机载甚高频收发机激励技术
来源：UC论文网2015-11-14 17:56
摘要：
【摘 要】通过对民用飞机机载甚高频收发机系统工作原理及接口信号类型和特征的分析，进行了对于机载甚高频收发机的激励技术研究，其目的在于能够在地面试验室搭建针对机载甚高
【摘 要】通过对民用飞机机载甚高频收发机系统工作原理及接口信号类型和特征的分析，进行了对于机载甚高频收发机的激励技术研究，其目的在于能够在地面试验室搭建针对机载甚高频收发机的功能测试环境，满足通信系统地面试验需求。
【关键词】甚高频收发机；通信；激励
0 研究背景
随着我国大型民用客机项目的启动和开展，许多与民机航空电子系统集成相关的技术需要研究和突破，以使系统研发集成满足相应的国际规范和适航认证要求，从而保证民机系统所特有的高安全性。
甚高频通信系统激励技术无疑是那些需要研究的技术之一。民用飞机的通信系统用于飞机与地面电台或者其他飞机间进行通信联络，在飞机内机组人员之间进行通话，以及向旅客传送话音和娱乐音频信号。机载甚高频通信系统是通信系统最主要的组成部分之一，其用于视线距离内的调幅通话联络、选择呼叫联络以及包含了机载数据链系统的收发功能。
1 机载甚高频通信系统概述
甚高频通信系统能够提供飞机与地面台站、飞机与飞机之间进行双向话音和数据通信联络。甚高频通信系统采用调幅工作方式，其工作的频率范围有118.00MHz至151.975MHz，频道间隔为25kHz，这是国际民航组织规定的频率范围和频道间隔。甚高频传播方式的特点是：由于频率很高，其表面波衰减很快，距离很近，通信距离限制在视线距内，所以它以空间波传播方式为主；电波受对流层的影响大，受地形、地物的影响也很大。
2 激励技术研究
2.1 机载甚高频收发机通信信号分析
机载甚高频收发机话音通信的主要技术体制为：
1）频率范围为117.975～137MHz，频道间隔为25kHz和8.33kHz两种；
2）调制方式为双边带调幅：DSB-AM；
3）机载发射功率为25W或50W；
4）具有选择呼叫（SELCAL）能力。
机载甚高频收发机数据通信的主要技术体制为：ACARS和VDL-2两种体制。ACARS数据链是面向字符的数据链系统，采用MSK-AM模拟调制，分别利用1200Hz和2400Hz两个音频信号代表逻辑0和逻辑1，使用模拟电台进行传输，信息传输的最高速率为2.4kbit/s。VDL-2体制采用D8PSK调制，使用载波侦听多址访问（CSMA）接入方式，使用数字电台进行传输，信息传输速率可达31.5kbit/s，现已成为ICAO推荐的数据链标准之一。
关于载波侦听，收发机在发送数据或语音包之前运行CSMA时，VDL-2接收机可通过能量检测算法来检测信道是否空闲，但由于噪声不是常量，故需要一种噪声估计方法。信道从忙到空闲的检测：如果一个接收站持续5ms接收到信道功率≥-87dB，并且如果接收到的功率<-92dB的时间<1ms，则接收机将以0.9的概率继续认为信道繁忙；如果接收到的功率<-92dB的时间<1.5ms，则接收机将以0.9的概率继续认为信道空闲；信道从空闲到忙的检测：当接收到的信道能量≥-90dB且持续时间>1ms，接收机将以0.9的概率认为信道繁忙。
2.2 VHF话音通信激励方法
要实现对VHF机载收发机的激励，激励器应与其保持一样的技术体制，同时应具备选择呼叫功能。因此，VHF收发机激励器就是一个具备SELCAL发射功能的双边带调幅VHF电台，其原理如图1所示。
其工作过程如下：当按下手持式耳机/话筒组的发送按钮时，激励器工作于发射状态，由话音采集单元实现从手持式耳机/话筒组采集语音信号的功能，同时该单元要完成话音的A/D变换，之后在中央处理器的管理下，由DSB调制单元实现数字双边带调幅，再把已调制信号交由D/A变换单元实现数模变换，最后交由功率放大单元进行功率放大。
当未按下手持式耳机/话筒组的发送按钮时，激励器工作于接收状态，收/发切换开关指向接收通路，来自于机载VHF通信设备的DSB调幅射频信号送入功率调整电路，再送入A/D单元实模数变换，之后在中央处理器的管理下，由DSB解调单元实现双边带话音数字解调，由音频信号处理单元完成音频的D/A变换，同时对音频信号进行功率放大，最后由手持式耳机/话筒组还原出机载端语音信号。
考虑到激励器与机载VHF收发机直接相连，需接收其大功率信号，应在激励器与机载收发机之间串接大功率射频衰减器。
2.3 VHF ACARS通信激励方法
根据ACARS通信技术体制，ACARS数据通信激励器应是面向字符的采用MSK-AM调制的模拟电台，其原理如图2所示。
