0引言

機(jī)載超短波通信系統(tǒng)利用VHF和UHF頻段無(wú)線(xiàn)電波傳輸信息進(jìn)行通信,主要路徑為地波和空間視距傳播,具有信道穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),是民用及軍用機(jī)載通信的重要手段之一。

由于飛機(jī)復(fù)雜的外形結(jié)構(gòu),天線(xiàn)裝機(jī)后方向圖會(huì)發(fā)生畸變^[1—2],飛機(jī)在轉(zhuǎn)彎、盤(pán)旋等飛行姿態(tài)時(shí),進(jìn)入天線(xiàn)覆蓋盲區(qū),導(dǎo)致鏈路余量不足,常常引起通信斷續(xù)或者通信效果不佳,有效的解決方案是采用上、下兩副天線(xiàn)同時(shí)接收,選擇質(zhì)量更好的天線(xiàn)進(jìn)行發(fā)射^[3—4],使用上、下天線(xiàn)結(jié)合信道編碼提高增益,從而常有多條鏈路,且受限于裝機(jī)限制,不能為所有通信鏈路提供獨(dú)立的兩副天線(xiàn)。

本文提出的多鏈路共用天線(xiàn)通信系統(tǒng),在配置兩副超短波天線(xiàn)時(shí),可保證多條超短波鏈路同時(shí)使用雙天線(xiàn)接收。與以往的超短波通信系統(tǒng)相比,多功能、多鏈路共用發(fā)射信道和天線(xiàn),減少了發(fā)射硬件資源開(kāi)銷(xiāo),提高了發(fā)射硬件和天線(xiàn)利用率,同時(shí)改善了多條鏈路天線(xiàn)空域覆蓋率。此外,對(duì)共用天線(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用效能進(jìn)行了分析與仿真,為后續(xù)機(jī)載平臺(tái)多條超短波鏈路共用天線(xiàn)提供了設(shè)計(jì)參考。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

明顯改善飛機(jī)機(jī)動(dòng)時(shí)的通信質(zhì)量^[5—6]。但機(jī)載平臺(tái)通系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循航空電子綜合化設(shè)計(jì)^[7]思路,具備開(kāi)放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的特點(diǎn),可通過(guò)動(dòng)態(tài)加載通信信號(hào)處理軟件構(gòu)成不同的通信功能鏈路。為保證所有鏈路能夠同時(shí)接收雙天線(xiàn)信號(hào),且具備能夠使用任意天線(xiàn)進(jìn)行發(fā)射的能力,將硬件的需求分解為:

1)系統(tǒng)分配兩副超短波頻段天線(xiàn);

2)每條鏈路具有獨(dú)立的數(shù)字信號(hào)處理單元;

3)每條鏈路應(yīng)有兩個(gè)接收信道;

4)兩個(gè)發(fā)射信道分別對(duì)應(yīng)兩副天線(xiàn);

5)任意信號(hào)處理可使用兩個(gè)發(fā)射信道。

1.1系統(tǒng)組成

如圖1所示,系統(tǒng)由超短波天線(xiàn)、射頻交換單元、雙通道接收模塊、發(fā)射模塊、數(shù)字交換單元、數(shù)字信號(hào)處理單元和系統(tǒng)管理單元組成。其中射頻交換單元包括接收射頻信號(hào)預(yù)處理、多路功分、路由交換等功能;數(shù)字交換單元完成多個(gè)數(shù)字信號(hào)處理單元與發(fā)射模塊、接收模塊之間的數(shù)字信號(hào)路由交換;兩路發(fā)射模塊分別與天線(xiàn)1和天線(xiàn)2連接,所有功能的發(fā)射資源占用由系統(tǒng)管理單元統(tǒng)一管理控制。

1.2 鏈路工作原理

就每條鏈路本身而言,在系統(tǒng)中工作與常見(jiàn)的雙天線(xiàn)超短波功能或電臺(tái)沒(méi)有差異,仍為半雙工工作方式。在接收模塊中進(jìn)行射頻信號(hào)接收變頻與AD采樣,在發(fā)射模塊中進(jìn)行數(shù)字基帶信號(hào)DA變換和變頻等,接收模塊和發(fā)射模塊與數(shù)字信號(hào)處理單元之間為AD、DA數(shù)據(jù)接口。接收和發(fā)射原理如圖2和圖3所示。

