機載實況攝錄傳輸系統(tǒng)中微波傳輸特性分析與研究*

(91388部隊94分隊 湛江 524022)

機載實況攝錄傳輸系統(tǒng)中微波傳輸特性分析與研究*

喬文長許偉

(91388部隊94分隊 湛江 524022)

論文主要對機載實況傳輸系統(tǒng)的信道特性進(jìn)行分析和研究,介紹了海面對微波傳輸特性的影響,能夠更好地規(guī)范直升機與作戰(zhàn)指揮船之間的位置,保障試驗的音視頻數(shù)據(jù)實時的、不間斷的傳輸,從而滿足海上試驗和作戰(zhàn)演練的需求。

信道特性;微波傳輸;機載實況傳輸

ClassNumberTN925

1 引言

隨著社會發(fā)展的日新月異,人們在日常生活和工作中信息的傳輸越來越頻繁,在生產(chǎn)和試驗中對信息傳輸?shù)囊笤絹碓礁摺Ｎ⒉ㄍㄐ攀?0世紀(jì)50年代的產(chǎn)物,由于其通信容量大投資費用省,建設(shè)速度快,抗災(zāi)能力強而取得迅猛發(fā)展。微波通信傳輸頻帶較寬[1],性能較為穩(wěn)定,使得“遠(yuǎn)距離”和“大容量”音視頻數(shù)據(jù)的實時傳輸成為現(xiàn)實。機載實況攝錄傳輸系統(tǒng),其微波通信采用中波,因為繞射能力強,廣泛適用海上通信。

2 機載實況攝錄傳輸系統(tǒng)中的微波傳輸

2.1 微波的定義

所謂微波是指波長約從1m～1mm,相應(yīng)頻率約從300MHz～300KMHz的電磁波。這段電磁波普包括分米波、厘米波和毫米波等波段[2]。以上關(guān)于微波的波長或頻譜范圍,是一種傳統(tǒng)上的約定。從現(xiàn)代微波技術(shù)的發(fā)展來看,一般認(rèn)為短于1mm的電磁波即亞毫米波屬于微波范疇,而且是現(xiàn)代微波研究的一個重要領(lǐng)域。

2.2 微波的特點

1)頻帶寬,通信容量大,多波道同時工作互不影響。由于微波波段包括分米波、厘米波、毫米波,它們的帶寬為27GHz是長波、中波、短波的1000倍[3]。頻帶越寬通信容量越大。

2)天線尺寸較小,輻射范圍廣。機載實況和攝錄系統(tǒng)采用俯向全向天線,發(fā)射天線在直升機上向下全面發(fā)射,方便接收天線的接受。抗干擾強,噪聲不積累。

3)由于在微波線路中采用可對數(shù)字信號進(jìn)行處理的再生中繼器[4],因此線路噪聲不會因為距離的增加而積累,提高了抗干擾能力。而模擬微波通信線路噪聲則是積累的。

4)保密性強。采用偽隨機碼對輸入的信息進(jìn)行擴(kuò)展頻譜編碼處理,然后在某個載頻進(jìn)行調(diào)制以便傳輸。

5)設(shè)備集成度高,體積小,功耗低,由于采用大規(guī)模集成電路。

6)通信靈活,投資少,建設(shè)快。屬于一次性投資,可以多次反復(fù)使用。無論在商業(yè)還是海上試驗,架設(shè)十分方便,通信效率高,架設(shè)數(shù)字微波傳輸途徑所需要的時間較短,受地形和障礙物體影響較小。

2.3 微波視頻傳輸?shù)膽?yīng)用

在機載實況攝錄系統(tǒng)中,編解碼及無線傳輸系統(tǒng)將信號采集子系統(tǒng)送來的音視頻視頻信號進(jìn)行編碼、加密、調(diào)制、變頻、放大發(fā)射出去,傳遞給船載指揮系統(tǒng);船載接收系統(tǒng)對接收到的音視頻信號進(jìn)行解調(diào)、解碼、輸出,傳輸給硬盤錄像機和其它系統(tǒng)使用。

