空中中繼通信關(guān)鍵技術(shù)淺議

殷素杰 王迎棟 趙彥芬

（中國電子科技集團公司第五十四研究所 河北 石家莊 050081）

1 引言

未來戰(zhàn)場通信的靈活性和機動性大為增強，對通信的要求也在不斷提高。世界幅原遼闊、地形復(fù)雜，衛(wèi)星資源極其匱乏，并且戰(zhàn)時易受干擾，現(xiàn)有通信手段很難滿足跨越丘陵、山區(qū)等障礙，實現(xiàn)大范圍通信的需求?，F(xiàn)有的地面設(shè)備可以通過空中中繼轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)變阻擋傳輸為視距傳輸，并且覆蓋的通信范圍大，可實現(xiàn)跨越復(fù)雜地形和遠距離通信，支持機動性強的大范圍、復(fù)雜地形和延伸環(huán)境的操作，能夠大大提高通信能力和協(xié)同能力，實現(xiàn)快速高效的指揮控制能力?？罩兄欣^系統(tǒng)的升空平臺主要包括有人機、無人機、系留氣球和平流層飛艇等[1]，為了適應(yīng)不同平臺對通信載體在重量、體積、功耗等方面的要求，空中中繼系統(tǒng)就要實現(xiàn)輕型化、小型化。

2 主要功能和組成

空中中繼通信系統(tǒng)主要通過空中交換和轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)信息的越障、遠距離無線傳輸?？罩兄欣^通信設(shè)備能夠工作于多頻段，應(yīng)具有多種制式調(diào)制解調(diào)和多種幀結(jié)構(gòu)，使本系統(tǒng)能夠與現(xiàn)有的多數(shù)通信設(shè)備進行互通，具有很強的生存能力。通過靈活運用空中轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，配以綜合交換設(shè)備，可實現(xiàn)固定網(wǎng)和機動網(wǎng)之間，機動網(wǎng)和機動網(wǎng)之間的網(wǎng)間互通。通過小型化和電磁兼容設(shè)計，實現(xiàn)多信道模塊共用平臺，完成多頻段、多通道的超視距、覆蓋較大作戰(zhàn)地區(qū)的通信?？罩修D(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)是利用直升機、無人機等作為空中中繼轉(zhuǎn)發(fā)平臺，通過搭載轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，完成空中轉(zhuǎn)發(fā)和空中信息交換，實現(xiàn)越障和超視距通信。其組成示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

3 系統(tǒng)工作原理

天線接收的地面設(shè)備信號經(jīng)接收濾波器濾除帶外干擾后，進入低噪聲放大器放大，然后與本振混頻后變成中頻信號。再經(jīng)濾波放大送入解調(diào)器，完成多種波形的解調(diào)等數(shù)字處理，解調(diào)出的信號進行基帶處理，然后經(jīng)過接口變換將信號送給交換模塊。發(fā)送端由交換模塊送來的信號經(jīng)接口變換后再進行基帶處理，然后經(jīng)調(diào)制器后進行混頻?；祛l輸出的射頻信號經(jīng)變頻濾波器，再經(jīng)功率放大器放大，由濾波器濾除帶外雜散干擾后，經(jīng)天線輸出，系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)再生轉(zhuǎn)發(fā)原理框圖

交換模塊從基帶處理單元提取經(jīng)無線ATM信元，然后把ATM無線信元轉(zhuǎn)換為標準信元，將標準信元經(jīng)QoS及流量控制單元，送給單元交換單元進行信元交換，交換后的信元再經(jīng)QoS及流量控制單元送給各個端口。轉(zhuǎn)發(fā)方式可分為3種方式，即再生轉(zhuǎn)發(fā)、中頻轉(zhuǎn)發(fā)和射頻轉(zhuǎn)發(fā)。再生轉(zhuǎn)發(fā)方式可上、下業(yè)務(wù)[2]，使用方便，并且還可克服傳輸中的噪聲積累。非再生轉(zhuǎn)發(fā)雖然沒有這些優(yōu)點，但設(shè)備簡單、耗電量低。工作中根據(jù)信道特性和具體業(yè)務(wù)情況任選一種轉(zhuǎn)發(fā)方式。

4 系統(tǒng)特點和關(guān)鍵技術(shù)