每條鏈路均分配雙通道接收模塊,分別用于天線(xiàn)1和天線(xiàn)2的射頻信號(hào)接收,由數(shù)字信號(hào)處理單元對(duì)雙天線(xiàn)接收信號(hào)進(jìn)行分集接收處理并輸出話(huà)音或數(shù)據(jù)信息。發(fā)射時(shí),由系統(tǒng)管理單元統(tǒng)一管理所有發(fā)射資源的分配與占用,功能鏈路使用分配的發(fā)射模塊和天線(xiàn)進(jìn)行信號(hào)發(fā)射。

1.3 系統(tǒng)管理單元

由于所有鏈路共用兩副天線(xiàn)和發(fā)射模塊,為了所有鏈路可有序占用兩副天線(xiàn)和發(fā)射模塊,占用沖突消解由系統(tǒng)管理單元統(tǒng)籌處理。

每條功能鏈路數(shù)字信號(hào)處理單元與系統(tǒng)之間通過(guò)三組控制總線(xiàn)傳遞三類(lèi)信息:資源請(qǐng)求、鏈路狀態(tài)和請(qǐng)求結(jié)果。數(shù)字信號(hào)處理單元實(shí)時(shí)向系統(tǒng)管理單元發(fā)送鏈路狀態(tài):T發(fā)射忙、R接收忙、I空閑,在發(fā)射前由數(shù)字信號(hào)處理單元向系統(tǒng)管理單元申請(qǐng)發(fā)射資源,系統(tǒng)管理單元收到天線(xiàn)資源請(qǐng)求后立即決策,決策依據(jù)為所有鏈路的鏈路狀態(tài)和任務(wù)優(yōu)先級(jí),決策結(jié)果為是否允許發(fā)射,同時(shí)向?qū)?yīng)數(shù)字信號(hào)處理單元返回請(qǐng)求結(jié)果,并分配發(fā)射資源。

2資源沖突消解機(jī)制

系統(tǒng)管理單元提供基于任務(wù)優(yōu)先級(jí)的發(fā)射資源沖突消解機(jī)制,為所有鏈路統(tǒng)一分配發(fā)射資源0多鏈路同時(shí)發(fā)射沖突消解機(jī)制基本原則為:

1)如果申請(qǐng)的發(fā)射資源正在被高優(yōu)先級(jí)功能使用 (接收或發(fā)射),則檢查另外一路發(fā)射資源是否空閑;

2)如果另外一路發(fā)射資源也被高優(yōu)先級(jí)功能使用 (接收或發(fā)射),則本次申請(qǐng)無(wú)效,不分配發(fā)射資源。

管理單元的沖突消解機(jī)制工作流程如圖4所示。 

S1:外部輸入系統(tǒng)任務(wù)需求。

S2:基于任務(wù)生成優(yōu)先級(jí)列表。

S3:實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)任一鏈路發(fā)射資源申請(qǐng)是否有效;若是,進(jìn)入S4,否則進(jìn)入S3。

S4:依據(jù)沖突消解基本原則,結(jié)合“鏈路狀態(tài)”和“優(yōu)先級(jí)”進(jìn)行仲裁。

S5:若仲裁結(jié)果為允許使用當(dāng)前申請(qǐng)?zhí)炀€(xiàn)進(jìn)行發(fā)射,則進(jìn)入S6,否則進(jìn)入S7。

S6:管理單元向申請(qǐng)鏈路返回申請(qǐng)結(jié)果“成功”,并選通基帶信號(hào)送入對(duì)應(yīng)天線(xiàn)。

S7:是否允許使用另外一副天線(xiàn)進(jìn)行發(fā)射;若是,則進(jìn)入S6,否則進(jìn)入S8。

S8:管理單元向申請(qǐng)鏈路返回申請(qǐng)結(jié)果“失敗”,進(jìn)入S3。

3 共用天線(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用效能仿真

由于系統(tǒng)中多條超短波鏈路共用發(fā)射模塊和兩副天線(xiàn),且基于超短波半雙工通信特點(diǎn),無(wú)法同時(shí)接收和發(fā)射。當(dāng)鏈路個(gè)數(shù)N繼續(xù)增大,大于等于3時(shí),各鏈路存在單天線(xiàn)接收甚至接收信號(hào)時(shí)遇到兩副天線(xiàn)都在發(fā)射、功能無(wú)法接收的情況,也存在低優(yōu)先級(jí)功能無(wú)法獲取發(fā)射資源、無(wú)法發(fā)射的情況。因此開(kāi)展蒙特卡洛仿真,對(duì)系統(tǒng)中各鏈路接收雙天線(xiàn)、降級(jí)為單天線(xiàn)、無(wú)法接收、正常發(fā)射的概率進(jìn)行仿真計(jì)算,研究共用天線(xiàn)鏈路個(gè)數(shù)N與系統(tǒng)收發(fā)效能的關(guān)系。

