。L-3 Communications具有领域知识和硬件设计，可满足您特定的数据链路要求，包括AJ/ LPI / LPD，并将为您的特定要求提供设计解决方案。 anti-jamming/ lowprobability of detection/ low probability of intercept 我们假设您已经开始阅读本手册，因为您至少对数据链接及其应用感兴趣，并且也许有丰富的知识。如果您是数据链接的潜在用户，希望对数据链接功能有更好的了解，欢迎您继续研究我们探索数据链基本工具（预算用于系统设计的链接）的应用和实用程序。我们建议在此对这个工具进行足够详细的讨论，以便具有特定应用程序的数据链新手可以随后为该应用程序开发自己的链接预算。 链路预算直接适用于单向的点对点数据链路，更复杂的链接需要将链接预算应用到多段链接的每个点对点。单向的，点对点的链接称为单工。双向的点对点数据链路称为全双工(同时双工)或半双工(顺序双工)。 链接预算与我们更熟悉的财务预算非常相似。两者都关心资产和负债的平衡。两者都使用了预测项，至少部分使用了预测项。两者都提供了网络均衡的变量，并给出其调整的范围。链路预算平衡数据链路内的增益和损耗，以达到必要的净增益或信号余量。因此，在进行设计和开发之前，链接预算允许确定所需数据链的可行性。 链接预算是一种系统设计工具，当预期数据链接处于概念或形成阶段时首先使用。此早期应用程序涉及临时数据输入以建立可行性。随着计划的成熟，这些暂定数据已成为链接需求。在整个开发过程中（包括验证测试），链接预算都应保持适当的最新状态。通过这种方式，可以评估在开发过程中系统参数不可避免发生的变化对预计系统性能的影响。最后，在数据链接的验证测试期间使用链接预算工具可以验证该工具及其用法。正确维护的链路预算将预测数据链路的性能，与验证测试所显示的性能是一致的。 通过电磁波传播将信息从空间中的一个点转移到另一点需要能量转移。可以将这种能量传递表达为方程式，其中每个数据链路操作都会贡献增益或损耗。该等式和相关的链路预算将量化数据链路的本质。 数据链接方程式可以表示为方程1，稍后在介绍相关字母含义。先说一下接收天线AR 的表达为接收区域，这与物理孔径有关，但有明显不同。 典型接收天线的特征在于其增益GR ，与“有效”孔径与增益相关，如方程2所示，其中λ是载波信号的自由空间波长。现在可用方程3所示表达Si和Ni了。 数据链方程4表示重要的链路参数接收器处的“可用”信噪比。 为便于制表和计算，方程两边取对数的十倍，参数以分贝表示(方程5) 给定这些术语的定义，链接方程可以方便地以表格格式表示。建议的表格格式如图表4所示。完成各个条目是制定数据链接实现决策的系统方法。所有这些决定最初都是暂定的。最终，必须在损益之间实现适当的平衡。许多参数可用于调整以获得所需的信号余量。 数据链预算-链接方程的表格形式，可方便地计算数据链路的收益和损失。 链接预算的讨论将以这个示例表为主线展开。因此，表格式链接预算，图4包括所有项目的示例条目。（本示例链接预算也作为折页提供，以方便阅读，如本手册的最后一页。）首先对每个行项目进行一般性解释，然后对示例中使用的特定值进行说明。数据链新手可以在将此工具应用于其应用程序的同时来学习接下来的内容。 图1中描述了一个数据链应用场景，在链接预算表的底部对物理场景的注释中进行了量化。注释中添加额外参数数据，仅从物理场景看不明显。有时这些条件可能需要一个最佳估计值来代替已确定的要求。 通常，在任何数据链接应用程序中，首先要考虑的是数据类型（模拟或数字）以及传输的质量或保真度。这种考虑将限制调制的选择，确定接收机结构并建立“required”SNR的值。但在这里将根据讨论链路预算的内容顺序在后面对调制选择时再详细讨论。 “required”SNR（实现特定的信息传输保真度所需的SNR）是“available”SNR的下限，当对链路预算的收益和损失进行总计时，必须达到该“available”SNR。因此，在“数据链路预算”的“SUMMARY”部分中开始对此进行链路预算讨论是很方便的，见图表4。 对于高质量的数据传输，所需的信噪比通常在6到12分贝的范围内。所需的信噪比将直接关系到传输质量，如误码率（BER）、字误码率（WER）或输出信噪比。如果考虑到数据编码（本文暂且不讨论）可能对该要求有重大影响。一些数字和模拟调制的典型数据如下（图2和图3）。对于数字调制，需要给出信噪比与误码率的关系，而对于模拟调制，输入和输出信噪比是相关的。 接收机的实现不能完全达到理论上性能。这种损失说明了在信号接收过程中会偏离理想性能。通常情况下，根据接收系统投入（和成本），通常会发生1至3 dB的损耗。 信号余量是数据链路设计中的应急措施或安全因素，因此很少有固定要求。当超出标称设计条件时，信号余量提供了连续的链路保证，例如，传播路径中可能会下大雨，或者偶尔会出现多路径传播。对于小于10 dB的信号余量，经常需要进行特殊说明或调整。（10：1安全裕度）或大于20 dB（100：1安全裕度）。显然，信号余量是一个判断因素，有时可能与“可接受的”链路中断（或所需的链路可用性）的概率度量相关。 19、20和21条的代数合将为可用SNR确定最小值。回想一下（方程4），可用SNR是评估链路方程计算结果。因此，必须适当地适配各种链路参数以产生与所需的数据链路质量（所需的SNR）匹配的可用SNR。可用的SNR是由表格中第1至17项的总收益和总损失得出的。 可以在很大的范围内调节发射机功率，以满足链路要求。更高的发射机功率的首要约束是更高的成本。其他限制因素包括技术、可用的电源功率、散热和人员安全。这些约束中每一个的严重性都与RF载波频率有关。通常，发射机功率是实现所需可用SNR时最灵活（方便调整）的参数之一。 在任何集成方式中，这种损耗都会在某种程度上出现，因为它包括发射机与发射天线之间发生的任何损耗。这条路径中的典型损耗成分是传输滤波器，传输线和旋转关节。这些损失的优化尤其重要，因为除了链接可靠性之外，每种损失都可能会产生大量的热量。注意，来自链接方程的项Lt在列表中可以细分为几个常见的源头。 发射机天线增益是对可用信号功率聚焦或定向到目标接收机的程度的度量。对于单个预期的接收机，使用定向而不是分散可用功率会带来更大的好处。在理想精准的指向时取峰值增益值。天线的尺寸和增益通常受到外部因素的物理限制。 原文这几张图太小看不清楚了，我对应用EXCEL画了几张，文末可下载 跟踪（闭环）和指向（开环）天线子系统都受到精度限制，并且可能会在目标接收机处指向小于天线峰值增益的位置。动态瞬时信号跟踪方案（如锥形扫描）需要对波束进行一定的方向偏移才能保证其跟星。Lt2项包括所有引起波束指向错误因素。 发射器终端天线可能需要使用天线罩的介电层保护天线。可能需要使用天线罩以防天气，风（包括气流）或防止侦测。在任何情况下，天线罩几乎都会反射和/或吸收RF能量。Lt3包括了由天线罩引起的任何损耗，在大多数情况下，这种损耗很小（0.5至1.0 dB）。 发射电路信号损失在上面总计提到3种，目的是提醒我们通常是存在这些损耗或其它损耗。 对前五个链路预算数据汇总会得出有效各向同性辐射功率（EIRP）的值。该术语表示如果天线是各向同性辐射器，并以无损方式连接到发射机理想状态，需要的发射器功率。EIRP是发射端的品质因数，表示指向目标接收器的功率密度或场强。如果EIRP保持固定，则可以在不影响数据链路操作的情况下分配发射端的各项指标（相关设备设施的）。 先前已结合链接方程式讨论了该术语。λ=c/f（光速/频率）是链路预算中链路载波频率最直接的表现（体现频率在链路中的作用）。频率也是天线增益、传播和硬件损耗的重要因素。