数据信号发送时，来自CMU的数据信号对调制频率产生器进行键控，使逻辑0和逻辑1分别控制产生相位连续的1200Hz和2400Hz两种调制频率信号，然后对载频进行调幅和功率放大，放大后的射频信号经收发转换开关和衰减器后激励机载通信电台。
处于接受状态时，经衰减后的射频信号经功率调整后进行包络检波，检波后的信号由1200Hz和2400Hz两种频率信号组成，它们分别代表了逻辑0和逻辑1，对这个基带信号进行鉴频解调成数字信号后送CMU处理。
足够衰减量的衰减器是必要的，因为激励器接受的机载设备发射信号功率较大并且没经空中传输的衰减。相应地，激励器发射信号也要考虑到衰减器因素，事先放大到足够功率，以使经过衰减器的信号仍能有效落在机载电台接受灵敏度范围内。
2.4 VHF VDL-2数据通信激励方法
根据VDL-2技术体制，机载数据通信激励器实质上就是一部小功率VDL-2数字式通信电台，该激励器需采用载波侦听技术和D8PSK调制技术，其原理框图如图3所示。
如图所示，激励器采用直接射频数字调制和数字解调技术，这样能有效减少上下变频等模拟电路，便于采用FPGA和软件信号处理技术，减小激励器体积重量，并增加了设计修改和功能升级的灵活性。
当VHF通信激励器工作于数传发射状态时，来自于VXI总线接口的数传常规信号先送入中央处理单元，由它完成对数传信号的调度工作，并将数传信号送入调制单元进行D8PSK数字调制，再把已调制信号交由D/A变换单元实现数模变换，最后交由功率放大单元进行足够的功率放大，以达到机载VHF通信系统所需功率要求，通过内置30dB衰减器和通信电缆与机载VHF通信系统互联。
当VHF通信激励器工作于数传接收状态时，收/发切换开关指向接收通路，已调数传射频信号通过30dB衰减器后送入功率调整电路，然后分成两路，一路用于载波检测，检测结果送中央处理单元分析，完成载波侦听检测功能，以确定信道是否空闲；另一路送入A/D单元实模数变换，之后在中央处理单元的管理下，实现D8PSK数字解调，解调后的基带信号通过中央处理单元送CMU。 3 结束语
通过搭建地面试验环境和激励设备，在地面试验室进行甚高频通信系统的功能试验，能够大大降低试验成本，将原本需要通过验证试飞进行的工作放在地面试验室进行，利用仿真激励的技术将那些分布在地面、空中和高空的无线电台站“搬移”到试验室内，并能根据需要随意控制其参数和模式，以实现甚高频通信系统在试验室条件下的“飞行”验证，具有非常重大的现实意义。
【参考文献】
[1]马存宝.民机通信导航与雷达[M].西北工业大学出版社，2004.
[2]樊昌信，等.通信原理[M].国防工业出版社，2004.
【关键词】甚高频收发机；通信；激励
0 研究背景
随着我国大型民用客机项目的启动和开展，许多与民机航空电子系统集成相关的技术需要研究和突破，以使系统研发集成满足相应的国际规范和适航认证要求，从而保证民机系统所特有的高安全性。
甚高频通信系统激励技术无疑是那些需要研究的技术之一。民用飞机的通信系统用于飞机与地面电台或者其他飞机间进行通信联络，在飞机内机组人员之间进行通话，以及向旅客传送话音和娱乐音频信号。机载甚高频通信系统是通信系统最主要的组成部分之一，其用于视线距离内的调幅通话联络、选择呼叫联络以及包含了机载数据链系统的收发功能。
1 机载甚高频通信系统概述
甚高频通信系统能够提供飞机与地面台站、飞机与飞机之间进行双向话音和数据通信联络。甚高频通信系统采用调幅工作方式，其工作的频率范围有118.00MHz至151.975MHz，频道间隔为25kHz，这是国际民航组织规定的频率范围和频道间隔。甚高频传播方式的特点是：由于频率很高，其表面波衰减很快，距离很近，通信距离限制在视线距内，所以它以空间波传播方式为主；电波受对流层的影响大，受地形、地物的影响也很大。
2 激励技术研究
2.1 机载甚高频收发机通信信号分析
机载甚高频收发机话音通信的主要技术体制为：
1）频率范围为117.975～137MHz，频道间隔为25kHz和8.33kHz两种；
2）调制方式为双边带调幅：DSB-AM；
3）机载发射功率为25W或50W；
4）具有选择呼叫（SELCAL）能力。
机载甚高频收发机数据通信的主要技术体制为：ACARS和VDL-2两种体制。ACARS数据链是面向字符的数据链系统，采用MSK-AM模拟调制，分别利用1200Hz和2400Hz两个音频信号代表逻辑0和逻辑1，使用模拟电台进行传输，信息传输的最高速率为2.4kbit/s。VDL-2体制采用D8PSK调制，使用载波侦听多址访问（CSMA）接入方式，使用数字电台进行传输，信息传输速率可达31.5kbit/s，现已成为ICAO推荐的数据链标准之一。
