超短波電臺(tái)透明轉(zhuǎn)發(fā)裝置設(shè)計(jì)

田華明，劉云飛，田沿平

（海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東青島 266041）

校波運(yùn)用實(shí)際的語(yǔ)音通話(huà)質(zhì)量來(lái)檢驗(yàn)無(wú)線電信號(hào)傳輸?shù)男Ч菍?duì)包括從信源、信號(hào)發(fā)送設(shè)備、信號(hào)傳輸路徑、電磁干擾、信號(hào)接收設(shè)備以及信宿全過(guò)程信號(hào)傳輸效果的完整檢驗(yàn)。飛機(jī)起飛之前，地面指揮塔臺(tái)和機(jī)載電臺(tái)之間必須進(jìn)行通信校波，以排除電臺(tái)設(shè)備、信號(hào)傳輸路徑以及外來(lái)干擾等各種相關(guān)因素對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響，確保對(duì)空通信的暢通。超短波是目前主要的對(duì)空通信手段，部分機(jī)場(chǎng)由于飛機(jī)停放位置的限制[1]，塔臺(tái)與飛機(jī)之間往往存在障礙物，而超短波通信存在的直線視距局限，會(huì)出現(xiàn)校波不能順利實(shí)施的情況。出現(xiàn)這種情況有兩種解決方案，一是將飛機(jī)牽引到視距范圍內(nèi)進(jìn)行校波，增加了飛行準(zhǔn)備的工作量，降低了校波的效率；二是通過(guò)在合適的地點(diǎn)配置一種轉(zhuǎn)發(fā)裝置，改變塔臺(tái)與機(jī)載電臺(tái)之間的信號(hào)傳輸路徑，在不改變電臺(tái)信號(hào)調(diào)制特性的情況下，實(shí)現(xiàn)塔臺(tái)與飛機(jī)之間信號(hào)的透明轉(zhuǎn)發(fā)，以此實(shí)現(xiàn)校波。這種方式，只需要改變轉(zhuǎn)發(fā)裝置天線的方向[2]，操作簡(jiǎn)便、校波效率高，是解決校波障礙物的有效方法。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 功能要求

電臺(tái)的透明轉(zhuǎn)發(fā)裝置需具備以下4 項(xiàng)功能：

1）透明轉(zhuǎn)發(fā)。在接收到信號(hào)源發(fā)來(lái)的信號(hào)后，除了進(jìn)行濾波、幅度調(diào)整外，不作調(diào)制特性、工作方式、工作頻率等其他任何處理，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的保真轉(zhuǎn)發(fā)。在飛行對(duì)空通信校波中，為了保障校波信號(hào)的真實(shí)性，超短波信號(hào)的調(diào)制特性不能發(fā)生改變，必須采用透明轉(zhuǎn)發(fā)；

2）自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)。透明轉(zhuǎn)發(fā)裝置作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的安裝設(shè)備，在完成安裝后需要具備自動(dòng)收發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)控制的功能，不需要工作人員的額外操作[3]；

3）雙向轉(zhuǎn)發(fā)。透明轉(zhuǎn)發(fā)裝置不僅要轉(zhuǎn)發(fā)塔臺(tái)至機(jī)載電臺(tái)方向的信號(hào)，也要轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)載電臺(tái)至塔臺(tái)方向的信號(hào)；

4）同步轉(zhuǎn)發(fā)。透明轉(zhuǎn)發(fā)裝置在接收到信號(hào)的同時(shí)，要立即將信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)出去[4]。

1.2 總體架構(gòu)

針對(duì)超短波視距通信的局限，透明轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 透明轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，在外場(chǎng)中如果塔臺(tái)和機(jī)庫(kù)之間存在地形的限制或者有高大的建筑物，就會(huì)使得超短波信號(hào)被遮擋隔斷，不能實(shí)現(xiàn)塔臺(tái)電臺(tái)與飛機(jī)電臺(tái)之間的信道直達(dá)，無(wú)法完成校波。通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)裝置能定向接收塔臺(tái)發(fā)射出來(lái)的信號(hào)，并將信號(hào)定向轉(zhuǎn)發(fā)給停機(jī)坪的飛機(jī)，所以該裝置相當(dāng)于將信號(hào)“拐了一個(gè)彎”[5]，或者說(shuō)提供了一條新的無(wú)遮擋的信號(hào)傳播信道，來(lái)實(shí)現(xiàn)通信。信號(hào)在“拐彎”的過(guò)程中，要保持頻率、調(diào)制方式、工作模式不變，實(shí)現(xiàn)透明轉(zhuǎn)發(fā)才能起到校波的作用。通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)裝置，避免了飛機(jī)的牽引工作，簡(jiǎn)化校波流程，提高飛行準(zhǔn)備的效率。為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的雙向轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)裝置由甲、乙兩部電臺(tái)組成。