3 天饋系統(tǒng)建設(shè)

根據(jù)天線水平面方向性的不同,可以分為全向天線和定向天線(天線在垂直方向一定具有方向性),全向天線的最大增益一般無法做得很大,但是在安裝的時候不需要考慮兩端天線安裝角的問題,安裝起來比較方便,適合于距離要求不高的環(huán)境;而定向天線可以將增益做得很高,一般的方向性越尖銳的天線增益就越高,信號的傳輸距離就越遠(yuǎn),但是方向性過于尖銳的天線在安裝和調(diào)整的難度就越大,兩邊的天線必須對準(zhǔn)才能保證信號的傳輸;適合于距離要求比較高的環(huán)境。根據(jù)該系統(tǒng)傳輸?shù)奶攸c:支持高速移動,傳輸距離屬于中遠(yuǎn)距離,機載天線和船載天線均采用全向天線,其中接收部分采用空間分集接收系統(tǒng),即使用雙天線接收。

4 微波在海上的傳播特性

由于海面是一個平坦的開闊空間,沒有諸如陸地上的建筑物、山體等影響電波的傳播,因此在接收點收到的電波主要是由直達(dá)波和海面反射波合成的。所以在討論電波在海上的傳播時主要考慮兩方面的因素。1)自由空間損耗;2)多徑傳播的影響。對于全向發(fā)射天線而言,自由空間損耗就是球面擴(kuò)散所引起的損耗。無線電波的自由空間損耗為[5]

Lfs=(4πd/λ)2/GcGm

(1)

其中:Lfs指傳播損耗,λ為電波的波長,Gc、Gm分別是基站和移動臺的天線的增益。假定Gc=Gm=1,用分貝表示則有[6]:

Lfs,dB=20log(4πd)-20log(λ)

=32.4+20log(fMHz)+20log(dKm)

(2)

式中:d為發(fā)射天線到接收天線的距離,單位m;dkm為發(fā)射天線到接收天線的距離,單位km;λ為無線電波的波長,單位m;fMHz為無線電波的頻率,單位MHz。

由于海平面是一個相對比較平的平面,反射波的影響相對于其它諸如散射波就要大得多。因此接收點收到的信號可以看成是直達(dá)波和反射波的矢量和,接收點的電場強度為[7]

(3)

其中:Pc是基站的發(fā)射功率,Gc為基站天線的增益,d為基站到接收點的距離。該式中還含有兩個未知數(shù):R和Δd。

R為反射系數(shù),它與接地角,電場的極化方向,介電常數(shù),地表特性和發(fā)射頻率有關(guān)。對于垂直極化的天線而言,R可表示為[8]

(4)

(5)

式(5)中的ε′、σ是與地表特性有關(guān)的常數(shù),對于海水介質(zhì),兩者的典型取值是:ε′=81,σ=5.0。

Δd為反射路徑和直達(dá)路徑的差。

(6)

(7)

dc、dm分別是發(fā)射天線和接收天線到折射點的距離。hc、hm分別是發(fā)射天線和接收天線的高度,K是考慮了地球表面的彎曲和空氣折射的影響后取常數(shù)4/3。

當(dāng)入射角較小時,可以認(rèn)為R=1(完全反射),θ=π。于是,由于直達(dá)波和反射波在接收點的干涉疊加,接收點的場強為[9]

(8)

于是可得接收點收到的功率為

(9)

根據(jù)式(4)～(9),我們對頻率為2.41GHz的微波在海面上的傳播特性作了計算機仿真,仿真是在不同的發(fā)射和接收天線高度的條件下作的,圖1給出了在不同的發(fā)射/接收高度條件下,接收天線收到的功率(dBm)和發(fā)射/接收天線的距離曲線。圖中H表示發(fā)射的天線高度,h表示接收天線的高度。

