多通道甚高頻遙控通信系統(tǒng)分析

李 明

（中國民用航空飛行學(xué)院，四川 廣漢 618300）

0 引言

現(xiàn)階段甚高頻通信已成為民航地空通信的主要應(yīng)用模式，用于圍繞航空器駕駛員、地空交通管制、地面服務(wù)保障等主體間提供語音通信功能，實(shí)現(xiàn)指令的實(shí)時傳遞，其通信效果與語音指令傳遞時效性將直接影響到航空安全。近年來伴隨民航事業(yè)的發(fā)展，甚高頻通信業(yè)務(wù)量也呈現(xiàn)出持續(xù)增加趨勢，對于多部電臺資源共享與分時使用提出現(xiàn)實(shí)要求。

1 甚高頻通信原理與設(shè)計(jì)需求

1.1 通信原理

甚高頻通信過程可劃分為兩個環(huán)節(jié)：其一是信號發(fā)射環(huán)節(jié)，通過內(nèi)話系統(tǒng)將空管人員的語音信號傳遞至發(fā)射機(jī)，經(jīng)調(diào)制、放大、變頻、過濾等流程轉(zhuǎn)化為電磁波，并利用天線進(jìn)行發(fā)射；其二是信號接收環(huán)節(jié)，利用接收機(jī)天線實(shí)現(xiàn)對射頻信號的接收，經(jīng)放大、變頻、解調(diào)等處理流程轉(zhuǎn)化為音頻信號，通過內(nèi)話系統(tǒng)傳回管制端[1]。

1.2 設(shè)計(jì)需求分析

當(dāng)前內(nèi)話系統(tǒng)、衛(wèi)星地面站、調(diào)壓器、信號發(fā)生器、甚高頻電臺、不間斷電源對于地空通信效果與穩(wěn)定性均存在不同程度影響：由于甚高頻電臺從信號發(fā)生器處接收信號，諸如電臺覆蓋范圍、甚高頻接收機(jī)性能等均有可能對信號源造成干擾，影響到控制端接收信號的質(zhì)量；當(dāng)發(fā)射機(jī)或天饋系統(tǒng)存在性能缺陷或出現(xiàn)故障，將使控制端發(fā)出的信號質(zhì)量受到影響；此外，諸如內(nèi)話設(shè)備功能設(shè)置不當(dāng)、衛(wèi)星地面設(shè)備發(fā)生故障等因素，均會影響到甚高頻遙控系統(tǒng)的主體性能，對于相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行性能提出較高要求。

2 多通道甚高頻遙控通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2.1.1 硬件設(shè)計(jì)

本文基于MH/T 4001.1—2016《甚高頻地空通信地面系統(tǒng) 第1部分語音通信系統(tǒng)》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與航空管制實(shí)際需求，分模塊完成多通道甚高頻遙控通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示）。該系統(tǒng)由中央控制機(jī)、甚高頻電臺、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)以及終端設(shè)備組成，其中中央控制機(jī)被劃分為以下4個模塊：其一是協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，采用C8051F120、CP2200兩種單片機(jī)分別承擔(dān)采樣、接口功能，圍繞甚高頻電臺與監(jiān)控計(jì)算機(jī)間實(shí)現(xiàn)由REM總線協(xié)議向以太網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換；其二是語音交換模塊，利用C8051F120與CD22M3494分別承擔(dān)控制與交換功能，搭配74HCT245總線驅(qū)動器、74HC573數(shù)據(jù)鎖存器，用于提供語音通信通道，應(yīng)通過減少共用元件數(shù)量抑制通信時效問題的蔓延；此外，還包含電臺、終端兩個接口模塊，可提供2/4線轉(zhuǎn)換、接口直連等功能，并通過分離元器件強(qiáng)化模塊安全保障。監(jiān)控計(jì)算機(jī)主要用于調(diào)整系統(tǒng)配置，基于以太網(wǎng)協(xié)議建立與中控機(jī)、終端設(shè)備的連接功能，支持實(shí)時監(jiān)控。終端設(shè)備模塊采用嵌入式ARM平臺，主要負(fù)責(zé)執(zhí)行語音信號的收發(fā)，并針對系統(tǒng)發(fā)出的信令作出響應(yīng)、實(shí)現(xiàn)控制功能，針對用戶終端設(shè)備、狀態(tài)信息及觸摸屏等實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框