因此，数据链路受工作频率的影响很大，但不如自由空间损耗显著。 水蒸气和氧气（O2）是在吸收RF的大气成分。水蒸气的浓度取决于相对湿度和海拔高度，而氧气仅取决于海拔高度。显然，Lp1损耗将取决于传播路径位于“底层”大气中的部分，这将取决于数据链路终端的高度。 图7可粗略估计由于水蒸气和O2 引起的传播损失。关于传播损耗，存在大量的理论和实验文学。文献NBS技术说明101（修订版），“对流层通信电路的传输损耗预测”，也许对于相关方向研究人员参考。完全在大气层之上运行的数据链路完全可以避免这种损失。在最低频（<1 GHz）下运行的数据链路遭受的损耗可以忽略。 传播路径中的降水（首先是雨，其次是雪）吸收了一部分RF能量。降水也会反射RF能量，但是相对于吸收而言可以忽略不计。吸收的机制是非常复杂的过程，具体取决于液滴的大小和分布，温度和频率。通常，能量吸收随着降水速率和适用频率的增加而增加。降水吸收的几何形状也非常复杂，传播路径可能正在移动（移动终端），降水区厚度和降水速度也会发生变化。在数据链路设计时，所有这些因素在任何精确意义上都是固有不可预测的。通常，设计过程是假设一个中等的雨区域（例如80 Km。）一个中等的降雨速度（例如5-7.5 mm / hr），设计要在这种环境下可运行。在恶劣天气条件下降雨损耗超出信号余量时，将导致链路中断（或性能下降）。 针对最坏情况的天气条件设计数据链路成本效益不高，并且可能不可行，因为飓风类型的降雨条件（强降雨和大范围降雨）会带来数10dB的吸收损耗。相反，假设数据链路将始终在晴朗的天气中运行，因此没有降雨吸收，这也是过分乐观。（图8显示了图形数据，可在上述范围内有助于估计降水损失。） 雨水的传播损失曲线-用于建立均质雨水传播损失的估计值。该曲线适用于0.01弧度（.573度）的仰角。 雨水的传播损失曲线-用于建立均质雨水传播损失的估计值。该曲线适用于0.05弧度（2.865度）的仰角。 总计所有传播损耗的来源，为数据链路产生了有用的品质因数。从该数据可知各种因素之间的权衡变得明显，RF吸收随距离和频率增加。同样，恶劣天气与晴朗天气的影响差异也很明显。 上面第3条的描述和注释在此处适用。具有方向性的天线会在需要的方向上集中可用能量，其它方向上尽可能的少接收能量。 对于线性和圆形极化应用，极化损耗都可能发生。在线性极化应用中，当两个天线的场矢量未对准时会导致损耗。错位很常见，如果其中一个终端的姿态高速移动的情况下可能会变得非常严重。 极化损耗随着线性极化的未对准角的余弦而增加。通常采用圆极化，以避免由于线性极化引起的姿态变化而造成的严重损失。不幸的是，大多数为圆极化设计的天线实际上会产生椭圆极化（非统一轴向比）。当两个天线都具有一定的椭圆度时，主轴的失准将再次导致一些极化损耗，因此，圆极化可减轻极化问题，但很少能完全解决。无论如何，在数据链路预算中应考虑到预期的极化损耗。提供了用于估计此损耗的图形数据（图9）。 在许多应用中使用“扩频（SS）”数据链路。扩频涉及应用第二调制，其唯一目的是将信号能量分布在比包含正在传输的信息所需的频率要宽得多的频带上。相位（直接序列）或频率（跳变）调制通常用于实现对象扩展。通常，“扩频”信号是伪噪声信号，以确保产生的频谱没有以“线”频谱形式的能量集中。扩频使未经授权的辐射探测变得复杂，提供了对付几种类型干扰的处理增益，并且通常会降低频谱功率密度。 从理论上讲，扩频过程是一个叠加的操作，它对底层的信息传递是透明的。实际上，扩频的实现从来都不是理想的，并且与“非扩频”数据链路相比，“扩频”数据链路将遭受一些性能降级。因此，产生了实现上的损失，并且该损失需要量化并且包括在链路预算中。设计良好的数据链路通常会有1-2 dB的扩频实现损失。 现在可以从列表中的收益和损失中得出可用于信息检测过程的“有效载波功率”。有效载波功率是发射机EIRP减去总传播损耗加上（或减去）接收功能的净增益。