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第$章航空通信$#!航空通信概述$#!#!用途和特点通信旨在将信息从发信者&信源’传输给另一时空点的收信者&信宿’!通信系统系指实现这一信息交换过程的全部设备和传输媒质的总和航空通信!顾名思义是与航空相关的通信!泛指所有用于航空器运营中的一切信息的传递交换主要涉及航空器与地面的空地通信#航空器之间的空空通信#航空器与水面舰船8水中潜艇的空海通信!也涵盖地面场站之间的地地通信或地面8空中与空间的卫星通信常规航空通信主要使用;XY;射频无线信道!通信双方相对高速运动的影响远甚于普通地面个人移动通信!其应用环境的气候8电磁状况相当恶劣因此对采用的通信技术#通信设备都有很高要求与其他通信系统一样!航空通信追求的目标是(最大的传递信息量!最高的频谱利用率&占用最小带宽’!最小的发射功率!最强的信道抗扰能力!最低的能耗和成本$#!#$发展历史航空通信是紧随着常规通信技术的发展而展开的!以往多是将地面的通信方式移植到航空器上!并根据航空的特殊使用环境条件进行适应性改进但也不乏因航空的特殊应用而开发出的全新通信技术航空通信首先是从空地通信开始的早期曾使用过的原始方式有灯光#旗帜#标记!甚至篝火后来使用了莫尔斯码电报!这要求配备专门的收发报员!对于载荷#空间宝贵且经常机动摇晃的航空器来说不是好的选择直到把调幅体制话音无线电电台搬上飞机!才真正开启了可靠实用的空地通信!成了必不可少的机载设备!并一直沿用至今之后的不断改进有提高话音质量的调频电台#节省频谱资源高效率的单边带调幅电台#超视距远程传输的短波;电台等!多局限于模拟电子技术范畴随着数字信号处理技术的突飞猛进和计算机#网络技术的爆炸式发展!航空电台正迅速朝数字化#高阶调制#多模式多波段#嵌入式计算机实时操控#自适应通信协议#多接口多接入方式的方向演变!并逐步成为陆海空天综合通信网络中的一个节点和用户终端$#!#%通信类别按信源信宿的位置可分为空地#空海#空空#空天#地地通信按传递信息种类可分为话音#数据通信话音是航空器必备的基本通信手段!数据通信包括文字#图像#视频流#多媒体多样信息!适应实现日益剧增信息交换的生成#发射#接收#存储#管理的自动化按信息传输介质可分为有线#无线通信有线方式可用于航空器内部机载设备之间的信息交换!无线方式是航空器对外的必备通信手段按信息传递距离可分为局域近距#视距远距#超视距远程#全球卫星通信按工作频率可分为短波&高频;’#超短波&甚高频Y8:;’#微波&V808?8W8a波段’#激光通信其中高频&;’覆盖6X6ID;T频段!通过地面与电离层之间反射的天波和贴地前行的地波传播!主要优点是能够提供视线以外的通信能力但受到气候变化的影响很大甚高频&Y8:;’覆盖9IIX9IIID;T频段!具有直线传播特点!信道稳定微波覆盖9X7I’;T频段!通信容量大!易于设备小型化!可用于航空器内部局域无线组网或外部视距通信激光通信带宽最大!保密性好!抗电磁干扰能力强!发射窄波束的非扩散性是实现深空通信的唯一选择$#!#&组成和原理航空通信系统与其他通信系统一样!由信源#变换器#信道#噪声与干扰源#反变换器#信宿2部分组成一对信源和信宿之间仅提供单向信息传递!如图5[9和图5[5所示需另有一套相同系统传递反向信息才构成双向系统图5[9G典型模拟单向通信系统模型图5[5G典型数字单向通信过程航空通信系统一般供多用户使用!可以是点对点#也可是点对多点通信常采用11&O4c[1,[1*K.’方式激活接入!这样有益于发话者周围的用户都能收听到信息5$第5章G航空通信$#$航空通信新技术航空通信追求占用消耗最少的资源实现最多或最快信息的准确传递交换!与之相关的新兴技术正是围绕该目的针对整个通信链路的各个环节挖潜创新展开研发它们都建立在数字技术基础之上!并充分受益于计算机及自动化技术!涉及信源信道编码调制#终端处理软件化#互联网络化#异构网络融合智能化#多收发天线D!DE技术#超宽带8超窄带技术等下面做概述性介绍$#$#!