关于载波侦听，收发机在发送数据或语音包之前运行CSMA时，VDL-2接收机可通过能量检测算法来检测信道是否空闲，但由于噪声不是常量，故需要一种噪声估计方法。信道从忙到空闲的检测：如果一个接收站持续5ms接收到信道功率≥-87dB，并且如果接收到的功率<-92dB的时间<1ms，则接收机将以0.9的概率继续认为信道繁忙；如果接收到的功率<-92dB的时间<1.5ms，则接收机将以0.9的概率继续认为信道空闲；信道从空闲到忙的检测：当接收到的信道能量≥-90dB且持续时间>1ms，接收机将以0.9的概率认为信道繁忙。
2.2 VHF话音通信激励方法
要实现对VHF机载收发机的激励，激励器应与其保持一样的技术体制，同时应具备选择呼叫功能。因此，VHF收发机激励器就是一个具备SELCAL发射功能的双边带调幅VHF电台，其原理如图1所示。
其工作过程如下：当按下手持式耳机/话筒组的发送按钮时，激励器工作于发射状态，由话音采集单元实现从手持式耳机/话筒组采集语音信号的功能，同时该单元要完成话音的A/D变换，之后在中央处理器的管理下，由DSB调制单元实现数字双边带调幅，再把已调制信号交由D/A变换单元实现数模变换，最后交由功率放大单元进行功率放大。
当未按下手持式耳机/话筒组的发送按钮时，激励器工作于接收状态，收/发切换开关指向接收通路，来自于机载VHF通信设备的DSB调幅射频信号送入功率调整电路，再送入A/D单元实模数变换，之后在中央处理器的管理下，由DSB解调单元实现双边带话音数字解调，由音频信号处理单元完成音频的D/A变换，同时对音频信号进行功率放大，最后由手持式耳机/话筒组还原出机载端语音信号。
考虑到激励器与机载VHF收发机直接相连，需接收其大功率信号，应在激励器与机载收发机之间串接大功率射频衰减器。
2.3 VHF ACARS通信激励方法
根据ACARS通信技术体制，ACARS数据通信激励器应是面向字符的采用MSK-AM调制的模拟电台，其原理如图2所示。
数据信号发送时，来自CMU的数据信号对调制频率产生器进行键控，使逻辑0和逻辑1分别控制产生相位连续的1200Hz和2400Hz两种调制频率信号，然后对载频进行调幅和功率放大，放大后的射频信号经收发转换开关和衰减器后激励机载通信电台。
处于接受状态时，经衰减后的射频信号经功率调整后进行包络检波，检波后的信号由1200Hz和2400Hz两种频率信号组成，它们分别代表了逻辑0和逻辑1，对这个基带信号进行鉴频解调成数字信号后送CMU处理。
足够衰减量的衰减器是必要的，因为激励器接受的机载设备发射信号功率较大并且没经空中传输的衰减。相应地，激励器发射信号也要考虑到衰减器因素，事先放大到足够功率，以使经过衰减器的信号仍能有效落在机载电台接受灵敏度范围内。
2.4 VHF VDL-2数据通信激励方法
根据VDL-2技术体制，机载数据通信激励器实质上就是一部小功率VDL-2数字式通信电台，该激励器需采用载波侦听技术和D8PSK调制技术，其原理框图如图3所示。
如图所示，激励器采用直接射频数字调制和数字解调技术，这样能有效减少上下变频等模拟电路，便于采用FPGA和软件信号处理技术，减小激励器体积重量，并增加了设计修改和功能升级的灵活性。
当VHF通信激励器工作于数传发射状态时，来自于VXI总线接口的数传常规信号先送入中央处理单元，由它完成对数传信号的调度工作，并将数传信号送入调制单元进行D8PSK数字调制，再把已调制信号交由D/A变换单元实现数模变换，最后交由功率放大单元进行足够的功率放大，以达到机载VHF通信系统所需功率要求，通过内置30dB衰减器和通信电缆与机载VHF通信系统互联。
当VHF通信激励器工作于数传接收状态时，收/发切换开关指向接收通路，已调数传射频信号通过30dB衰减器后送入功率调整电路，然后分成两路，一路用于载波检测，检测结果送中央处理单元分析，完成载波侦听检测功能，以确定信道是否空闲；另一路送入A/D单元实模数变换，之后在中央处理单元的管理下，实现D8PSK数字解调，解调后的基带信号通过中央处理单元送CMU。 3 结束语
通过搭建地面试验环境和激励设备，在地面试验室进行甚高频通信系统的功能试验，能够大大降低试验成本，将原本需要通过验证试飞进行的工作放在地面试验室进行，利用仿真激励的技术将那些分布在地面、空中和高空的无线电台站“搬移”到试验室内，并能根据需要随意控制其参数和模式，以实现甚高频通信系统在试验室条件下的“飞行”验证，具有非常重大的现实意义。
【参考文献】
[1]马存宝.民机通信导航与雷达[M].西北工业大学出版社，2004.
[2]樊昌信，等.通信原理[M].国防工业出版社，2004.
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