随后，将有效载波功率与有效噪声功率进行比较，以计算可用的SNR，这对于信号检测至关重要。 热噪声源于大气和接收器硬件的分子振动。分子振动与所涉及的物理元素的绝对温度（开氏度）成正比。可以对接收设备进行人工冷却以减少这种噪声影响。但是，显着的改进要求将温度冷却到绝对零附近，并且这种情况的复杂性令人望而却步，除非在极端情况下。 热噪声密度量化为玻尔兹曼常数（1.3805 E-23焦耳/°K）和绝对温度（°K）的乘积。标称地，该温度被简单地视为“标准”或地球平均温度290°K（17°C，62.6°F）。参见公式6。 该值是最终限制“小”信号检测的热噪声基线。请注意，数据链路发射端的特性不是建立噪声基线的依据。合理设计的数据链路发射端将提供至少50 dB的发射载噪比。最小的信号检测将导致载波噪声比达到10 dB左右。因此，发射的噪声在接收器处存在，但相对于接收器噪声而言可以忽略不计。只有在非常强的信号条件下，可达到的载噪比才可能受限于发射的载噪比。 匹配的滤波器将产生有效噪声带宽，该噪声带宽是数据间隔的倒数。也就是说，B（Hz）= 1 / Tb（秒/位）= Rb（位/秒）是理想的接收机带宽，而BW（dB）= 10 log10（B / 1 Hz）是包含在链路预算中的值。检测器滤波与信号频谱严重“不匹配”的情况必须单独处理，并且所产生的有效噪声带宽应包括在链路预算中。否则，链接预算中的第20条将作为检测过程中轻微瑕疵的将其包括在内。 典型的数据链路输入信号会经过接收机多个“带宽”，确定检测计算的“带宽”可能会有些复杂。例如，接收器通常采用RF前端带通滤波器来拒绝带外干扰。该滤波器可能是接收器检测带宽的许多倍，尤其是在采用频谱扩展或可调性的应用中。接收器的中频部分将根据技术或干扰分析或动态范围建立另一个带宽。中频带宽可能会或可能不会影响建立检测带宽。最后，传入信号到达接收器的检测器部分。通常，检测过程的实现将定义最窄的带宽，是以输入信号带宽为主滤波器。 接收器滤波的功能当然是使检测的SNR最大化，从而使检测器的保真度或准确性最大化。导致“匹配滤波器”的著名集成工作实现了所需的最大SNR。也就是说，匹配滤波器以这样的方式与调制信号波形（或频谱）匹配：在存在白色高斯噪声（WGN）的情况下，SNR最大化（最小二乘）。因此，滤波器匹配是接收机要实现的目标。 通常，相干接收机（相位跟踪，带积分器的相关检测）能够实现理想的匹配滤波器实现（可能在1 dB之内）。非相干接收机（没有相位同步，取决于检波前后滤波以及理想匹配滤波器以外的杂散）可能为3或4 dB。选择接收机的结构和有效噪声带宽是值的评估的重要参数。 接收机的噪声系数确定了本底噪声和接收机的“灵敏度”。按照惯例，NF（dB）= 10 log10（F），其中F称为“噪声因子”。这些术语指的是接收机中产生的噪声超过环境热噪声kT的程度。也就是说，接收器噪声因子F表示接收器绝对噪声功率为F k T（所有参考标准均标准化为T = 290°K）。可以直接测量现有接收器的噪声系数（或因数），也可以使用接收器组件的贡献来计算接收器噪声系数。换而言之，（见等式7），其中下标顺序指的是噪声因子和前端到检测器的增益。显然，从等式中，后一分量的噪声因子被前一增益掩盖，减小其占总噪声因子的权重。 请注意，整个噪声评估（15、16和17条）均基于热噪声。干扰、自然的或人为的，有意或无意的，并没有明确列入该链路预算。某些外部噪声源可以等效为热噪声，并通过调整和创建人工kT来简单地包含在内。一般，我们必须考虑到每一类干扰的多个可能的来源。 *示例表中总和263.5可理解为P G与热噪声密度（174）SNR最大区间范围，总减243.6理解为噪声带宽、噪声系数和衰减全部这些减小该范围的因素。 有效载波功率/有效噪声功率之比为可用SNR。