航空電子通信系統(tǒng)信道技術(shù)探析

馬帥

摘要：航空電子系統(tǒng)是飛機(jī)設(shè)計(jì)中一個(gè)比較關(guān)鍵的系統(tǒng)，它建立了飛機(jī)與外界的聯(lián)系，對(duì)飛機(jī)的安全有著至關(guān)重要的作用。隨著飛機(jī)各種性能的不斷提升，對(duì)通信系統(tǒng)提出了越來(lái)越高的要求，以此來(lái)保障飛行的安全。面對(duì)日益復(fù)雜的電磁環(huán)境以及航空電子設(shè)備帶寬和功率受限的現(xiàn)狀，需要通過(guò)相關(guān)的信道技術(shù)，提高無(wú)線通信過(guò)程中的可靠性和有效性?；诖耍恼箩槍?duì)航空電子通信系統(tǒng)信道的關(guān)鍵技術(shù)以及發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行淺析，分析通信系統(tǒng)中信道技術(shù)的關(guān)鍵因素，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：孔徑綜合;通信技術(shù);信道編碼;調(diào)制

1 引言

對(duì)于航空領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，電子通信技術(shù)無(wú)疑是非常重要的一環(huán)，涉及航空安全，指揮協(xié)同，電子偵察，導(dǎo)航定位等各個(gè)場(chǎng)景下的應(yīng)用。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，機(jī)載通信系統(tǒng)使用的頻率范圍越來(lái)越大，復(fù)雜性程度越來(lái)越高，同時(shí)空間的電磁環(huán)境日趨復(fù)雜，機(jī)載通信手段需要更多的方法來(lái)保證不同業(yè)務(wù)的開(kāi)展。目前航空電子系統(tǒng)逐漸從分立式往綜合化的方向發(fā)展，對(duì)天線的孔徑綜合，信道的利用，抗干擾和噪聲都提出了更高的要求。為了提升航空通信的有效性和可靠性，本文從通信信道的角度出發(fā)，對(duì)現(xiàn)有的射頻信號(hào)發(fā)射（天線技術(shù)），信道編碼和調(diào)制手段進(jìn)行了分析。

2 天線技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)不同機(jī)載設(shè)備的不同功能需求，如圖像傳輸，報(bào)文發(fā)送，電子偵察，雷達(dá)測(cè)控等多方面的需求，需要在航空平臺(tái)布置大量的不同頻段的天線，這對(duì)天線之間的隔離度和頻譜之間的干擾提出了更高的要求。隨著集成電路，天線技術(shù)的發(fā)展，目前飛機(jī)平臺(tái)的射頻系統(tǒng)主要往綜合化，集成化的方向發(fā)展，其中一個(gè)核心的方向?yàn)樘炀€的孔徑綜合。天線孔徑綜合的主要方向有兩個(gè)：一是減少天線數(shù)量，用一個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多個(gè)天線的功能;二是將綜合化天線結(jié)構(gòu)于機(jī)身結(jié)構(gòu)融合，提高平臺(tái)的氣動(dòng)與隱身性能。目前，天線孔徑綜合的方法有很多，通過(guò)統(tǒng)籌考慮天線的工作頻段，極化方式，發(fā)射功率，波束寬度等指標(biāo)，進(jìn)行孔徑綜合設(shè)計(jì)。例如，通過(guò)設(shè)計(jì)寬頻天線將窄帶天線復(fù)用為一個(gè);利用多個(gè)射頻開(kāi)關(guān)，將同一個(gè)天線分成不同部分，每一個(gè)部分作為一個(gè)單獨(dú)的控制單元實(shí)現(xiàn)對(duì)天線整體工作頻率和輻射方向的控制;采用共形天線技術(shù)，將天線嵌入到機(jī)體結(jié)構(gòu)中，由于共形天線本身具有腔體，且不具有高度，能夠有效改善天線之間的直接輻射，提高對(duì)不同信道電磁環(huán)境的適應(yīng)能力。隨著新的技術(shù)，材料的使用，天線設(shè)計(jì)會(huì)在減少電磁干擾，提升空間利用率上不斷提高設(shè)計(jì)水平。