2 轉(zhuǎn)發(fā)裝置設(shè)計(jì)

2.1 電路模型設(shè)計(jì)

根據(jù)功能要求，透明轉(zhuǎn)發(fā)裝置電路模型設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 透明轉(zhuǎn)發(fā)裝置電路模型設(shè)計(jì)

圖2 中，甲、乙兩部電臺(tái)分別構(gòu)成兩個(gè)獨(dú)立的收發(fā)通道，甲電臺(tái)收到指揮塔臺(tái)的信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波和射頻放大，一方面加到乙電臺(tái)的發(fā)射機(jī)電路，另一方面經(jīng)過(guò)接收機(jī)混頻后產(chǎn)生固定中頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)檢波得到一個(gè)直流控制信號(hào)，通過(guò)研制的轉(zhuǎn)發(fā)控制板自動(dòng)激發(fā)乙電臺(tái)處于發(fā)射狀態(tài)，將甲電臺(tái)收到的指揮塔臺(tái)的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給飛機(jī)。乙電臺(tái)接收飛機(jī)信號(hào)，轉(zhuǎn)發(fā)給指揮塔臺(tái)的過(guò)程與之相似。對(duì)于圖2 中的設(shè)計(jì)，需注意以下4 點(diǎn)：

1）圖2 中設(shè)置甲、乙兩部電臺(tái)，建立互不干擾的收發(fā)兩個(gè)通道，既能接收信號(hào)，也能發(fā)射信號(hào)，所以可以實(shí)現(xiàn)“雙向轉(zhuǎn)發(fā)”的功能[6]；

2）自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因此自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)的觸發(fā)信號(hào)一定要穩(wěn)定可靠。對(duì)于超外差體制電臺(tái)，中頻信號(hào)頻率固定、幅度穩(wěn)定，因此，該設(shè)計(jì)利用中頻信號(hào)的檢波電壓作為“自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)”的觸發(fā)信號(hào)[7]，提高了控制的可靠性；

3）從圖2 可以看出，在整個(gè)電路模型設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)不經(jīng)過(guò)電臺(tái)的調(diào)制解調(diào)電路，不改變調(diào)制特性，實(shí)現(xiàn)信號(hào)特性保真的“透明轉(zhuǎn)發(fā)”功能。

4）為了減少甲、乙兩部電臺(tái)之間收發(fā)信號(hào)的相互干擾，圖2 中的天線必須采用隔離度較好的定向天線[8]，通常隔離度應(yīng)在30 dB 以上。

從圖2 中可以看出，轉(zhuǎn)換控制板是實(shí)現(xiàn)“雙向轉(zhuǎn)發(fā)”和“自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)”的重要部件，包括收發(fā)控制電路和收發(fā)轉(zhuǎn)換電路兩個(gè)部分。

2.2 收發(fā)控制電路設(shè)計(jì)

收發(fā)控制電路采用中頻信號(hào)的檢波電壓作為觸發(fā)信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)甲、乙兩部電臺(tái)收發(fā)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，其電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示。電路中采用了檢波電路、直流隔離放大器N1和N2、兩個(gè)非門(mén)D1和D2以及一個(gè)與非門(mén)D3組成的觸發(fā)電路[9]。當(dāng)甲電臺(tái)接收到信號(hào)后，中頻信號(hào)通過(guò)峰值檢波器時(shí)，輸出一個(gè)直流電壓(0.3 V 左右)到乙電臺(tái)的發(fā)射機(jī)控制電路中，作為按鍵發(fā)話(huà)(Push-To-Talk，PTT)電平的觸發(fā)信號(hào)，使乙電臺(tái)從接收守候狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)射狀態(tài)，將甲電臺(tái)引接的射頻信號(hào)通過(guò)乙電臺(tái)的發(fā)射電路發(fā)射出去，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)。乙電臺(tái)收到信號(hào)再?gòu)募纂娕_(tái)轉(zhuǎn)發(fā)出去的過(guò)程則與之相反。電路中，甲直流電壓信號(hào)通過(guò)一個(gè)非門(mén)和與非門(mén)閉鎖甲發(fā)射電路，目的是當(dāng)甲、乙兩部電臺(tái)同時(shí)收到信號(hào)時(shí)，甲電臺(tái)收到的信號(hào)優(yōu)先從乙電臺(tái)的發(fā)射電路發(fā)射出去，滿(mǎn)足塔臺(tái)指揮信號(hào)優(yōu)先傳輸?shù)脑瓌t。

