基于雙向透明的超短波轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真*

田華明，王傳剛，田沿平

（海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東 青島 266041）

0 引言

飛行校波是機(jī)場(chǎng)必需經(jīng)常進(jìn)行的工作。為了確保對(duì)空通信的質(zhì)量，飛機(jī)起飛之前，地面指揮塔臺(tái)和機(jī)載電臺(tái)之間都要進(jìn)行飛行校波，根據(jù)實(shí)際的語(yǔ)音通話效果來(lái)檢驗(yàn)電臺(tái)設(shè)備、傳輸路徑、電磁干擾等相關(guān)因素對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響。超短波是對(duì)空通信指揮的主用手段，由于超短波通信存在的直線視距局限，當(dāng)塔臺(tái)與機(jī)庫(kù)、機(jī)篷之間存在障礙物時(shí)，校波往往不能順利實(shí)施。遇到這種情況，需要將飛機(jī)牽引到塔臺(tái)信號(hào)覆蓋的范圍內(nèi)才能完成校波，增加了飛行準(zhǔn)備的時(shí)間和工作量，校波的效率降低，不利于飛機(jī)的緊急出動(dòng)。因此克服障礙物的影響、提高校波的效率是亟待解決的問(wèn)題。

1 轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

針對(duì)機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)的障礙物遮擋的校波不暢問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)一種能夠克服視距通信局限、提供校波通道的轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)。在保持雙方電臺(tái)信號(hào)調(diào)制特性不變的前提下，通過(guò)改變信號(hào)的傳播方向，使塔臺(tái)電臺(tái)與機(jī)載電臺(tái)之間信號(hào)的雙向傳輸。該系統(tǒng)在轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，只改變來(lái)波的方向不改變信號(hào)的調(diào)制特性，保持電臺(tái)信號(hào)的調(diào)制一致性，實(shí)現(xiàn)校波的真實(shí)性和可靠性，這就是超短波電臺(tái)的透明轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)。

轉(zhuǎn)發(fā)是將接收到的無(wú)線、電子或光學(xué)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理并重新發(fā)射出去的過(guò)程。通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了信道之間的連接，對(duì)傳播過(guò)程中損耗的信號(hào)進(jìn)行放大、重整或者重建，起到擴(kuò)展信號(hào)傳輸距離的作用。在轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中也可以采用定向天線，改變信號(hào)的傳輸路徑，克服障礙物的遮擋或避開(kāi)危險(xiǎn)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)向傳輸。轉(zhuǎn)發(fā)有透明轉(zhuǎn)發(fā)和處理轉(zhuǎn)發(fā)兩種。透明轉(zhuǎn)發(fā)是對(duì)信號(hào)只做放大外不做其他處理，而處理轉(zhuǎn)發(fā)是對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)再生和格式轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)[1]。本文針對(duì)機(jī)場(chǎng)校波的需要，采用雙向透明轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)。

1.2 結(jié)構(gòu)模型

轉(zhuǎn)發(fā)是在塔臺(tái)電臺(tái)和機(jī)載電臺(tái)之間雙向進(jìn)行的，轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型和信號(hào)工作流程的設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 定向轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

圖1 中，有甲乙兩部電臺(tái)，分別構(gòu)設(shè)兩個(gè)收發(fā)通道，滿足機(jī)場(chǎng)校波過(guò)程中半雙工工作特性。為了滿足信號(hào)不失真、不改變調(diào)制特性收發(fā)的要求，甲乙兩部電臺(tái)采用與機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)電臺(tái)同體制電臺(tái)，為了信號(hào)收發(fā)過(guò)程中互不影響，甲乙電臺(tái)分別采用定向天線，收發(fā)過(guò)程受到轉(zhuǎn)發(fā)控制裝置的協(xié)同控制。

轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)信號(hào)工作流程為：當(dāng)塔臺(tái)發(fā)射信號(hào)，轉(zhuǎn)發(fā)裝置中甲電臺(tái)作為接收電臺(tái)，定向接收塔臺(tái)電臺(tái)的射頻信號(hào)，該射頻信號(hào)一路加到乙電臺(tái)的發(fā)射機(jī)電路，另一路通過(guò)甲電臺(tái)接收機(jī)產(chǎn)生與之相應(yīng)的中頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換控制板中的中頻檢測(cè)電路產(chǎn)生直流控制信號(hào)，激發(fā)乙電臺(tái)進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)，通過(guò)定向天線將從甲電臺(tái)接收機(jī)來(lái)的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給飛機(jī)上的電臺(tái)。同理，當(dāng)飛機(jī)上電臺(tái)呼叫時(shí)，信號(hào)工作過(guò)程反向，完成了塔臺(tái)與飛機(jī)之間信號(hào)的雙向校波[2]。

1.3 功能要求

從圖1 的結(jié)構(gòu)和信號(hào)工作流程可以看出，定向轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)需具備下列4 項(xiàng)功能。

（1）透明轉(zhuǎn)發(fā)。甲乙電臺(tái)接收到信號(hào)后不做作調(diào)制特性、工作方式等其他任何處理，直接送到對(duì)方電臺(tái)的發(fā)射機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，此時(shí)信號(hào)有放大但沒(méi)有調(diào)制特性的改變，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的透明轉(zhuǎn)發(fā)。