3 航空電子通信信道編碼

為了保證通信系統(tǒng)在復(fù)雜的電磁環(huán)境下是實(shí)現(xiàn)可靠通信，保證通信傳輸?shù)挠行?，航空通信系統(tǒng)廣泛采用信道編碼技術(shù)。根據(jù)有噪聲信道編碼定理，只要保證通信速率小于信道容量，就能找到一種編碼方式，實(shí)現(xiàn)無(wú)誤碼的傳輸。鄒星等人分析了在指定碼率信道編碼實(shí)現(xiàn)特定的誤碼率時(shí)的極限值，并分析了信道編碼在不同的通信體制下信道編碼增益的理論極限，可以看出，在不同的信噪比條件下，信道編碼可以有效的提高傳輸效率。隨著航空通信系統(tǒng)的發(fā)展，越來(lái)越多的信道編碼算法被應(yīng)用于航空領(lǐng)域，其性能一般主要取決于以下幾個(gè)方面。首先時(shí)編碼效率，航空通信系統(tǒng)往往是帶寬受限的，根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則可以知道碼元傳輸速率也是受限的，因此需要提高編碼效率。其次是編碼增益，在機(jī)載環(huán)境功率受限的環(huán)境下，提高編碼增益就能有效提高信號(hào)在信道中的抗干擾能力，降低設(shè)備的功耗。最后是編碼長(zhǎng)度，對(duì)于經(jīng)過(guò)信道編碼的信號(hào)，根據(jù)編碼長(zhǎng)度的不同，其相應(yīng)的信道編碼增益也有所不同。因此，在實(shí)際的工程實(shí)踐中，需要制定好適合的信道編碼策略。本文主要分析幾種目前主流的信道編碼方式。

RS碼是一種前向糾錯(cuò)的信道編碼，用于檢測(cè)和糾正解碼器產(chǎn)生的突發(fā)性錯(cuò)誤，而卷積碼適用于糾正隨機(jī)錯(cuò)誤，但對(duì)于解碼過(guò)程中產(chǎn)生的突發(fā)性錯(cuò)誤則不能進(jìn)行糾正。將兩者進(jìn)行組合就能進(jìn)行相互補(bǔ)償，同時(shí)采用交織技術(shù)將突發(fā)性的錯(cuò)誤在時(shí)間上進(jìn)行分散更有利于進(jìn)行糾錯(cuò)。RS交織卷積級(jí)聯(lián)碼的碼率沒(méi)有特殊的限制，在軟硬件實(shí)現(xiàn)上的結(jié)構(gòu)相對(duì)于其他信道編碼具有較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，其對(duì)應(yīng)的解碼時(shí)間也較短，在對(duì)時(shí)延有較高要求的系統(tǒng)具有非常高的實(shí)用價(jià)值。但是由于其編碼增益有限，因此在對(duì)于信噪比要求較高的環(huán)境中普遍采用編碼增益更高其他編碼方式。

Turbo碼充分利用了傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)碼的優(yōu)點(diǎn)，它將多個(gè)子碼通過(guò)交織器進(jìn)行并行或者串行級(jí)聯(lián)，然后進(jìn)行迭代一碼，這樣就能夠具有很好的糾錯(cuò)性能。Turbo碼在抵御加性高斯噪聲方面性能優(yōu)越，具有很強(qiáng)的抗衰落，抗干擾能力。Turbo碼能夠在信源長(zhǎng)度有限的情況下依然具有高的編碼增益，在傳輸速率低的應(yīng)用場(chǎng)景中較為適合。但是由于其在碼率較高的環(huán)境下會(huì)去除校驗(yàn)信息，因此可能會(huì)導(dǎo)致譯碼會(huì)有較高的誤碼率。

TPC 碼繼承了Turbo碼在低的信噪比的環(huán)境下仍然具有較低的誤碼率的有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)降低了譯碼的復(fù)雜度。TPC碼具有較高的編碼增益，因此對(duì)發(fā)射功率的要求降低，很適用于功率受限的衛(wèi)星通信。TPC碼結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，同步要求適中，也很適用于高傳輸速率的鏈路環(huán)境。

