空中中繼通信關鍵技術淺議

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、地形復雜，衛星資源極其匱乏，并且戰時易受干擾，現有通信手段很難滿足跨越丘陵、山區等障礙，實現大范圍通信的需求。現有的地面設備可以通過空中中繼轉發系統變阻擋傳輸為視距傳輸，并且覆蓋的通信范圍大，可實現跨越復雜地形和遠距離通信，支持機動性強的大范圍、復雜地形和延伸環境的操作，能夠大大提高通信能力和協同能力，實現快速高效的指揮控制能力。空中中繼系統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，空中中繼系統就要實現輕型化、小型化。

2 主要功能和組成

空中中繼通信系統主要通過空中交換和轉發實現信息的越障、遠距離無線傳輸。空中中繼通信設備能夠工作于多頻段，應具有多種制式調制解調和多種幀結構，使本系統能夠與現有的多數通信設備進行互通，具有很強的生存能力。通過靈活運用空中轉發設備，配以綜合交換設備，可實現固定網和機動網之間，機動網和機動網之間的網間互通。通過小型化和電磁兼容設計，實現多信道模塊共用平臺，完成多頻段、多通道的超視距、覆蓋較大作戰地區的通信。空中轉發系統是利用直升機、無人機等作為空中中繼轉發平臺，通過搭載轉發設備，完成空中轉發和空中信息交換，實現越障和超視距通信。其組成示意圖如圖1所示。

圖1 系統組成示意圖

3 系統工作原理

天線接收的地面設備信號經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。再經濾波放大送入解調器，完成多種波形的解調等數字處理，解調出的信號進行基帶處理，然后經過接口變換將信號送給交換模塊。發送端由交換模塊送來的信號經接口變換后再進行基帶處理，然后經調制器后進行混頻。混頻輸出的射頻信號經變頻濾波器，再經功率放大器放大，由濾波器濾除帶外雜散干擾后，經天線輸出，系統原理框圖如圖2所示。

圖2 系統再生轉發原理框圖

交換模塊從基帶處理單元提取經無線ATM信元，然后把ATM無線信元轉換為標準信元，將標準信元經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QoS及流量控制單元送給各個端口。轉發方式可分為3種方式，即再生轉發、中頻轉發和射頻轉發。再生轉發方式可上、下業務[2]，使用方便，并且還可克服傳輸中的噪聲積累。非再生轉發雖然沒有這些優點，但設備簡單、耗電量低。工作中根據信道特性和具體業務情況任選一種轉發方式。

4 系統特點和關鍵技術

4.1 系統特點

整個系統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：系統工作頻段包括多個頻段，2～8個頻道。轉發模塊的射頻和中頻共用的部分包括多種頻段的模塊，各模塊的接口和結構尺寸完全相同。各個模塊可以互換。不同的升空平臺，其載荷能力不同，可以承載不同的設備模塊數量和種類，通信容量和覆蓋范圍就會不同；

③通用基帶處理平臺：為了適應多種信號波形，采用通用基帶處理平臺，實現多制式全數字調制/解調和基帶信號處理。對于再生轉發，可根據需求，對典型波形，提供波形參數，即可對信號進行解調和基帶處理，實現與現有設備的互連互通。

4.2 關鍵技術

(1)設備的輕型化、小型化設計

空中平臺對裝載設備的體積、重量和功耗嚴格受限，設備能否裝載于空中平臺，決定于設備能否實現小型化，從而決定了系統能否實現信號的空中轉發和遠距離傳輸。在設備小型化、低功耗設計方面，低頻部分，盡量選擇標準化、低功耗、表貼封裝、溫度范圍廣的大規模集成電路，優化和簡化各種電路設計和軟件設計，減小電流消耗；高頻部分，發信單元采用射頻調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。多芯片組裝 (Multi-Chip Module,MCM)是將多個大規模集成電路LSI超大規模集成電路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成能完成多功能、高性能的電子部件、整機、子系統乃至系統所需功能的一種新型微電子組件。近年來，MCM受到各經濟發達國家高度重視并千方百計加速發展，主要在于它有一系列優點，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小型化的需要。微機電系統（MEMS）技術是在半導體上制作微帶電路[4]，實現射頻開關、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，安裝設備復雜繁多，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計，包括安裝、供電、載重等，尤其要進行電磁兼容性設計[5]，使系統在工作時不產生超標的電磁干擾，避免對其它設備或系統造成干擾，也避免其它設備對本系統造成干擾，否則系統將無法工作。影響系統內的電磁兼容性的主要因素是禍合。禍合方式有導線間的電感、電容、電場及磁場禍合，還有系統內公共阻抗禍合及天線與天線之間的禍合。另外，本系統除了在平臺上安裝了交換模塊和轉發模塊外，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生感應和二次輻射，從而改變天線的收發電磁特性，并進一步影響電子設備的各項性能指標，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，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，合理設計，合理優化天線的分布位置，降低和消除人為的和自然的電磁干擾，提高設備和系統的抗電磁干擾能力，保證設備和系統功能的正常工作。

(3)采用基帶處理平臺，實現多種傳輸體制、多種速率的有效傳輸

采用模擬器件進行調制解調器設計，幾乎不可能實現多速率和多制式的兼容，更不能根據用戶提供的波形進行現場配置。采用軟件化設計的調制解調器，將整個基帶處理部分通過全數字方法實現，能使收發濾波器幾乎理想匹配，提高系統性能。軟件化調制解調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可任意設置，支持連續和突發等多種模式等優點，具有通用化、綜合化、智能化等特點。多制式調制解調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完成其功能。

對于調制器，由于要兼容多種速率，因此采用任意時鐘來產生FPGA的工作時鐘。對于解調器，中頻信號經帶通濾波、放大處理，經變頻后送入A/D，將模擬信號變換為數字信號送入FPGA，FPGA完成數字解調，為了兼容多種速率，整個解調采用同步采樣技術，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，經數字濾波后，同DDS的頻率控制字一同相加，去調整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，進而使各單元的設計更加的靈活，甚至打破原有器件和電路的設計局限，以一個全新的方式、方法進行電路設計。FPGA編譯軟件功能的增強，使其程序設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試、仿真，在程序編制階段就可以發現并解決其中的錯誤和不足；在FPGA使用中，可以設置觀察信號，隨時對其軟件的運行進行監測；對于日后發現程序錯誤和缺陷，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對程序的升級和維護。至此，FPGA的應用已不再是對以前電路的數字化，而是具備了軟件的種種特征，成為軟件無線電的一種實現形式。

5 結束語

空中中繼通信系統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。空中轉發設備布置機動靈活、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地面視距局限，它成為解決當前復雜地形通信瓶頸問題的一種有效手段，在未來的通信中發揮重要作用。

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

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

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

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

[5]童志義.MEMS封裝技術及設備電子工業專用設備[J].2010（9）：1-8.

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