（2）定向轉(zhuǎn)發(fā)。為了甲乙兩部電臺(tái)半雙工工作方式不受影響，采用定向天線，在甲乙兩部電臺(tái)收發(fā)信號(hào)時(shí)，相互隔離，保證收發(fā)通道中信號(hào)的純凈性。通常兩天線的隔離度在30 dB 以上[3]。

（3）自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)。轉(zhuǎn)發(fā)控制裝置作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的安裝設(shè)備，具備自動(dòng)收發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)控制功能，不需要塔臺(tái)和機(jī)務(wù)人員額外操作。

（4）雙向轉(zhuǎn)發(fā)。透明轉(zhuǎn)發(fā)裝置不僅要轉(zhuǎn)發(fā)塔臺(tái)至機(jī)載電臺(tái)方向的信號(hào)，也要能轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)載電臺(tái)至塔臺(tái)方向的信號(hào)。

2 透明轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1 總體電路

根據(jù)圖1 的工作流程和設(shè)計(jì)思路，定向轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)總體電路原理

圖2中，定向轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)由甲電臺(tái)、轉(zhuǎn)發(fā)控制裝置、乙電臺(tái)3 個(gè)部分組成。信號(hào)的接收和發(fā)射仍采用甲乙電臺(tái)的收發(fā)通道，以保持信號(hào)傳輸過(guò)程中的調(diào)制特性不變透明特征，其中K4 是接收機(jī)的中頻信號(hào)均衡放大器，D4 是發(fā)射機(jī)收發(fā)狀態(tài)判斷器件，進(jìn)行電臺(tái)發(fā)射和接收狀態(tài)判斷，并將PTT（Push to talk，按鍵發(fā)話）電平送入功放電路，控制功放的工作狀態(tài)?！稗D(zhuǎn)發(fā)控制裝置”是根據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)需要設(shè)計(jì)的，主要包括中頻峰值檢波電路、直流放大電路和收發(fā)控制電路3 個(gè)部分。電臺(tái)為貨架產(chǎn)品，下面對(duì)新研發(fā)的“轉(zhuǎn)發(fā)控制裝置”中3 個(gè)主要電路進(jìn)行分析。

2.2 中頻峰值檢波電路

中頻檢測(cè)電路如圖3 所示，將圖2 中接收機(jī)的混頻放大器輸出中頻信號(hào)Vi進(jìn)行峰值檢波[4]，形成直流控制電壓Vo，作為收發(fā)控制電路的觸發(fā)信號(hào)。

圖3 中頻峰值檢波電路的設(shè)計(jì)

中頻信號(hào)是電臺(tái)中幅度穩(wěn)定、幅頻特性較好的信號(hào)，用作轉(zhuǎn)換裝置的觸發(fā)信號(hào)能夠提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

2.3 直流放大電路

圖2 中直流放大電路的N2選用LM358 雙運(yùn)算放大器，其放大倍數(shù)能達(dá)到10 000 倍以上，能夠滿足邏輯電平的需求，放大倍數(shù)計(jì)算公式為：在圖2 中為滿足電平觸發(fā)和電路穩(wěn)定需要，R1為2 kΩ，R2為18 kΩ，因此Avi=10。

2.4 收發(fā)控制電路

在電臺(tái)中，收發(fā)控制信號(hào)PTT 為低電平時(shí)，電臺(tái)處于發(fā)射狀態(tài)，PTT 為高電平時(shí)，電臺(tái)處于接收狀態(tài)，因此收發(fā)控制電路通過(guò)繼電器控制PTT 電平從而控制甲乙兩電臺(tái)進(jìn)行雙向協(xié)同轉(zhuǎn)發(fā)。收發(fā)控制電路采用繼電器控制的主要原因是要進(jìn)行檢波電路與電臺(tái)的PTT 信號(hào)之間的電平轉(zhuǎn)換[5]。在圖2 中，甲電臺(tái)收到信號(hào)后，N1輸出高電平，T1工作，PTT2為低電平，使得乙電臺(tái)處于發(fā)射狀態(tài)，將甲電臺(tái)接收過(guò)來(lái)的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)乙電臺(tái)發(fā)射電路的信號(hào)放大處理之后，通過(guò)乙電臺(tái)的重發(fā)天線透明轉(zhuǎn)發(fā)出去，同時(shí)通過(guò)繼電器T3工作，使得開(kāi)關(guān)K2斷開(kāi)，切斷當(dāng)乙電臺(tái)接收到的射頻信號(hào)傳輸途徑。當(dāng)乙電臺(tái)收到信號(hào)（此時(shí)甲電臺(tái)無(wú)接收信號(hào)）后，N2輸出高電平，繼電器T2工作，PTT1為低電平，使得甲電臺(tái)處于發(fā)射狀態(tài)，將乙電臺(tái)接收的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)甲電臺(tái)發(fā)射電路的信號(hào)放大處理之后，通過(guò)甲電臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)出去，實(shí)現(xiàn)了雙向透明轉(zhuǎn)發(fā)的功能。由于繼電器T3對(duì)K2的控制，實(shí)現(xiàn)雙向轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中，甲電臺(tái)信號(hào)優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)的功能，符合塔臺(tái)優(yōu)先的工作流程需要。