2.1.2 軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上，以硬件設(shè)計(jì)中的4個基本模塊為基準(zhǔn)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)，其中協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件主要用于實(shí)現(xiàn)電臺接口專有協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議間的轉(zhuǎn)換，語音交換軟件用于控制矩陣開關(guān)執(zhí)行具體動作，監(jiān)控軟件用于實(shí)現(xiàn)對甚高頻電臺與終端運(yùn)行狀態(tài)信息的實(shí)時獲取、調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)配置，終端軟件用于將用戶發(fā)出的指令轉(zhuǎn)發(fā)給管制員、同時向雙方反饋甚高頻電臺各通道的具體情況。在Windows XP操作系統(tǒng)環(huán)境下運(yùn)行軟件，采用嵌入式Linux方案進(jìn)行功能模塊設(shè)計(jì)，并基于Qt Creator進(jìn)行軟件開發(fā)，利用交叉編譯原理將ARM11架構(gòu)下編譯好的程序文件移植在ARM架構(gòu)下，為終端盒軟件提供運(yùn)行環(huán)境。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

2.2.1 主程序設(shè)計(jì)

首先在主程序啟動流程設(shè)計(jì)上，依次完成主窗口和演示窗口的初始化，完成相關(guān)參數(shù)賦值及顯示，設(shè)計(jì)布局；通過修改數(shù)據(jù)完成網(wǎng)絡(luò)服務(wù)對象的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對協(xié)議轉(zhuǎn)換、語音交換等模塊的配置；接下來圍繞信號、槽間建立連接，等待用戶提交業(yè)務(wù)請求并作出響應(yīng)；最后依據(jù)用戶發(fā)出的指令執(zhí)行關(guān)閉操作，結(jié)束運(yùn)行。其次在上層設(shè)備控制發(fā)送數(shù)據(jù)的流程設(shè)計(jì)上，操作人員點(diǎn)擊演示窗體功能的按鍵后觸發(fā)具體操作，在演示窗口處實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送給服務(wù)對象，完成數(shù)據(jù)控制與發(fā)送過程。最后在下層設(shè)備接收并顯示數(shù)據(jù)的流程設(shè)計(jì)上，待運(yùn)行數(shù)據(jù)后判斷上層發(fā)送的UDP數(shù)據(jù)是否成功到達(dá)，服務(wù)對象接收UDP數(shù)據(jù)并記錄數(shù)據(jù)源的IP地址，經(jīng)遍歷查找定位該IP地址的目標(biāo)設(shè)備，判斷是否查找到該設(shè)備并完成數(shù)據(jù)模型的更新，隨后在演示窗口查看設(shè)備的指針是否指向數(shù)據(jù)模型并讀取其實(shí)時數(shù)據(jù)、在窗口予以顯示，以此完成一次接收的過程[2]。

2.2.2 對象模型建立

基于Qt環(huán)境下的model-view架構(gòu)建立對象模型，采用UML類圖進(jìn)行關(guān)系描述，針對指定設(shè)備設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)模型類，可在view類中表現(xiàn)出來，并且針對各數(shù)據(jù)模型類分別提供演示窗口類，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模型的及時更新，優(yōu)化用戶響應(yīng)效果，更好地建立模型與用戶間的良好交互關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)類的功能性差異提供不同文件，例如采用configurewidget，datastruct，displaywidget，net，sqlite，userwidget，warning七種文件夾分別用于定義窗口類、設(shè)備數(shù)據(jù)類、顯示窗口類、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動類、成員函數(shù)類、用戶操作窗口類以及QTime類，完成文件夾分類及類的設(shè)計(jì)。