通过将可用SNR与所需SNR以及附加SNR进行比较来检查链路参数的有效性（上面讨论的第19条和第20条）。第18条必须超19、20和21的总和，以提供令人满意的效果和所需的“安全系数”。 如果可用SNR足够大时，所提出的数据链路设计与实现可能继续。如果可用SNR不足，则必须调整几个链路参数中的一个或多个，以实现所需的增益和损耗平衡。也许更大的发射机功率是可行的，或者可以增加一个终端天线的尺寸和增益。也许最初要求的使用范围没有最初说明的那么大，或者天气假设过于严苛。数据链路预算制定中包括链路得失所有因素。因此，数据链路预算成为唯一的预测性能，并跟踪整个设计和开发过程中的影响变化非常有价值的工作文件。此外，数据链预算非常简单，数据链用户以及设计人员都可以应用此工具。 ECM是电子对抗措施的缩写。因此，ECM是对手在电子上击败数据链路操作的那些努力。 ECCM是反电子对抗措施的缩写。因此，ECCM是那些包含在数据链路中的技术，以使它们无懈可击，或更能抵抗ECM。 通常，在ECM环境中工作的要求使基本数据链接任务变得复杂。数据链接设计中包含的大多数ECCM技术指标都将不利于数据链性能。但是，由于加入ECCM的替代有效的ECM方法可能使整个链路中断。 本讨论的范围不包括关于ECM / ECCM的详尽论述。但是，提到更突出的因素将有助于更好地说明数据链路设计的整个问题。天线方向图是ECM / ECCM场景中非常重要的因素，这也是ECCM增强也可以导致数据传输增强的一个领域，窄波束天线将信号能量集中在对数据链路操作最有用的那些空间区域中。 必然地，它们在不感兴趣的空间区域中散射/接受的能量更少。通常，潜在的干扰或拦截接收器不会将自己定位在数据链路天线的主波束中，而是必须通过旁瓣完成其邪恶的举动。因此，窄波束（高增益）天线为ECM源提供了最小的目标，同时在将能量从空间的一个点传输到另一点时表现出最大的效率。光频率以及由此产生的非常窄的束宽，由于其出色的空间辨别力，因此在某些特殊应用中被优先考虑。 频率或扩频被并入许多数据链路中，其唯一目的是为ECM提供对策。扩频使对数据链路发射的非法检测变得复杂，并有效对抗“暴力”干扰。不幸的是，该技术也使数据链路设计复杂化。然而，通过增加复杂性，可以实现对抗ECM的实际增益。 某些脉冲干扰器具有在短脉冲内发出很高功率电平的能力。专门的前向纠错码与位交织相结合，可以通过检测和纠正有限数量的强制错误来容忍有效干扰的短脉冲（脉冲）。 前向纠错码通过对传输信息施加最小长度(最大可区分性)约束来实现其功能。交错“打乱”数据，在解码之前，长时间的干扰被分解并分散成近乎均匀分布的错误。这里只想表达这些技术正被应用于数据链路设计，并且对某些应用相当有效。当然，错误检测和校正编码本身就是一个积极研究和研究的领域。 最后，偶尔会出于防止未授权解密敏感消息的唯一目的而使用数据加密。加密虽不能防止信号检测，也不能增加抗干扰能力，但加密在其预期目的中是有效的。 数据链接使用情况和链接预算已进行了详细讨论。数据链接的实现超出了本讨论的范围，仅偶尔提及。但是，对数据链接终端的功能配置有一些了解将有助于我们理解数据链。通用的双工数据链路终端的功能组成图10所示。该终端包括许多与ECCM技术相关的“附加模块”。 前面的讨论致力于简化数据链接概念并详细说明基本原理。如此做的目的是潜在的数据链路用户引入到通信系统设计师的思维过程。此外，希望潜在的数据链路用户将利用本文提供的材料来“粗略”其特定应用的数据链路预算。包含一个空白数据链接预算，以方便您粗略设计特定的通信解决方案。另外，值得注意的是，与前面的讨论相比，具有相互依赖关系的数据链路设计过程要复杂得多。 本文档试图为军事计划人员和设计人员介绍数据链接特征的一些基本概念。作为该领域的领导者，L-3Communications多年来组建了一支无与伦比的设计和应用专家团队，以协助数据链路系统的用户。
