超短波共用天线通信系统设计及应用效能分析

0引言

机载超短波通信系统利用VHF和UHF频段无线电波传输信息进行通信,主要路径为地波和空间视距传播,具有信道稳定等优点,是民用及军用机载通信的重要手段之一。

由于飞机复杂的外形结构,天线装机后方向图会发生畸变^[1—2],飞机在转弯、盘旋等飞行姿态时,进入天线覆盖盲区,导致链路余量不足,常常引起通信断续或者通信效果不佳,有效的解决方案是采用上、下两副天线同时接收,选择质量更好的天线进行发射^[3—4],使用上、下天线结合信道编码提高增益,从而常有多条链路,且受限于装机限制,不能为所有通信链路提供独立的两副天线。

本文提出的多链路共用天线通信系统,在配置两副超短波天线时,可保证多条超短波链路同时使用双天线接收。与以往的超短波通信系统相比,多功能、多链路共用发射信道和天线,减少了发射硬件资源开销,提高了发射硬件和天线利用率,同时改善了多条链路天线空域覆盖率。此外,对共用天线系统的应用效能进行了分析与仿真,为后续机载平台多条超短波链路共用天线提供了设计参考。

1系统设计

明显改善飞机机动时的通信质量^[5—6]。但机载平台通系统设计遵循航空电子综合化设计^[7]思路,具备开放性、标准化、模块化的特点,可通过动态加载通信信号处理软件构成不同的通信功能链路。为保证所有链路能够同时接收双天线信号,且具备能够使用任意天线进行发射的能力,将硬件的需求分解为:

1)系统分配两副超短波频段天线;

2)每条链路具有独立的数字信号处理单元;

3)每条链路应有两个接收信道;

4)两个发射信道分别对应两副天线;

5)任意信号处理可使用两个发射信道。

1.1系统组成

如图1所示,系统由超短波天线、射频交换单元、双通道接收模块、发射模块、数字交换单元、数字信号处理单元和系统管理单元组成。其中射频交换单元包括接收射频信号预处理、多路功分、路由交换等功能;数字交换单元完成多个数字信号处理单元与发射模块、接收模块之间的数字信号路由交换;两路发射模块分别与天线1和天线2连接,所有功能的发射资源占用由系统管理单元统一管理控制。

1.2 链路工作原理

就每条链路本身而言,在系统中工作与常见的双天线超短波功能或电台没有差异,仍为半双工工作方式。在接收模块中进行射频信号接收变频与AD采样,在发射模块中进行数字基带信号DA变换和变频等,接收模块和发射模块与数字信号处理单元之间为AD、DA数据接口。接收和发射原理如图2和图3所示。

每条链路均分配双通道接收模块,分别用于天线1和天线2的射频信号接收,由数字信号处理单元对双天线接收信号进行分集接收处理并输出话音或数据信息。发射时,由系统管理单元统一管理所有发射资源的分配与占用,功能链路使用分配的发射模块和天线进行信号发射。

1.3 系统管理单元

由于所有链路共用两副天线和发射模块,为了所有链路可有序占用两副天线和发射模块,占用冲突消解由系统管理单元统筹处理。

每条功能链路数字信号处理单元与系统之间通过三组控制总线传递三类信息:资源请求、链路状态和请求结果。数字信号处理单元实时向系统管理单元发送链路状态:T发射忙、R接收忙、I空闲,在发射前由数字信号处理单元向系统管理单元申请发射资源,系统管理单元收到天线资源请求后立即决策,决策依据为所有链路的链路状态和任务优先级,决策结果为是否允许发射,同时向对应数字信号处理单元返回请求结果,并分配发射资源。

2资源冲突消解机制

系统管理单元提供基于任务优先级的发射资源冲突消解机制,为所有链路统一分配发射资源0多链路同时发射冲突消解机制基本原则为:

1)如果申请的发射资源正在被高优先级功能使用 (接收或发射),则检查另外一路发射资源是否空闲;

2)如果另外一路发射资源也被高优先级功能使用 (接收或发射),则本次申请无效,不分配发射资源。

管理单元的冲突消解机制工作流程如图4所示。 

S1:外部输入系统任务需求。

S2:基于任务生成优先级列表。

S3:实时监测任一链路发射资源申请是否有效;若是,进入S4,否则进入S3。

S4:依据冲突消解基本原则,结合“链路状态”和“优先级”进行仲裁。

S5:若仲裁结果为允许使用当前申请天线进行发射,则进入S6,否则进入S7。

S6:管理单元向申请链路返回申请结果“成功”,并选通基带信号送入对应天线。

S7:是否允许使用另外一副天线进行发射;若是,则进入S6,否则进入S8。

S8:管理单元向申请链路返回申请结果“失败”,进入S3。

3 共用天线系统应用效能仿真

由于系统中多条超短波链路共用发射模块和两副天线,且基于超短波半双工通信特点,无法同时接收和发射。当链路个数N继续增大,大于等于3时,各链路存在单天线接收甚至接收信号时遇到两副天线都在发射、功能无法接收的情况,也存在低优先级功能无法获取发射资源、无法发射的情况。因此开展蒙特卡洛仿真,对系统中各链路接收双天线、降级为单天线、无法接收、正常发射的概率进行仿真计算,研究共用天线链路个数N与系统收发效能的关系。

3.1 仿真条件

1)功能发射或接收开始时间:仿真时间内随机;

2)功能发射和接收持续时间:最短500 ms。

3.2 仿真结果

系统接收效能和发射效能仿真结果分别如图5和图6所示。

如图5所示,随着N的增大,各个功能使用双天线同时接收的概率会逐渐变小,接收时为单天线接收或无法接收的概率逐渐增大。当链路总个数N为2时,两条链路双天线接收率为91.5%,单天线接收率为8.5%,接收失败率为0%;当N增大到3时,双天线接收率为83.7%,单天线接收率为14.9%,接收失败率为1.4%;当N增大到8时,各链路双天线接收率为60%,单天线接收率为26.5%,接收失败率为13.5%。

如图6所示,随着N的增大,低优先级功能在发射时可能遇到高优先级功能占用了两副发射天线,有一定概率无法抢占到发射资源,当N为4时,优先级1、2的功能发射成功率为100%,优先级3的功能发射成功率为94.7%,优先级4的功能发射成功率为87.1%。当N增大到8时,优先级1、2的功能发射成功率仍为100%,优先级3~8的各个功能发射成功率分别为94.7%、87.1%、78.8%、70%、63%和56%。

综上,在实际共用双天线系统应用中,应将不发射的功能优先级降低,则系统中需要发射的链路个数不应超过3个,且能够保证所有链路都有90%以上的发射成功率和80%以上的双天线接收率,具有较高的系统运行效能,既能够保障多个通信功能空域覆盖,又能多功能复用发射资源和天线,降低飞机平台硬件资源开销。

4 结束语

本文在现有机载超短波双天线系统基础上,提出了多链路共用天线系统,在系统管理单元提供的基于任务的冲突消解机制下,多条超短波通信链路可以有序开展双天线接收和发射,在减少发射硬件资源的前提下,提高了多链路空域覆盖率。对系统效能的仿真与分析表明,链路个数的增加对系统中各功能链路接收成功率和发射成功率有一定影响,飞行平台应基于具体任务需求,权衡共用天线链路的个数,分配合理的通信链路优先级。本文为后续机载超短波通信系统设计提供了参考,尤其是对天线个数有限的小型飞机平台,具有较高的工程应用价值。

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《机电信息》2025年第13期第20篇