圖3 控制電路原理圖

2.3 收發(fā)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

由于電臺(tái)工作在半雙工狀態(tài)，因此，轉(zhuǎn)發(fā)裝置也應(yīng)工作在半雙工狀態(tài)，才能使發(fā)射和接收與電臺(tái)協(xié)同起來(lái)。在半雙工狀態(tài)，收發(fā)是不能同時(shí)進(jìn)行的，必須進(jìn)行收發(fā)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)，甲電臺(tái)PTT 收發(fā)轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖4 所示。

圖4 甲電臺(tái)PTT收發(fā)轉(zhuǎn)換電路原理圖

圖4 中，當(dāng)甲電臺(tái)接收到信號(hào)時(shí)，檢波后的直流控制信號(hào)通過(guò)D101和N101組成的電平轉(zhuǎn)換電路，N101集電極開(kāi)路門(mén)(OC 門(mén))開(kāi)啟，將超短波電臺(tái)的PTT 發(fā)射信號(hào)拉成低電平，并通過(guò)D102的單向控制送入乙電臺(tái)的電壓比較器N102中，N102輸出為低電平“0”，監(jiān)控單元的計(jì)算機(jī)檢測(cè)到“0”后，判斷PTT 信號(hào)處于低電平，觸發(fā)繼電器D103啟動(dòng)[10]，將功放到天線的路線導(dǎo)通，使乙電臺(tái)處于發(fā)射狀態(tài)，將來(lái)自甲電臺(tái)接收的信號(hào)發(fā)射出去，實(shí)現(xiàn)了圖2 中“甲電臺(tái)接收、乙電臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)”的過(guò)程。“乙電臺(tái)接收、甲電臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)”的過(guò)程與之相似。通過(guò)收發(fā)轉(zhuǎn)換電路，控制電路送來(lái)的直流檢波信號(hào)完成電臺(tái)收發(fā)狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

3 基于Proteus控制電路的仿真設(shè)計(jì)

仿真采用Proteus 電路元器件級(jí)仿真軟件。Proteus 的仿真界面可視化效果好、操作簡(jiǎn)便、元器件庫(kù)十分豐富，而且可以將仿真后的電路進(jìn)行封裝，設(shè)計(jì)印刷成PCB 電路板，直接用于產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期[11]。

3.1 建立仿真模型

根據(jù)前面講述的收發(fā)轉(zhuǎn)換控制原理和電臺(tái)中頻信號(hào)的特點(diǎn)，直接截取峰值檢波器上+0.3 V 的輸出電壓，使用Button 按鈕來(lái)控制是否接通。在Proteus仿真中，用LED 燈來(lái)觀察相應(yīng)發(fā)射支路是否導(dǎo)通，由于PTT 信號(hào)是低電平有效，所以在LED 燈前加了一個(gè)反相器[12]來(lái)方便觀察，即LED 燈亮則代表支路導(dǎo)通，燈滅則代表不導(dǎo)通，仿真模型如圖5 所示。

圖5 控制電路的Proteus仿真模型

3.2 仿真的過(guò)程及驗(yàn)證

根據(jù)半雙工工作機(jī)理和透明轉(zhuǎn)發(fā)的要求，對(duì)下列4 種情況進(jìn)行仿真。

1）甲、乙兩電臺(tái)無(wú)接收信號(hào)情況的仿真

當(dāng)甲、乙兩電臺(tái)均無(wú)接收信號(hào)時(shí)，甲、乙兩接收支路均無(wú)0.3 V 的直流檢波電壓，兩個(gè)LED 燈均處于熄滅狀態(tài)，表明兩發(fā)射支路均未導(dǎo)通，兩部電臺(tái)都不能進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)，即為圖5 所代表的初始狀態(tài)，符合設(shè)計(jì)要求。

2）甲電臺(tái)接收信號(hào)，乙電臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)情況的仿真

甲電臺(tái)接收信號(hào)時(shí)，甲接收支路的0.3 V 檢波電壓通過(guò)Button 按鈕加入到電路中，仿真設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6 所示。