3 定向轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)性能仿真

定向轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)中，電臺(tái)是貨架產(chǎn)品，工作性能穩(wěn)定，需要對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)控制裝置的工作特性進(jìn)行仿真，來(lái)驗(yàn)證電路工作的可靠性。針對(duì)設(shè)計(jì)的電路特性，采用Multisim 軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

3.1 仿真電路設(shè)計(jì)

根據(jù)圖2 中的電路原理，在Multisim 中進(jìn)行仿真電路的設(shè)計(jì)，如圖4 所示。

圖4 定向轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的仿真電路設(shè)計(jì)

圖4 中，仿真數(shù)據(jù)和結(jié)果用4 個(gè)示波器顯示，其中示波器XSC1 顯示的是甲電臺(tái)接收機(jī)中頻輸入和輸出峰值檢波電路的信號(hào)，示波器XSC2 顯示的是乙電臺(tái)發(fā)射支路信號(hào)，示波器XSC3 顯示的是乙電臺(tái)接收機(jī)中頻輸入和輸出峰值檢波電路的信號(hào)，示波器XSC4 顯示的是甲電臺(tái)發(fā)射支路的信號(hào)。

3.2 信號(hào)源的設(shè)計(jì)

仿真設(shè)計(jì)中，信號(hào)源模擬電臺(tái)接收機(jī)產(chǎn)生的中頻信號(hào)，因此采用AM 調(diào)幅波發(fā)生器，產(chǎn)生一個(gè)12 MHz、0.15 V、調(diào)制話音頻率為1 kHz、調(diào)制度為0.8的調(diào)幅信號(hào)，來(lái)模擬電臺(tái)經(jīng)過(guò)混頻器之后產(chǎn)生的中頻調(diào)幅信號(hào)[6]。信號(hào)源的模型如圖5 所示，波形如圖6 所示。

圖5 模擬信號(hào)源模型

圖6 模擬信號(hào)源輸出波形

3.3 仿真過(guò)程和結(jié)果分析

根據(jù)圖1 中定向轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)信號(hào)流程和圖2 中電路原理，圖4 的仿真過(guò)程應(yīng)包括“塔臺(tái)發(fā)射、飛機(jī)接收”“塔臺(tái)接收、飛機(jī)發(fā)射”“塔臺(tái)和飛機(jī)同時(shí)發(fā)射”“塔臺(tái)和飛機(jī)均無(wú)發(fā)射”4 種情況。

對(duì)“塔臺(tái)發(fā)射、飛機(jī)接收”的情況進(jìn)行仿真。由于是塔臺(tái)發(fā)射校波信號(hào)，從圖1 可以看出，甲電臺(tái)應(yīng)接收到塔臺(tái)的信號(hào)，圖2 中混頻放大器有中頻信號(hào)輸出，因此圖4仿真電路中信號(hào)源V1接入電路，此時(shí)得到的仿真結(jié)果如圖7 所示。

圖7 塔臺(tái)發(fā)射、飛機(jī)接收時(shí)示波器組波形

圖7 中，示波器XSC1 顯示的甲電臺(tái)有接收機(jī)中頻和峰值檢波電路的信號(hào)輸出，XSC2 顯示的是乙電臺(tái)發(fā)射給飛機(jī)信號(hào)，而XSC3 與XSC4 無(wú)信號(hào)，符合塔臺(tái)發(fā)射、飛機(jī)接收的信號(hào)流程。

同理可以得到其他3 種情況的仿真結(jié)果，如表1 所示。

表1 仿真結(jié)果

從表1 看出，仿真結(jié)果符合定向轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)工作流程，滿足雙向透明轉(zhuǎn)發(fā)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析特定環(huán)境下超短波電臺(tái)通信校波的需求，根據(jù)現(xiàn)役半雙工電臺(tái)的特點(diǎn)，研發(fā)具有雙向透明轉(zhuǎn)發(fā)功能的轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)工作流程、具體電路，并對(duì)電路進(jìn)行仿真，從理論分析和仿真結(jié)果上看，能夠?qū)崿F(xiàn)超短波信號(hào)保真、可靠傳輸，提高機(jī)場(chǎng)校波的質(zhì)量和效率，且并不改變信號(hào)調(diào)制特性，符合透明轉(zhuǎn)發(fā)的要求。為了提高轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的使用效果，在安裝架設(shè)的過(guò)程中，要根據(jù)機(jī)庫(kù)與塔臺(tái)之間的地理位置和地形特點(diǎn)，科學(xué)選擇安裝位置，適當(dāng)提高天線的高度，避開(kāi)障礙物的影響。由于本系統(tǒng)帶有射頻放大功能，能夠?qū)D(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)進(jìn)行放大，因此在超短波遠(yuǎn)距離通信中，還可以安裝在山頂或建筑物的高處，為超短波信號(hào)提供中繼放大作用，進(jìn)一步拓展超短波通信保障范圍。