LDPC碼是具有稀疏矩陣的線性分組碼，相對(duì)于TPC碼具有更高的編碼增益，在碼長(zhǎng)較長(zhǎng)的情況下仍然可以進(jìn)行有效的譯碼，同時(shí)在低碼率、碼長(zhǎng)較短的環(huán)境下傳輸中也具有很高的性能。LDPC碼具有很強(qiáng)的靈活性，但由于其在碼長(zhǎng)較長(zhǎng)的環(huán)境下使用更具有優(yōu)勢(shì)，且在信噪比較差的環(huán)境中其編碼具有較高的迭代次數(shù)，也會(huì)因此導(dǎo)致譯碼時(shí)延較大。

4 航空通信信號(hào)調(diào)制

在無(wú)線通信系統(tǒng)中，無(wú)線信道的衰落是影響系統(tǒng)性能的重要因素，信號(hào)調(diào)制是對(duì)抗衰落的有效手段。目前航空領(lǐng)域主要采用MPSK，TCM，擴(kuò)頻等調(diào)制技術(shù)，本文主要分析了兩種當(dāng)前航空通信中常用的調(diào)制手段。

擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)能夠極大限度的共享相同的頻譜資源，在航空頻譜受限的條件下具有廣泛的應(yīng)用，美軍的聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分配系統(tǒng)（JTIDS）正是采用這種技術(shù)。擴(kuò)頻信號(hào)的頻帶是通過(guò)偽隨機(jī)碼將原始信號(hào)的帶寬進(jìn)行擴(kuò)展得到的，在接收端采用的同樣的碼進(jìn)行相關(guān)同步接收和解擴(kuò)。由于擴(kuò)頻具有很高的帶寬冗余度，因此可以有利的克服外界的故意干擾和多徑衰落。擴(kuò)頻調(diào)制主要包括直接序列擴(kuò)頻，跳頻擴(kuò)頻、跳時(shí)擴(kuò)頻、線性脈沖調(diào)頻（Chirp）等等。在針對(duì)不同的問(wèn)題如多址組網(wǎng)、抗多徑、定時(shí)定位、測(cè)距等等多種應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)，就需要同時(shí)采用上述幾種方式的混合，如直接序列混合系統(tǒng)（FH/DS）、直接序列-時(shí)間跳變混合系統(tǒng)（DS/TH）、頻率跳變-時(shí)間跳變混合系統(tǒng)（HF/TH）等，這種復(fù)合的調(diào)制方式一般具有更好的性能。

正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）具有較強(qiáng)的對(duì)抗多徑衰弱信道的能力。對(duì)于單載波系統(tǒng)，單個(gè)信道衰落可能會(huì)對(duì)整個(gè)通信鏈路造成影響，而OFDM采用多載波信道可以有效避免該問(wèn)題，同時(shí)某些子信道還可以采用糾錯(cuò)碼進(jìn)一步降低誤碼率，保證了能夠在多徑衰落的信道中進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)傳輸。目前，該調(diào)制技術(shù)在軍用和民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，OFDM技術(shù)已經(jīng)成為了歐洲數(shù)字音頻廣播和數(shù)字視頻廣播的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也成為了IEEE802.11和IEEE802.16的標(biāo)準(zhǔn)，在軍用方面美軍的聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無(wú)線電系統(tǒng)（JTRS）也采用該技術(shù)作為主要的調(diào)制手段來(lái)進(jìn)行通信。OFDM采用重疊的正交子載波作為子信道，提高了頻譜的利用率，也能夠方便控制上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。但是其對(duì)子載波要求嚴(yán)格正交，因此對(duì)相位十分敏感，細(xì)微的載波頻偏就可能對(duì)解調(diào)的結(jié)果造成影響。

5 總結(jié)

航空通信信道技術(shù)是進(jìn)一步提升信道利用率，抗干擾的重要手段，也是信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中的必備武器。本文介紹了天線的孔徑綜合方式，對(duì)目前航空通信中的信道編碼和調(diào)制方法進(jìn)行了分析，對(duì)實(shí)際工程中需要考慮的編碼增益、譯碼時(shí)間等指標(biāo)也分別進(jìn)行了討論，具有一定指導(dǎo)意義。目前航空通信領(lǐng)域也不斷在往智能化方向發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了利用深度學(xué)習(xí)卷積網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的編碼和調(diào)制手段，相信隨著技術(shù)的進(jìn)步和集成電路的發(fā)展，我國(guó)的航空通信事業(yè)將具有更多的可能性和創(chuàng)新性。

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