4.1 系統(tǒng)特點

整個系統(tǒng)是一個高度集成的靈活的小型化、模塊化的通用硬件平臺。應(yīng)具有以下特點：

①重量輕、體積小、功耗低；

②采用多信道共用技術(shù)：系統(tǒng)工作頻段包括多個頻段，2～8個頻道。轉(zhuǎn)發(fā)模塊的射頻和中頻共用的部分包括多種頻段的模塊，各模塊的接口和結(jié)構(gòu)尺寸完全相同。各個模塊可以互換。不同的升空平臺，其載荷能力不同，可以承載不同的設(shè)備模塊數(shù)量和種類，通信容量和覆蓋范圍就會不同；

③通用基帶處理平臺：為了適應(yīng)多種信號波形，采用通用基帶處理平臺，實現(xiàn)多制式全數(shù)字調(diào)制/解調(diào)和基帶信號處理。對于再生轉(zhuǎn)發(fā)，可根據(jù)需求，對典型波形，提供波形參數(shù)，即可對信號進行解調(diào)和基帶處理，實現(xiàn)與現(xiàn)有設(shè)備的互連互通。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

(1)設(shè)備的輕型化、小型化設(shè)計

空中平臺對裝載設(shè)備的體積、重量和功耗嚴格受限，設(shè)備能否裝載于空中平臺，決定于設(shè)備能否實現(xiàn)小型化，從而決定了系統(tǒng)能否實現(xiàn)信號的空中轉(zhuǎn)發(fā)和遠距離傳輸。在設(shè)備小型化、低功耗設(shè)計方面，低頻部分，盡量選擇標準化、低功耗、表貼封裝、溫度范圍廣的大規(guī)模集成電路，優(yōu)化和簡化各種電路設(shè)計和軟件設(shè)計，減小電流消耗；高頻部分，發(fā)信單元采用射頻調(diào)制集成電路由基帶信號直接變到射頻信號，收信單元采用鏡像抑制混頻器，直接變到中頻信號，射頻濾波器均采用MEMS濾波器。對于3 GHz以下電路均使用射頻芯片，3 GHz以上使用多芯片組裝技術(shù)。多芯片組裝 (Multi-Chip Module,MCM)是將多個大規(guī)模集成電路LSI超大規(guī)模集成電路VLSI的裸芯片高密度地貼裝互連在多層布線的印刷電路板[3],多層陶瓷(厚膜)基板或薄膜多層布線的基板上(硅、陶瓷或金屬基)，然后再整體封裝起來構(gòu)成能完成多功能、高性能的電子部件、整機、子系統(tǒng)乃至系統(tǒng)所需功能的一種新型微電子組件。近年來，MCM受到各經(jīng)濟發(fā)達國家高度重視并千方百計加速發(fā)展，主要在于它有一系列優(yōu)點，既提高了密度，又縮短了芯片的互連間距，致使電路性能得以提高。與單芯片封裝相比，MCM具有更高的封裝密度，可更好地滿足電子系統(tǒng)小型化的需要。微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)是在半導(dǎo)體上制作微帶電路[4]，實現(xiàn)射頻開關(guān)、功分器、電容和電感等無源器件，插損小、頻帶寬。

(2)電磁兼容設(shè)計

由于在同一平臺裝載多個信道模塊，其整體空間狹小，安裝設(shè)備復(fù)雜繁多，且頻段集中，相互間干擾非常嚴重，通信載體與升空通信平臺要進行一體化設(shè)計，包括安裝、供電、載重等，尤其要進行電磁兼容性設(shè)計[5]，使系統(tǒng)在工作時不產(chǎn)生超標的電磁干擾，避免對其它設(shè)備或系統(tǒng)造成干擾，也避免其它設(shè)備對本系統(tǒng)造成干擾，否則系統(tǒng)將無法工作。影響系統(tǒng)內(nèi)的電磁兼容性的主要因素是禍合。禍合方式有導(dǎo)線間的電感、電容、電場及磁場禍合，還有系統(tǒng)內(nèi)公共阻抗禍合及天線與天線之間的禍合。另外，本系統(tǒng)除了在平臺上安裝了交換模塊和轉(zhuǎn)發(fā)模塊外，還安裝了天線。當平臺表面是金屬材料時，表面受電磁波的照射時就會產(chǎn)生感應(yīng)和二次輻射，從而改變天線的收發(fā)電磁特性，并進一步影響電子設(shè)備的各項性能指標，嚴重時可能會使其無法正常工作。

通過采用多層電路板、射頻屏蔽、EMC電磁軟件仿真等技術(shù)，并且各個模塊之間的信號線和電源線通過母板連接，在有限的空間，合理設(shè)計，合理優(yōu)化天線的分布位置，降低和消除人為的和自然的電磁干擾，提高設(shè)備和系統(tǒng)的抗電磁干擾能力，保證設(shè)備和系統(tǒng)功能的正常工作。