数字技术数字电子电路技术出现至今已半个多世纪!概念虽然不新!但却是通信技术迅猛发展的奠基石数字通信与模拟通信的本质区别在于!前者以统计判决理论为基础!以码元或码字错误率来度量其信息传递质量%后者以参量估计为理论基础!其信息传递质量以输入和输出波形之间的方均误差或输出信噪比来度量数字电台通过无线信道传递比特形式的信息数字调制将比特映射为模拟波形后经过无线信道传输!而解调则是根据信道输出的信号估计发送的比特序列数字信号处理技术和相应硬件#软件技术的发展使得当前数字电台比模拟电台更廉价#速度更快#频谱效率更高#纠错抗扰能力更强#多址接入更高效#安全保密性更好利用数字技术很容易实现多电平高阶调制!如5U2QFD!极大地提高了频谱使用效率!减小占用频率带宽!这是模拟技术所不可想象#难以达到的当然多电平高阶调制对应着大而密集的星座图!使接收易受噪声#衰落#硬件缺陷等的影响!实际设计时需综合考虑相关因素数字技术的发展和成熟才使下面的各种通信新技术成为可能$#$#$嵌入式数字处理器数字计算机的迅猛发展和普及!使通信设备广泛采用嵌入式数字计算机实时处理控制技术成为可能嵌入式数字处理器由通用?演变而来!只保留与实时应用紧密相关的功能硬件!去除其他无关和冗余功能部分!其?:#存储#接口等核心部分装配在专门设计的芯片上!具有较好的气候8电磁环境适应性和可靠性!以较低功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求硬件平台从早期兆赫兹速率?:#千字节容量AFD8AED的S位单片机!到今天的吉赫兹速率多核并行处理?:#吉字节AFD8AED和1字节海量存储容量的嵌入式实时处理器0,?&0R4&$N,(?c+_’系统%从通用数字信号处理器&@0’到大规模专用集成电路器件&F0!?’!再到功能灵活软硬件结合的现场可编程逻辑门电路阵列&’F#V@’等器件应用领域从广泛通用的数据采集#自动控制到专门复杂的数字信号运算处理!并继续快速扩张$#$#%软件无线电传统的模拟体制航空电台基于硬件#面向用途#功能单一#灵活性差!一般由若干特定功能的硬件电路模块组合而成典型接收通道模块功能有A前端#下变频#中放滤波#解7%现代通信新技术第6版调#信道解码#信源解码%典型发射通道模块功能有信源编码#信道编码#调制#上变频#功放滤波软件无线电以数字电子电路技术和数字信号处理技术为基础!以通用#标准的硬件平台为依托!采用可选软件配置改变硬件的配置架构!运行不同软件实现电台各种功能软件无线电力求最小化模拟硬件环节!把数字化处理&F[@和@[F转换’尽量前移靠近天线!把许多原本由硬件完成的功能现改由选择软件配置来实现软件无线电电台主要有天线#模拟射频前端#F[@8@[F#数字信号处理几大部分!见图5[6射频前端一般覆盖;X:;甚至V808?波段!发射时主要实现上变频#滤波#功放等功能!接收时主要完成滤波#放大#下变频等任务其中宽带#线性#高效是关键和难点F[@8@[F转换既要有足够高的带宽!以适应频率高达吉赫兹的模拟信号的数字化%又要有足够的速率和转换位数!以适应9II^H以上的幅度变换数字信号处理包括数字上8下变频#调制解调#各种抗干扰8衰落自适应均衡算法#检错纠错#帧调整8位填充#信源8信道编码#加密等功能一般由通用数字处理器&@0’和可编程逻辑器件&’F’或专用集成电路&F0!?’的组合来实现这两类器件各有优点!’F8F0!?相对高速#实时性好%@0则相对灵活#便于重构图5[6G软件无线电结构框图软件无线电的基本架构按对F[@8@[F器件性能要求的高低分为三种(射频低通采样结构&见图5[7’#射频带通采样结构&见图5[U’#宽带中频带通采样结构&见图5[2’它们对应着对模拟信号数字化的低通和带通采样的三种方法软件无线电也基本按这三个层次基本架构逐步发展提高随着数字化及其处理器件F[@8@[F#@0#’F8F0!?的性能提升!模拟电台从信源模块向天线逐步数字化演变成为可能首先中频以下数字化得以实现!