2.2.3 類的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

其中在QWidgetWelcome類設(shè)計(jì)上，主要用于顯示系統(tǒng)界面的圖片，在操作人員進(jìn)入程序后呈現(xiàn)出帶有中英文標(biāo)注的“中國民用航空XX空中交通管理站”具體圖片；在QWidgetMonitor類設(shè)計(jì)上，主要用于顯示表格，當(dāng)操作人員電機(jī)表格后即可跳轉(zhuǎn)至具體的子設(shè)備、顯示所需查看設(shè)備的信息；在QWidgetRadioGroup類設(shè)計(jì)上，主要用于顯示電臺組界面，供操作人員針對電臺運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并且在自動或手動操作模式下發(fā)出開、關(guān)等基礎(chǔ)性指令，控制電臺開關(guān)、更新電臺狀態(tài)；在QWidgetXu250a類設(shè)計(jì)上，主要用于顯示電臺的具體參數(shù)與狀態(tài)信息，通過調(diào)用網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動命令向協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送具體命令，并且實(shí)現(xiàn)對電臺狀態(tài)信息的實(shí)時更新與顯示，借助關(guān)聯(lián)命令與節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)窗口布局；在QWidgetSwitch類設(shè)計(jì)上，主要用于顯示語音模塊的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，利用綠、黃、黑、白等不同顏色指示具體的狀態(tài)信息，供終端進(jìn)行電臺選擇，并由用戶進(jìn)行模型屬性的定義；在QWidgetTerminalGroup類設(shè)計(jì)上，主要用于顯示終端設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，便于向ARM終端發(fā)送具體的文本信息[3]。

2.3 用戶終端軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 主機(jī)開發(fā)環(huán)境

采用Fedora操作系統(tǒng)作為主機(jī)開發(fā)環(huán)境，完成armlinux-gcc，Qt creater，tslib，Qt-Embedded的安裝，并在Qt creater的Option窗口下完成參數(shù)配置，尋找到對應(yīng)程序，在Qt Versions界面完成安裝操作，建立主機(jī)開發(fā)的編譯環(huán)境。

2.3.2 終端軟件流程設(shè)計(jì)

終端軟件主要由通道狀態(tài)顯示、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)顯示、技術(shù)部門留言顯示與配置等功能模塊組成，控制終端設(shè)有6個操作按鈕，分別顯示具體的頻率數(shù)據(jù)。終端流程設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 用戶終端軟件流程設(shè)計(jì)

當(dāng)啟動終端軟件程序后進(jìn)行構(gòu)造函數(shù)的初始化、完成窗口布局，隨后完成UDP套接字初始化、建立連接，載入本地配置的具體信息，開啟定時器觀察定時器是否存在超時溢出問題；當(dāng)定時器超時溢出后，執(zhí)行定時器操作，判斷提出配置請求的次數(shù)是否超過10次，并請求上位機(jī)配置信息，隨后判斷最近兩次間隔電臺通道是否存在狀態(tài)更新，倘若無狀態(tài)更新則將6個電臺通道狀態(tài)設(shè)為錯誤狀態(tài)，接下來判斷是否收到切換板廣播狀態(tài)，完成通道狀態(tài)的更新；再判斷是否接收到上位機(jī)的配置信息，將所有通道關(guān)閉、更新本地配置文件，并重新載入本地配置信息；判斷是否接收到上位機(jī)的文本信息，完成文本顯示框信息的更新；判斷是否點(diǎn)擊觸發(fā)電臺的通道，再依次判斷點(diǎn)擊哪一個電臺通道、電臺下一個狀態(tài)，向切換板發(fā)送切換命令、將該通道狀態(tài)進(jìn)行切換，完成該通道狀態(tài)的更新；最后判斷是否可以結(jié)束程序，結(jié)束終端軟件程序的運(yùn)行。

2.3.3 程序調(diào)試與下載

考慮到本文選用的開發(fā)環(huán)境具有跨平臺特點(diǎn)，基于Qt平臺以管理員身份進(jìn)行程序調(diào)試，避免出現(xiàn)非法訪問程序的問題，并相繼完成對程序功能與交換機(jī)狀態(tài)的測試，待完成測試與功能配置后重新完成編譯過程，完成字體庫、類庫等模塊的設(shè)置。最后運(yùn)行程序，利用計(jì)算機(jī)發(fā)送指令、完成測試，并將程序下載至開發(fā)板中。

3 系統(tǒng)性能測試與改進(jìn)

