多通道甚高頻遙控通信系統分析

李 明

（中國民用航空飛行學院，四川 廣漢 618300）

0 引言

現階段甚高頻通信已成為民航地空通信的主要應用模式，用于圍繞航空器駕駛員、地空交通管制、地面服務保障等主體間提供語音通信功能，實現指令的實時傳遞，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的發展，甚高頻通信業務量也呈現出持續增加趨勢，對于多部電臺資源共享與分時使用提出現實要求。

1 甚高頻通信原理與設計需求

1.1 通信原理

甚高頻通信過程可劃分為兩個環節：其一是信號發射環節，通過內話系統將空管人員的語音信號傳遞至發射機，經調制、放大、變頻、過濾等流程轉化為電磁波，并利用天線進行發射；其二是信號接收環節，利用接收機天線實現對射頻信號的接收，經放大、變頻、解調等處理流程轉化為音頻信號，通過內話系統傳回管制端[1]。

1.2 設計需求分析

當前內話系統、衛星地面站、調壓器、信號發生器、甚高頻電臺、不間斷電源對于地空通信效果與穩定性均存在不同程度影響：由于甚高頻電臺從信號發生器處接收信號，諸如電臺覆蓋范圍、甚高頻接收機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量；當發射機或天饋系統存在性能缺陷或出現故障，將使控制端發出的信號質量受到影響；此外，諸如內話設備功能設置不當、衛星地面設備發生故障等因素，均會影響到甚高頻遙控系統的主體性能，對于相關設備的運行性能提出較高要求。

2 多通道甚高頻遙控通信系統設計

2.1 系統整體設計

2.1.1 硬件設計

本文基于MH/T 4001.1—2016《甚高頻地空通信地面系統 第1部分語音通信系統》等技術標準與航空管制實際需求，分模塊完成多通道甚高頻遙控通信系統的設計（系統結構如圖1所示）。該系統由中央控制機、甚高頻電臺、監控計算機、網絡交換機以及終端設備組成，其中中央控制機被劃分為以下4個模塊：其一是協議轉換模塊，采用C8051F120、CP2200兩種單片機分別承擔采樣、接口功能，圍繞甚高頻電臺與監控計算機間實現由REM總線協議向以太網協議的轉換；其二是語音交換模塊，利用C8051F120與CD22M3494分別承擔控制與交換功能，搭配74HCT245總線驅動器、74HC573數據鎖存器，用于提供語音通信通道，應通過減少共用元件數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線轉換、接口直連等功能，并通過分離元器件強化模塊安全保障。監控計算機主要用于調整系統配置，基于以太網協議建立與中控機、終端設備的連接功能，支持實時監控。終端設備模塊采用嵌入式ARM平臺，主要負責執行語音信號的收發，并針對系統發出的信令作出響應、實現控制功能，針對用戶終端設備、狀態信息及觸摸屏等實現遠程控制。

圖1 系統結構框

2.1.2 軟件設計

在系統軟件設計上，以硬件設計中的4個基本模塊為基準進行軟件設計與開發，其中協議轉換軟件主要用于實現電臺接口專有協議與以太網協議間的轉換，語音交換軟件用于控制矩陣開關執行具體動作，監控軟件用于實現對甚高頻電臺與終端運行狀態信息的實時獲取、調節系統內部參數配置，終端軟件用于將用戶發出的指令轉發給管制員、同時向雙方反饋甚高頻電臺各通道的具體情況。在Windows XP操作系統環境下運行軟件，采用嵌入式Linux方案進行功能模塊設計，并基于Qt Creator進行軟件開發，利用交叉編譯原理將ARM11架構下編譯好的程序文件移植在ARM架構下，為終端盒軟件提供運行環境。

2.2 監控系統程序設計

2.2.1 主程序設計

首先在主程序啟動流程設計上，依次完成主窗口和演示窗口的初始化，完成相關參數賦值及顯示，設計布局；通過修改數據完成網絡服務對象的設置，實現對協議轉換、語音交換等模塊的配置；接下來圍繞信號、槽間建立連接，等待用戶提交業務請求并作出響應；最后依據用戶發出的指令執行關閉操作，結束運行。其次在上層設備控制發送數據的流程設計上，操作人員點擊演示窗體功能的按鍵后觸發具體操作，在演示窗口處實現控制數據，并通過以太網將數據傳送給服務對象，完成數據控制與發送過程。最后在下層設備接收并顯示數據的流程設計上，待運行數據后判斷上層發送的UDP數據是否成功到達，服務對象接收UDP數據并記錄數據源的IP地址，經遍歷查找定位該IP地址的目標設備，判斷是否查找到該設備并完成數據模型的更新，隨后在演示窗口查看設備的指針是否指向數據模型并讀取其實時數據、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環境下的model-view架構建立對象模型，采用UML類圖進行關系描述，針對指定設備設計數據模型類，可在view類中表現出來，并且針對各數據模型類分別提供演示窗口類，用于實現數據模型的及時更新，優化用戶響應效果，更好地建立模型與用戶間的良好交互關系。在此基礎上，依據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、設備數據類、顯示窗口類、網絡驅動類、成員函數類、用戶操作窗口類以及QTime類，完成文件夾分類及類的設計。