圖6 中，U6(D)探針的顯示結(jié)果是SLO 低電平，U5(Q)探針的顯示結(jié)果是SHI 高電平，該結(jié)果表明乙電臺(tái)PTT 信號(hào)有效，而甲電臺(tái)無(wú)PTT 信號(hào)，所以乙發(fā)射支路導(dǎo)通LED 燈D3點(diǎn)亮[13]，將信號(hào)發(fā)射出去，甲電臺(tái)發(fā)射支路不導(dǎo)通，LED 燈D4不亮，符合“甲接收乙轉(zhuǎn)發(fā)”的設(shè)計(jì)要求。

圖6 甲電臺(tái)接收信號(hào)過(guò)程仿真

3）乙電臺(tái)接收信號(hào)，甲電臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)情況的仿真

乙電臺(tái)接收信號(hào)時(shí)，乙接收支路的0.3 V 檢波電壓通過(guò)Button 按鈕加入到電路中，仿真設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7 所示。

圖7 乙電臺(tái)接收信號(hào)過(guò)程仿真

圖7中U6(D)探針的顯示結(jié)果是SHI高電平，U5(Q)探針的顯示結(jié)果是SLO 低電平，該結(jié)果表明甲電臺(tái)PTT 信號(hào)有效，而乙電臺(tái)無(wú)PTT 信號(hào)，所以甲發(fā)射支路導(dǎo)通LED 燈D4點(diǎn)亮，即將信號(hào)發(fā)射出去，乙電臺(tái)發(fā)射支路不導(dǎo)通，LED 燈D3不亮，符合“乙接收甲轉(zhuǎn)發(fā)”設(shè)計(jì)要求。

4）兩電臺(tái)同時(shí)接收到信號(hào)，甲電臺(tái)信號(hào)優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)情況的仿真

優(yōu)先電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分是非門(mén)U3、U4和與非門(mén)U5的邏輯關(guān)系[14]。如圖8 所示，當(dāng)兩電臺(tái)同時(shí)接收到信號(hào)時(shí)，甲、乙接收支路的0.3 V 檢波電壓通過(guò)Button 按鈕加入到電路中，但由于U4對(duì)U5輸出邏輯信號(hào)的控制，乙發(fā)射支路導(dǎo)通LED 燈D3點(diǎn)亮，甲電臺(tái)發(fā)射支路不導(dǎo)通，LED 燈D4不亮，符合“甲電臺(tái)信號(hào)優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)”的設(shè)計(jì)要求。

圖8 兩電臺(tái)同時(shí)接收到信號(hào)過(guò)程仿真

通過(guò)以上仿真表明，控制電路的工作機(jī)理符合轉(zhuǎn)發(fā)工作流程的要求，為透明轉(zhuǎn)發(fā)裝置的研制提供了理論和實(shí)驗(yàn)支撐。

4 結(jié)束語(yǔ)

透明轉(zhuǎn)發(fā)就是要實(shí)現(xiàn)在不改變信號(hào)調(diào)制特性的情況下，通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)裝置的設(shè)計(jì)和定向天線的使用，改變信號(hào)的傳輸路徑，實(shí)現(xiàn)信號(hào)保真、可靠傳輸，提高信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量和效率。文中通過(guò)分析超短波電臺(tái)通信校波的需求和半雙工電臺(tái)的工作特點(diǎn)，對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)裝置的功能模型、工作流程和控制電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)[15]，采用Proteus 軟件對(duì)電路工作機(jī)理進(jìn)行仿真，能夠較好地實(shí)現(xiàn)透明轉(zhuǎn)發(fā)的要求，為透明轉(zhuǎn)發(fā)裝置的研發(fā)提供了理論和實(shí)驗(yàn)支撐。為了提高透明轉(zhuǎn)發(fā)裝置的使用效果，在機(jī)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)塔臺(tái)與機(jī)庫(kù)之間的地理位置和地形特點(diǎn)，合理選擇透明轉(zhuǎn)發(fā)裝置的安裝位置，適當(dāng)提高天線的高度，以避開(kāi)障礙物的影響。為了減少轉(zhuǎn)發(fā)裝置中兩部電臺(tái)之間的相互干擾，轉(zhuǎn)發(fā)裝置的天線應(yīng)當(dāng)采用隔離度較好的定向天線[16]。通過(guò)透明轉(zhuǎn)發(fā)裝置的設(shè)計(jì)，為部分凈空條件不好的機(jī)場(chǎng)提供通信校波的解決方案，減輕了機(jī)務(wù)人員的工作強(qiáng)度，提高了校波的效率。