3.1 系統(tǒng)測試

首先針對協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行測試，從該模塊中引出串口線連接甚高頻電臺，選取直連網(wǎng)線分別與交換機(jī)、電源進(jìn)行連接，判斷模塊在供電模式下是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)，觀察指示燈的明暗情況，倘若發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換模塊或Led燈狀態(tài)異常，則說明可能存在虛焊等問題，執(zhí)行相應(yīng)故障排查工作；隨后啟動上位機(jī)程序、為模塊供電，判斷網(wǎng)絡(luò)連接是否正常、單片機(jī)是否處于等待狀態(tài)、Led有無異常等，并判斷IPconfig是否配置正確IP地址，執(zhí)行后續(xù)操作；接下來進(jìn)行模塊重啟，重新輸入電臺IP判斷是否實(shí)現(xiàn)正確配置，觀察顯示界面是否呈現(xiàn)出電臺的狀態(tài)信息，并查看其響應(yīng)情況；最后重復(fù)上述流程，判斷模塊運(yùn)行狀態(tài)及穩(wěn)定性、再現(xiàn)性等性能，執(zhí)行相應(yīng)故障排查工作，完成模塊測試[4]。

其次針對語音交換模塊進(jìn)行測試，利用直連網(wǎng)線分別實(shí)現(xiàn)交換機(jī)、電臺、接口板、終端等設(shè)備的連接，判斷該模塊是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)，觀察Led燈的顯示情況，在出現(xiàn)異常狀態(tài)時，說明可能存在單片機(jī)虛焊、網(wǎng)線與RJ45頭異常連接等問題，并執(zhí)行具體的故障排查與檢修工作；隨后重復(fù)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊的IP設(shè)置流程，判斷IP是否實(shí)現(xiàn)正常配置；接下來將該模塊進(jìn)行重啟，在正確IP地址的條件下針對16個終端分別對應(yīng)的電臺進(jìn)行收聽發(fā)送配置，針對各通道連接狀態(tài)進(jìn)行檢查，通過測試判斷能否正常接收到語音信號、有無雜音或串音；最后循環(huán)上述流程，針對模塊運(yùn)行狀態(tài)與性能進(jìn)行測試，完成模塊測試。

最后針對ARM終端模塊進(jìn)行測試，運(yùn)行上位機(jī)測試軟件，利用直連網(wǎng)線連接交換機(jī)，為終端模塊供電、完成配置，并進(jìn)行測試檢查，判斷終端是否針對發(fā)出的文本消息實(shí)現(xiàn)及時響應(yīng)；隨后完成ARM終端模塊IP地址的配置，分別與甚高頻電臺、語音交換模塊進(jìn)行連接，判斷終端能否檢測到模塊信息；待針對切換板進(jìn)行檢測時，分別控制6個通道、判斷能否檢測到讀寫狀態(tài)信息，并利用相應(yīng)信號進(jìn)行切換狀態(tài)的檢驗(yàn)；最后重復(fù)上述流程，針對ARM終端模塊的運(yùn)行狀態(tài)與性能進(jìn)行測試，完成整體系統(tǒng)測試過程，并將測試結(jié)果進(jìn)行記錄。

3.2 改進(jìn)建議

考慮到甚高頻遙控通信業(yè)務(wù)的覆蓋高度限制在3 km內(nèi)，倘若遇到山區(qū)等環(huán)境將增加DDN鏈路的接入難度，對于系統(tǒng)性能發(fā)揮構(gòu)成影響，因此可采取以下改進(jìn)方案：其一是在外部環(huán)境、氣候條件允許的情況下，可采用擴(kuò)頻電臺進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，選用高級別鏈路進(jìn)行信號傳輸；其二是增設(shè)備份鏈路，用于在主鏈路斷開后實(shí)現(xiàn)快速連接；其三是引入新的數(shù)據(jù)傳輸路由，利用多種接入設(shè)備滿足大帶寬與覆蓋面積的需要，借此有效消除對甚高頻遙控通信系統(tǒng)的干擾因素，保障系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行[5]。

4 結(jié)語

本文基于民航甚高頻通信業(yè)務(wù)需求設(shè)計(jì)了一種多通道甚高頻遙控通信系統(tǒng)，綜合運(yùn)用電路交換、以太網(wǎng)、編程軟件與嵌入式開發(fā)模塊，針對系統(tǒng)軟硬件、監(jiān)控軟件程序以及終端軟件設(shè)計(jì)思路進(jìn)行分析，并分模塊進(jìn)行系統(tǒng)整體測試。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在人機(jī)界面友好性、可用性、功能實(shí)現(xiàn)效果、穩(wěn)定性、整體性、抗干擾性以及安全性等方面均符合設(shè)計(jì)要求，能夠較好地滿足甚高頻通信業(yè)務(wù)需求。