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)場必需經(jīng)常進(jìn)行的工作。為了確保對空通信的質(zhì)量，飛機(jī)起飛之前，地面指揮塔臺和機(jī)載電臺之間都要進(jìn)行飛行校波，根據(jù)實(shí)際的語音通話效果來檢驗(yàn)電臺設(shè)備、傳輸路徑、電磁干擾等相關(guān)因素對信號質(zhì)量的影響。超短波是對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)塔臺與機(jī)庫、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)牽引到塔臺信號覆蓋的范圍內(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。因此克服障礙物的影響、提高校波的效率是亟待解決的問題。

1 轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

針對機(jī)場出現(xiàn)的障礙物遮擋的校波不暢問題，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)。在保持雙方電臺信號調(diào)制特性不變的前提下，通過改變信號的傳播方向，使塔臺電臺與機(jī)載電臺之間信號的雙向傳輸。該系統(tǒng)在轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，只改變來波的方向不改變信號的調(diào)制特性，保持電臺信號的調(diào)制一致性，實(shí)現(xiàn)校波的真實(shí)性和可靠性，這就是超短波電臺的透明轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)。

轉(zhuǎn)發(fā)是將接收到的無線、電子或光學(xué)信號進(jìn)行相關(guān)處理并重新發(fā)射出去的過程。通過轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了信道之間的連接，對傳播過程中損耗的信號進(jìn)行放大、重整或者重建，起到擴(kuò)展信號傳輸距離的作用。在轉(zhuǎn)發(fā)過程中也可以采用定向天線，改變信號的傳輸路徑，克服障礙物的遮擋或避開危險(xiǎn)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)信號的轉(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)是對信號只做放大外不做其他處理，而處理轉(zhuǎn)發(fā)是對信號進(jìn)行解調(diào)再生和格式轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)[1]。本文針對機(jī)場校波的需要，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)是在塔臺電臺和機(jī)載電臺之間雙向進(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，分別構(gòu)設(shè)兩個收發(fā)通道，滿足機(jī)場校波過程中半雙工工作特性。為了滿足信號不失真、不改變調(diào)制特性收發(fā)的要求，甲乙兩部電臺采用與機(jī)場塔臺電臺同體制電臺，為了信號收發(fā)過程中互不影響，甲乙電臺分別采用定向天線，收發(fā)過程受到轉(zhuǎn)發(fā)控制裝置的協(xié)同控制。

轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)信號工作流程為：當(dāng)塔臺發(fā)射信號，轉(zhuǎn)發(fā)裝置中甲電臺作為接收電臺，定向接收塔臺電臺的射頻信號，該射頻信號一路加到乙電臺的發(fā)射機(jī)電路，另一路通過甲電臺接收機(jī)產(chǎn)生與之相應(yīng)的中頻信號，經(jīng)過轉(zhuǎn)換控制板中的中頻檢測電路產(chǎn)生直流控制信號，激發(fā)乙電臺進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)，通過定向天線將從甲電臺接收機(jī)來的射頻信號轉(zhuǎn)發(fā)給飛機(jī)上的電臺。同理，當(dāng)飛機(jī)上電臺呼叫時(shí)，信號工作過程反向，完成了塔臺與飛機(jī)之間信號的雙向校波[2]。

1.3 功能要求

從圖1 的結(jié)構(gòu)和信號工作流程可以看出，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)。甲乙電臺接收到信號后不做作調(diào)制特性、工作方式等其他任何處理，直接送到對方電臺的發(fā)射機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，此時(shí)信號有放大但沒有調(diào)制特性的改變，實(shí)現(xiàn)信號的透明轉(zhuǎn)發(fā)。

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

（3）自動轉(zhuǎn)發(fā)。轉(zhuǎn)發(fā)控制裝置作為一個相對獨(dú)立的安裝設(shè)備，具備自動收發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)控制功能，不需要塔臺和機(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)塔臺至機(jī)載電臺方向的信號，也要能轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)載電臺至塔臺方向的信號。