3.1 仿真條件

1)功能發(fā)射或接收開(kāi)始時(shí)間:仿真時(shí)間內(nèi)隨機(jī);

2)功能發(fā)射和接收持續(xù)時(shí)間:最短500 ms。

3.2 仿真結(jié)果

系統(tǒng)接收效能和發(fā)射效能仿真結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

如圖5所示,隨著N的增大,各個(gè)功能使用雙天線(xiàn)同時(shí)接收的概率會(huì)逐漸變小,接收時(shí)為單天線(xiàn)接收或無(wú)法接收的概率逐漸增大。當(dāng)鏈路總個(gè)數(shù)N為2時(shí),兩條鏈路雙天線(xiàn)接收率為91.5%,單天線(xiàn)接收率為8.5%,接收失敗率為0%;當(dāng)N增大到3時(shí),雙天線(xiàn)接收率為83.7%,單天線(xiàn)接收率為14.9%,接收失敗率為1.4%;當(dāng)N增大到8時(shí),各鏈路雙天線(xiàn)接收率為60%,單天線(xiàn)接收率為26.5%,接收失敗率為13.5%。

如圖6所示,隨著N的增大,低優(yōu)先級(jí)功能在發(fā)射時(shí)可能遇到高優(yōu)先級(jí)功能占用了兩副發(fā)射天線(xiàn),有一定概率無(wú)法搶占到發(fā)射資源,當(dāng)N為4時(shí),優(yōu)先級(jí)1、2的功能發(fā)射成功率為100%,優(yōu)先級(jí)3的功能發(fā)射成功率為94.7%,優(yōu)先級(jí)4的功能發(fā)射成功率為87.1%。當(dāng)N增大到8時(shí),優(yōu)先級(jí)1、2的功能發(fā)射成功率仍為100%,優(yōu)先級(jí)3~8的各個(gè)功能發(fā)射成功率分別為94.7%、87.1%、78.8%、70%、63%和56%。

綜上,在實(shí)際共用雙天線(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用中,應(yīng)將不發(fā)射的功能優(yōu)先級(jí)降低,則系統(tǒng)中需要發(fā)射的鏈路個(gè)數(shù)不應(yīng)超過(guò)3個(gè),且能夠保證所有鏈路都有90%以上的發(fā)射成功率和80%以上的雙天線(xiàn)接收率,具有較高的系統(tǒng)運(yùn)行效能,既能夠保障多個(gè)通信功能空域覆蓋,又能多功能復(fù)用發(fā)射資源和天線(xiàn),降低飛機(jī)平臺(tái)硬件資源開(kāi)銷(xiāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在現(xiàn)有機(jī)載超短波雙天線(xiàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上,提出了多鏈路共用天線(xiàn)系統(tǒng),在系統(tǒng)管理單元提供的基于任務(wù)的沖突消解機(jī)制下,多條超短波通信鏈路可以有序開(kāi)展雙天線(xiàn)接收和發(fā)射,在減少發(fā)射硬件資源的前提下,提高了多鏈路空域覆蓋率。對(duì)系統(tǒng)效能的仿真與分析表明,鏈路個(gè)數(shù)的增加對(duì)系統(tǒng)中各功能鏈路接收成功率和發(fā)射成功率有一定影響,飛行平臺(tái)應(yīng)基于具體任務(wù)需求,權(quán)衡共用天線(xiàn)鏈路的個(gè)數(shù),分配合理的通信鏈路優(yōu)先級(jí)。本文為后續(xù)機(jī)載超短波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考,尤其是對(duì)天線(xiàn)個(gè)數(shù)有限的小型飛機(jī)平臺(tái),具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

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《機(jī)電信息》2025年第13期第20篇