基带信号在数字域处理!形成所谓的模数混合电台随后是中频部分的数字化!并不断向天线端上移!最终必将实现除天线外全数字化的软件无线电电台图5[7G射频低通采样软件无线电结构!%第5章G航空通信图5[UG射频带通采样软件无线电结构图5[2G宽带中频带通采样结构$#$#&自适应收发技术航空通信一般在时变信道中进行!自适应收发技术可以增加其信息传输的可靠性和频带利用率其基本思路是在接收端估计信道!即实时估计接收信号的功率增益或信噪比!然后将估计结果反馈到发送端!发送端根据信道的特性和用户要求调整最佳发送方式!即相应调整控制调制和编码的参数!可调参数通常可是发射功率#信息速率#编码参数相对非自适应系统而言!后者是按照最坏情况设计的为了在信道条件变得很差时也能维持可接受的性能!需要预留一固定的链路余量该余量通常高达6I^H以上!如瑞利衰落就常引起该数量级的信号功率损失!所以按最坏情况进行的设计必然导致非常低效的资源消耗自适应方式恰克服了此缺点!例如在信道条件好时会自动提高数据传输速率或降低发射功率!在信道条件差时反向调整!从而提高平均信息吞吐量!降低条件发射功率!或降低平均误码率总之自适应技术会自动针对信道条件!在可用资源的约束下!按用户关心#期望的性能!实时改变信息传输参数!以获得最优性能或最大效益!非常灵活高效自适应技术主要有以下几种(9’速率控制技术(根据信道增益控制发送的数据传输速率一般采用固定码元速率方式!改变调制方式或星座大小!具体实现相对容易也可固定调制方式而改变符号速率!当然这样会引起带宽的改变!使频带共享的问题复杂化5’功率控制技术(单纯的功率控制一般是为了补偿衰落引起的信噪比变化其目标是维持一个固定的误比特率或者说是维持一个固定的接收信噪比这种功率自适应方案实际是实时抵消了信道的衰落!使得调制器和解调器之间的信道如同时不变加性高斯白噪声信道&F\’#’$%现代通信新技术第6版6’差错控制技术(亦称错误率控制技术!在给定平均误比特率&H=A’的条件下!控制调制瞬时误比特率&H=A’衰落信道中的瞬时错误率随接收信噪比的变化而变化!瞬时错误率的控制实际是通过其他形式的自适应技术间接实现的!比如可以调整功率#调制方式#星座大小等参数7’编码控制技术(自适应编码通过不同的信道编码方式对传输信息比特提供不同的编码增益当信道增益比较低时使用纠错能力强的编码!信道增益高时使用纠错能力弱的编码或者不编码由于系统复杂度或功率峰均比等因素!调制方式必须固定时!自适应编码技术非常有用!靠调整编码的冗余量来适应信道变化自适应编码的一种实现方式是设计多个不同纠错能力的编码器!不同信道条件时连接到不同的编码器!但这些编码器的码字长度或约束长度大致不变!以维持固定信道带宽另外使用)凿孔*技术的码率兼容凿孔卷积码&A??’是另一种简单有效的方式所谓)凿孔*就是不发送编码结果中的某些比特!改变编码比特的个数来调整编码的纠错能力A??码基于同一个编码器和译码器的一族不同码率的卷积码!具有码率兼容性!纠错能力弱的高信息码率码的编码比特也包含在所有纠错能力强的低信息码率码中!发送端适当凿孔就可以达到所需差错保护能力A??的译码器按最低码率用维特比算法译码!对于高码率!译码器在计算分支度量时考虑发送端凿掉的编码比特U’混合控制技术(混合自适应技术按需同时控制调整多个发送参数!包括速率#功率#编码#调制#误码率等!提供不同参数的联合优化达到预期的性能比如自适应速率常与自适应功率组合起来以优化频谱效率!同时控制数据传输速率和误码率可以有效降低发射功率等自适应收发技术的实际应用也存在一定限制(首先发送端和接收端之间必须有反馈通道!增加信息传输系统的资源开销!这对某些系统是不允许#不可行的其次如果信道变化的速度快于信道估计#反馈的速度!自适应接收的性能将会很差!还需要采取对快衰落进行平均的对抗措施最后自适应技术在平均功率约束下!为了最大化频谱效率!经常改变传输速率!而当信道条件很差时数据传输速率可能会调到很小甚至为零这对于有硬性时延要求的固定速率业务