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、轉(zhuǎn)發(fā)控制裝置、乙電臺3 個部分組成。信號的接收和發(fā)射仍采用甲乙電臺的收發(fā)通道，以保持信號傳輸過程中的調(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)。“轉(zhuǎn)發(fā)控制裝置”是根據(jù)信號轉(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 個部分。電臺為貨架產(chǎn)品，下面對新研發(fā)的“轉(zhuǎn)發(fā)控制裝置”中3 個主要電路進(jìn)行分析。

2.2 中頻峰值檢波電路

中頻檢測電路如圖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。

圖3 中頻峰值檢波電路的設(shè)計(jì)

中頻信號是電臺中幅度穩(wěn)定、幅頻特性較好的信號，用作轉(zhuǎn)換裝置的觸發(fā)信號能夠提高系統(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

在電臺中，收發(fā)控制信號PTT 為低電平時(shí)，電臺處于發(fā)射狀態(tài)，PTT 為高電平時(shí)，電臺處于接收狀態(tài)，因此收發(fā)控制電路通過繼電器控制PTT 電平從而控制甲乙兩電臺進(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)行檢波電路與電臺的PTT 信號之間的電平轉(zhuǎn)換[5]。在圖2 中，甲電臺收到信號后，N1輸出高電平，T1工作，PTT2為低電平，使得乙電臺處于發(fā)射狀態(tài)，將甲電臺接收過來的射頻信號經(jīng)過乙電臺發(fā)射電路的信號放大處理之后，通過乙電臺的重發(fā)天線透明轉(zhuǎn)發(fā)出去，同時(shí)通過繼電器T3工作，使得開關(guān)K2斷開，切斷當(dāng)乙電臺接收到的射頻信號傳輸途徑。當(dāng)乙電臺收到信號（此時(shí)甲電臺無接收信號）后，N2輸出高電平，繼電器T2工作，PTT1為低電平，使得甲電臺處于發(fā)射狀態(tài)，將乙電臺接收的射頻信號經(jīng)過甲電臺發(fā)射電路的信號放大處理之后，通過甲電臺轉(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K2的控制，實(shí)現(xiàn)雙向轉(zhuǎn)發(fā)過程中，甲電臺信號優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)的功能，符合塔臺優(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，電臺是貨架產(chǎn)品，工作性能穩(wěn)定，需要對轉(zhuǎn)發(fā)控制裝置的工作特性進(jìn)行仿真，來驗(yàn)證電路工作的可靠性。針對設(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 個示波器顯示，其中示波器XSC1 顯示的是甲電臺接收機(jī)中頻輸入和輸出峰值檢波電路的信號，示波器XSC2 顯示的是乙電臺發(fā)射支路信號，示波器XSC3 顯示的是乙電臺接收機(jī)中頻輸入和輸出峰值檢波電路的信號，示波器XSC4 顯示的是甲電臺發(fā)射支路的信號。

3.2 信號源的設(shè)計(jì)

仿真設(shè)計(jì)中，信號源模擬電臺接收機(jī)產(chǎn)生的中頻信號，因此采用AM 調(diào)幅波發(fā)生器，產(chǎn)生一個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，來模擬電臺經(jīng)過混頻器之后產(chǎn)生的中頻調(diào)幅信號[6]。信號源的模型如圖5 所示，波形如圖6 所示。

圖5 模擬信號源模型

圖6 模擬信號源輸出波形

3.3 仿真過程和結(jié)果分析

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

對“塔臺發(fā)射、飛機(jī)接收”的情況進(jìn)行仿真。由于是塔臺發(fā)射校波信號，從圖1 可以看出，甲電臺應(yīng)接收到塔臺的信號，圖2 中混頻放大器有中頻信號輸出，因此圖4仿真電路中信號源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 顯示的甲電臺有接收機(jī)中頻和峰值檢波電路的信號輸出，XSC2 顯示的是乙電臺發(fā)射給飛機(jī)信號，而XSC3 與XSC4 無信號，符合塔臺發(fā)射、飛機(jī)接收的信號流程。

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

通過分析特定環(huán)境下超短波電臺通信校波的需求，根據(jù)現(xiàn)役半雙工電臺的特點(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)超短波信號保真、可靠傳輸，提高機(jī)場校波的質(zhì)量和效率，且并不改變信號調(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)的過程中，要根據(jù)機(jī)庫與塔臺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，為超短波信號提供中繼放大作用，進(jìn)一步拓展超短波通信保障范圍。