(3)采用基帶處理平臺，實現(xiàn)多種傳輸體制、多種速率的有效傳輸

采用模擬器件進行調(diào)制解調(diào)器設(shè)計，幾乎不可能實現(xiàn)多速率和多制式的兼容，更不能根據(jù)用戶提供的波形進行現(xiàn)場配置。采用軟件化設(shè)計的調(diào)制解調(diào)器，將整個基帶處理部分通過全數(shù)字方法實現(xiàn)，能使收發(fā)濾波器幾乎理想匹配，提高系統(tǒng)性能。軟件化調(diào)制解調(diào)器適合多種信道限帶傳輸要求，具有高的雜散抑制比，成形濾波器滾降系數(shù)可任意設(shè)置，支持連續(xù)和突發(fā)等多種模式等優(yōu)點，具有通用化、綜合化、智能化等特點。多制式調(diào)制解調(diào)器為了兼容多速率和多制式，其基帶處理部分采用FPGA為硬件平臺，通過計算機編程仿真來實現(xiàn)完成其功能。

對于調(diào)制器，由于要兼容多種速率，因此采用任意時鐘來產(chǎn)生FPGA的工作時鐘。對于解調(diào)器，中頻信號經(jīng)帶通濾波、放大處理，經(jīng)變頻后送入A/D，將模擬信號變換為數(shù)字信號送入FPGA，F(xiàn)PGA完成數(shù)字解調(diào)，為了兼容多種速率，整個解調(diào)采用同步采樣技術(shù)，利用DDS來完成時鐘提取[6]。其過程是利用定時誤差提取算法來提取定時誤差，經(jīng)數(shù)字濾波后，同DDS的頻率控制字一同相加，去調(diào)整DDS的相位字，DDS輸出的信號直接去控制A/D采樣時鐘，從而使A/D的采樣頻率同信息速率完全同步。

目前FPGA的規(guī)模越來越大。在一塊FPGA上可以集成更多的功能，只需要增大FPGA的規(guī)模，而不會影響處理速度和其他的性能。相反將更多的功能集成到一個芯片中，可減小體積，減小功耗，電磁兼容性增強，使電路工作更加穩(wěn)定。功能的集成不是簡單的邏輯相加，它增加了各單元電路間接口的靈活性，進而使各單元的設(shè)計更加的靈活，甚至打破原有器件和電路的設(shè)計局限，以一個全新的方式、方法進行電路設(shè)計。FPGA編譯軟件功能的增強，使其程序設(shè)計越來越可以按照高級語言的方式進行；同時可以對程序進行調(diào)試、仿真，在程序編制階段就可以發(fā)現(xiàn)并解決其中的錯誤和不足；在FPGA使用中，可以設(shè)置觀察信號，隨時對其軟件的運行進行監(jiān)測；對于日后發(fā)現(xiàn)程序錯誤和缺陷，可以在軟件平臺上更改完成后，通過對FPGA程序存儲器更新實現(xiàn)對程序的升級和維護。至此，F(xiàn)PGA的應(yīng)用已不再是對以前電路的數(shù)字化，而是具備了軟件的種種特征，成為軟件無線電的一種實現(xiàn)形式。

5 結(jié)束語

空中中繼通信系統(tǒng)是一種基于軟件無線電的多工作頻段，多信道共用的硬件平臺?？罩修D(zhuǎn)發(fā)設(shè)備布置機動靈活、操作快速簡便、開通迅速，并且能夠克服由距離、地形和人為妨礙造成的傳統(tǒng)地面視距局限，它成為解決當前復(fù)雜地形通信瓶頸問題的一種有效手段，在未來的通信中發(fā)揮重要作用。

[1]劉立強，韓斐.一種基于空中平臺中繼的通信系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機與網(wǎng)絡(luò)，2008(16）：37-38.

[2]朱子行,趙尚弘,李勇軍等.再生式通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的研究進展[J].電訊技術(shù),2011（8）：147-148.

[3]項春萍.基于DDS的高速定時同步方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（9）：68-69.

[4]嚴偉.小型化高密度微波組件微組裝技術(shù)及其應(yīng)用[J].國防制造技術(shù).2009(10)：44.

[5]童志義.MEMS封裝技術(shù)及設(shè)備電子工業(yè)專用設(shè)備[J].2010（9）：1-8.

[6]吳俊晨.一體化二次變頻微波收發(fā)信機電磁兼容研究[J].無線電工程,2006,36(5):42-43.