2.2.3 類的設計與實現

其中在QWidgetWelcome類設計上，主要用于顯示系統界面的圖片，在操作人員進入程序后呈現出帶有中英文標注的“中國民用航空XX空中交通管理站”具體圖片；在QWidgetMonitor類設計上，主要用于顯示表格，當操作人員電機表格后即可跳轉至具體的子設備、顯示所需查看設備的信息；在QWidgetRadioGroup類設計上，主要用于顯示電臺組界面，供操作人員針對電臺運行狀態進行實時監控，并且在自動或手動操作模式下發出開、關等基礎性指令，控制電臺開關、更新電臺狀態；在QWidgetXu250a類設計上，主要用于顯示電臺的具體參數與狀態信息，通過調用網絡驅動命令向協議轉換模塊發送具體命令，并且實現對電臺狀態信息的實時更新與顯示，借助關聯命令與節點實現窗口布局；在QWidgetSwitch類設計上，主要用于顯示語音模塊的設備狀態數據，利用綠、黃、黑、白等不同顏色指示具體的狀態信息，供終端進行電臺選擇，并由用戶進行模型屬性的定義；在QWidgetTerminalGroup類設計上，主要用于顯示終端設備的狀態數據，便于向ARM終端發送具體的文本信息[3]。

2.3 用戶終端軟件設計

2.3.1 主機開發環境

采用Fedora操作系統作為主機開發環境，完成armlinux-gcc，Qt creater，tslib，Qt-Embedded的安裝，并在Qt creater的Option窗口下完成參數配置，尋找到對應程序，在Qt Versions界面完成安裝操作，建立主機開發的編譯環境。

2.3.2 終端軟件流程設計

終端軟件主要由通道狀態顯示、網絡狀態顯示、技術部門留言顯示與配置等功能模塊組成，控制終端設有6個操作按鈕，分別顯示具體的頻率數據。終端流程設計如圖2所示。

圖2 用戶終端軟件流程設計

當啟動終端軟件程序后進行構造函數的初始化、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；當定時器超時溢出后，執行定時器操作，判斷提出配置請求的次數是否超過10次，并請求上位機配置信息，隨后判斷最近兩次間隔電臺通道是否存在狀態更新，倘若無狀態更新則將6個電臺通道狀態設為錯誤狀態，接下來判斷是否收到切換板廣播狀態，完成通道狀態的更新；再判斷是否接收到上位機的配置信息，將所有通道關閉、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的文本信息，完成文本顯示框信息的更新；判斷是否點擊觸發電臺的通道，再依次判斷點擊哪一個電臺通道、電臺下一個狀態，向切換板發送切換命令、將該通道狀態進行切換，完成該通道狀態的更新；最后判斷是否可以結束程序，結束終端軟件程序的運行。

2.3.3 程序調試與下載

考慮到本文選用的開發環境具有跨平臺特點，基于Qt平臺以管理員身份進行程序調試，避免出現非法訪問程序的問題，并相繼完成對程序功能與交換機狀態的測試，待完成測試與功能配置后重新完成編譯過程，完成字體庫、類庫等模塊的設置。最后運行程序，利用計算機發送指令、完成測試，并將程序下載至開發板中。

3 系統性能測試與改進

3.1 系統測試

首先針對協議轉換模塊進行測試，從該模塊中引出串口線連接甚高頻電臺，選取直連網線分別與交換機、電源進行連接，判斷模塊在供電模式下是否處于正常運行狀態，觀察指示燈的明暗情況，倘若發現轉換模塊或Led燈狀態異常，則說明可能存在虛焊等問題，執行相應故障排查工作；隨后啟動上位機程序、為模塊供電，判斷網絡連接是否正常、單片機是否處于等待狀態、Led有無異常等，并判斷IPconfig是否配置正確IP地址，執行后續操作；接下來進行模塊重啟，重新輸入電臺IP判斷是否實現正確配置，觀察顯示界面是否呈現出電臺的狀態信息，并查看其響應情況；最后重復上述流程，判斷模塊運行狀態及穩定性、再現性等性能，執行相應故障排查工作，完成模塊測試[4]。

其次針對語音交換模塊進行測試，利用直連網線分別實現交換機、電臺、接口板、終端等設備的連接，判斷該模塊是否處于正常運行狀態，觀察Led燈的顯示情況，在出現異常狀態時，說明可能存在單片機虛焊、網線與RJ45頭異常連接等問題，并執行具體的故障排查與檢修工作；隨后重復協議轉換模塊的IP設置流程，判斷IP是否實現正常配置；接下來將該模塊進行重啟，在正確IP地址的條件下針對16個終端分別對應的電臺進行收聽發送配置，針對各通道連接狀態進行檢查，通過測試判斷能否正常接收到語音信號、有無雜音或串音；最后循環上述流程，針對模塊運行狀態與性能進行測試，完成模塊測試。

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

3.2 改進建議

考慮到甚高頻遙控通信業務的覆蓋高度限制在3 km內，倘若遇到山區等環境將增加DDN鏈路的接入難度，對于系統性能發揮構成影響，因此可采取以下改進方案：其一是在外部環境、氣候條件允許的情況下，可采用擴頻電臺進行數據傳遞，選用高級別鏈路進行信號傳輸；其二是增設備份鏈路，用于在主鏈路斷開后實現快速連接；其三是引入新的數據傳輸路由，利用多種接入設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的干擾因素，保障系統的安全可靠運行[5]。

4 結語

本文基于民航甚高頻通信業務需求設計了一種多通道甚高頻遙控通信系統，綜合運用電路交換、以太網、編程軟件與嵌入式開發模塊，針對系統軟硬件、監控軟件程序以及終端軟件設計思路進行分析，并分模塊進行系統整體測試。測試結果表明，該系統在人機界面友好性、可用性、功能實現效果、穩定性、整體性、抗干擾性以及安全性等方面均符合設計要求，能夠較好地滿足甚高頻通信業務需求。