0引言

機載超短波通信系統(tǒng)利用VHF和UHF頻段無線電波傳輸信息進行通信,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,是民用及軍用機載通信的重要手段之一。

由于飛機復雜的外形結構,天線裝機后方向圖會發(fā)生畸變^[1—2],飛機在轉彎、盤旋等飛行姿態(tài)時,進入天線覆蓋盲區(qū),導致鏈路余量不足,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、下兩副天線同時接收,選擇質(zhì)量更好的天線進行發(fā)射^[3—4],使用上、下天線結合信道編碼提高增益,從而常有多條鏈路,且受限于裝機限制,不能為所有通信鏈路提供獨立的兩副天線。

本文提出的多鏈路共用天線通信系統(tǒng),在配置兩副超短波天線時,可保證多條超短波鏈路同時使用雙天線接收。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,減少了發(fā)射硬件資源開銷,提高了發(fā)射硬件和天線利用率,同時改善了多條鏈路天線空域覆蓋率。此外,對共用天線系統(tǒng)的應用效能進行了分析與仿真,為后續(xù)機載平臺多條超短波鏈路共用天線提供了設計參考。

1系統(tǒng)設計

明顯改善飛機機動時的通信質(zhì)量^[5—6]。但機載平臺通系統(tǒng)設計遵循航空電子綜合化設計^[7]思路,具備開放性、標準化、模塊化的特點,可通過動態(tài)加載通信信號處理軟件構成不同的通信功能鏈路。為保證所有鏈路能夠同時接收雙天線信號,且具備能夠使用任意天線進行發(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;

2)每條鏈路具有獨立的數(shù)字信號處理單元;

3)每條鏈路應有兩個接收信道;

4)兩個發(fā)射信道分別對應兩副天線;

5)任意信號處理可使用兩個發(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、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預處理、多路功分、路由交換等功能;數(shù)字交換單元完成多個數(shù)字信號處理單元與發(fā)射模塊、接收模塊之間的數(shù)字信號路由交換;兩路發(fā)射模塊分別與天線1和天線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)中工作與常見的雙天線超短波功能或電臺沒有差異,仍為半雙工工作方式。在接收模塊中進行射頻信號接收變頻與AD采樣,在發(fā)射模塊中進行數(shù)字基帶信號DA變換和變頻等,接收模塊和發(fā)射模塊與數(shù)字信號處理單元之間為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1和天線2的射頻信號接收,由數(shù)字信號處理單元對雙天線接收信號進行分集接收處理并輸出話音或數(shù)據(jù)信息。發(fā)射時,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)射模塊和天線進行信號發(fā)射。

1.3 系統(tǒng)管理單元

由于所有鏈路共用兩副天線和發(fā)射模塊,為了所有鏈路可有序占用兩副天線和發(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)字信號處理單元與系統(tǒng)之間通過三組控制總線傳遞三類信息:資源請求、鏈路狀態(tài)和請求結果。數(shù)字信號處理單元實時向系統(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)字信號處理單元向系統(tǒng)管理單元申請發(fā)射資源,系統(tǒng)管理單元收到天線資源請求后立即決策,決策依據(jù)為所有鏈路的鏈路狀態(tài)和任務優(yōu)先級,決策結果為是否允許發(fā)射,同時向對應數(shù)字信號處理單元返回請求結果,并分配發(fā)射資源。

2資源沖突消解機制

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

1)如果申請的發(fā)射資源正在被高優(yōu)先級功能使用 (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)先級功能使用 (接收或發(fā)射),則本次申請無效,不分配發(fā)射資源。

管理單元的沖突消解機制工作流程如圖4所示。 

S1:外部輸入系統(tǒng)任務需求。

S2:基于任務生成優(yōu)先級列表。

S3:實時監(jiān)測任一鏈路發(fā)射資源申請是否有效;若是,進入S4,否則進入S3。

S4:依據(jù)沖突消解基本原則,結合“鏈路狀態(tài)”和“優(yōu)先級”進行仲裁。

S5:若仲裁結果為允許使用當前申請?zhí)炀€進行發(fā)射,則進入S6,否則進入S7。

S6:管理單元向申請鏈路返回申請結果“成功”,并選通基帶信號送入對應天線。

S7:是否允許使用另外一副天線進行發(fā)射;若是,則進入S6,否則進入S8。

S8:管理單元向申請鏈路返回申請結果“失敗”,進入S3。

3 共用天線系統(tǒng)應用效能仿真

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,且基于超短波半雙工通信特點,無法同時接收和發(fā)射。當鏈路個數(shù)N繼續(xù)增大,大于等于3時,各鏈路存在單天線接收甚至接收信號時遇到兩副天線都在發(fā)射、功能無法接收的情況,也存在低優(yōu)先級功能無法獲取發(fā)射資源、無法發(fā)射的情況。因此開展蒙特卡洛仿真,對系統(tǒng)中各鏈路接收雙天線、降級為單天線、無法接收、正常發(fā)射的概率進行仿真計算,研究共用天線鏈路個數(shù)N與系統(tǒng)收發(fā)效能的關系。

3.1 仿真條件

1)功能發(fā)射或接收開始時間:仿真時間內(nèi)隨機;

2)功能發(fā)射和接收持續(xù)時間:最短500 ms。

3.2 仿真結果

系統(tǒng)接收效能和發(fā)射效能仿真結果分別如圖5和圖6所示。

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

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

綜上,在實際共用雙天線系統(tǒng)應用中,應將不發(fā)射的功能優(yōu)先級降低,則系統(tǒng)中需要發(fā)射的鏈路個數(shù)不應超過3個,且能夠保證所有鏈路都有90%以上的發(fā)射成功率和80%以上的雙天線接收率,具有較高的系統(tǒng)運行效能,既能夠保障多個通信功能空域覆蓋,又能多功能復用發(fā)射資源和天線,降低飛機平臺硬件資源開銷。

4 結束語

本文在現(xiàn)有機載超短波雙天線系統(tǒng)基礎上,提出了多鏈路共用天線系統(tǒng),在系統(tǒng)管理單元提供的基于任務的沖突消解機制下,多條超短波通信鏈路可以有序開展雙天線接收和發(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。對系統(tǒng)效能的仿真與分析表明,鏈路個數(shù)的增加對系統(tǒng)中各功能鏈路接收成功率和發(fā)射成功率有一定影響,飛行平臺應基于具體任務需求,權衡共用天線鏈路的個數(shù),分配合理的通信鏈路優(yōu)先級。本文為后續(xù)機載超短波通信系統(tǒng)設計提供了參考,尤其是對天線個數(shù)有限的小型飛機平臺,具有較高的工程應用價值。

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《機電信息》2025年第13期第20篇