圖1 接收功率與距離的關(guān)系曲線

圖2 直達(dá)波與反射波的相位差與距離的關(guān)系

圖1和圖2的仿真參數(shù)是:發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射功率為0.5W,發(fā)射/接收天線的增益都為3dBm。由信號檢測理論可以知道,只有當(dāng)接收點的功率大于擴(kuò)頻電臺的檢測域時電臺才能正常工作。從擴(kuò)頻電臺的基本特性中我們知道[10],在BER=10-6時,電臺的接收靈敏度為-92dBm。如果將發(fā)射和接收天線的增益考慮進(jìn)去,則當(dāng)下式成立時,電臺能夠正常工作。

Rp,dBm+GT+GR≥-92

(10)

式(10)中,Rp,dBm為接收功率(dBm)。GT、GR分別為發(fā)射/接收天線的增益(dBm)。根據(jù)所選用的天線和式(10)以及圖1就可以預(yù)估出發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)能夠正常通信的距離了。例如假設(shè)發(fā)射和接收都是用增益為3dBm的全向天線,則由式(10)可以知道當(dāng)Rp,dBm≥-98dBm時電臺能夠正常工作,于是從圖1可以查出在H=27m,h=4.5m時發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)能夠正常通信的距離大約是15.6Km。對比圖1和圖2可以看出,在直達(dá)波與反射波的相位差為180°時,接收點的信號深度衰落。

5 結(jié)語

微波技術(shù)在電視、廣播、通信等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。機載實況攝錄系統(tǒng)充分利用微波的優(yōu)點,將實時采集的音視頻信號進(jìn)行高速移動的傳輸和存貯。本文把海平面看成一個開闊的平坦空間,以直達(dá)波和一個反射波的矢量合成作為接收點進(jìn)行分析和研究,為該系統(tǒng)更好地服務(wù)于生產(chǎn)和海上試驗奠定了基礎(chǔ)。

[1]祁玉生,邵世祥.現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)[M].北京:人民郵電出版社,1997:18-23.

[2]郭經(jīng)紅.第三代數(shù)字移動通信系統(tǒng)及其比較[J].電子技術(shù),2000:23-26.

[3]丁美玉,高西全.數(shù)字信號處理(第三版)學(xué)習(xí)指導(dǎo)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2009:110-119.

[4]吳偉陵.移動通信中的關(guān)鍵技術(shù)[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2000:56-78.

[5]杜志敏,薛強,周勝,等.WCDMA中兩種天線閉環(huán)發(fā)分集模式的性能分析[J].電子學(xué)報,2000,28(11A).

[6]吳啟暉,王金龍.軟件無線電在第三代移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用與新進(jìn)展[J].電信科學(xué),16(17):25-28.

[7]陳金岳,黃丹云.基于同步碼分多址技術(shù)的第三代移動通信系統(tǒng)[J].電信科學(xué),15(6):45-47.

[8]Fumiyuki A. Wideband DS-CDMA for next-generation mobile communication system[J]. IEEE Com Mag,1998(9):56-59.

[9]Steve D. The CDMA2000 ITU-1998 RTT Candidate Submission (0.18)[J]. ITA,1998:80-86.

[10]Swales S C. The performance enhancement of multi-beam adaptive base-station for cellar land mobile radio system[J]. IEEE Trans on VT,1990,39(2):56-57.

MicrowaveTransmissionCharacteristicsinAirborneLiveVideoRecordingTransmissionSystem

QIAN Wenchang XU Wei

(Unit 94, No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524022)

The channel characteristics in airborne live video recording transmission system are mainly researched. The influence of the sea on microwave transmission. It can better regulate the helicopter and command a ship’s postion to ensure transmission the audio and video data uninterrupted and real time and meet the requirements of sea trials and combat drills.

channel characteristics, microwave transmission, airborne live video recording transmission system

2013年11月12日,

:2013年12月23日

喬文長,男,助理工程師,研究方向:通信和信息聲像。

TN925DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.05.018