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        航空電子通信系統(tǒng)信道技術(shù)探析

        2022-04-09 16:59:39馬帥
        電子樂園·上旬刊 2022年5期

        馬帥

        摘要:航空電子系統(tǒng)是飛機設(shè)計中一個比較關(guān)鍵的系統(tǒng),它建立了飛機與外界的聯(lián)系,對飛機的安全有著至關(guān)重要的作用。隨著飛機各種性能的不斷提升,對通信系統(tǒng)提出了越來越高的要求,以此來保障飛行的安全。面對日益復(fù)雜的電磁環(huán)境以及航空電子設(shè)備帶寬和功率受限的現(xiàn)狀,需要通過相關(guān)的信道技術(shù),提高無線通信過程中的可靠性和有效性。基于此,文章針對航空電子通信系統(tǒng)信道的關(guān)鍵技術(shù)以及發(fā)展現(xiàn)狀進行淺析,分析通信系統(tǒng)中信道技術(shù)的關(guān)鍵因素,并對未來的發(fā)展進行了展望。

        關(guān)鍵詞:孔徑綜合;通信技術(shù);信道編碼;調(diào)制

        1 引言

        對于航空領(lǐng)域來說,電子通信技術(shù)無疑是非常重要的一環(huán),涉及航空安全,指揮協(xié)同,電子偵察,導(dǎo)航定位等各個場景下的應(yīng)用。隨著信息技術(shù)的發(fā)展,機載通信系統(tǒng)使用的頻率范圍越來越大,復(fù)雜性程度越來越高,同時空間的電磁環(huán)境日趨復(fù)雜,機載通信手段需要更多的方法來保證不同業(yè)務(wù)的開展。目前航空電子系統(tǒng)逐漸從分立式往綜合化的方向發(fā)展,對天線的孔徑綜合,信道的利用,抗干擾和噪聲都提出了更高的要求。為了提升航空通信的有效性和可靠性,本文從通信信道的角度出發(fā),對現(xiàn)有的射頻信號發(fā)射(天線技術(shù)),信道編碼和調(diào)制手段進行了分析。

        2 天線技術(shù)

        為了實現(xiàn)不同機載設(shè)備的不同功能需求,如圖像傳輸,報文發(fā)送,電子偵察,雷達測控等多方面的需求,需要在航空平臺布置大量的不同頻段的天線,這對天線之間的隔離度和頻譜之間的干擾提出了更高的要求。隨著集成電路,天線技術(shù)的發(fā)展,目前飛機平臺的射頻系統(tǒng)主要往綜合化,集成化的方向發(fā)展,其中一個核心的方向為天線的孔徑綜合。天線孔徑綜合的主要方向有兩個:一是減少天線數(shù)量,用一個天線實現(xiàn)多個天線的功能;二是將綜合化天線結(jié)構(gòu)于機身結(jié)構(gòu)融合,提高平臺的氣動與隱身性能。目前,天線孔徑綜合的方法有很多,通過統(tǒng)籌考慮天線的工作頻段,極化方式,發(fā)射功率,波束寬度等指標(biāo),進行孔徑綜合設(shè)計。例如,通過設(shè)計寬頻天線將窄帶天線復(fù)用為一個;利用多個射頻開關(guān),將同一個天線分成不同部分,每一個部分作為一個單獨的控制單元實現(xiàn)對天線整體工作頻率和輻射方向的控制;采用共形天線技術(shù),將天線嵌入到機體結(jié)構(gòu)中,由于共形天線本身具有腔體,且不具有高度,能夠有效改善天線之間的直接輻射,提高對不同信道電磁環(huán)境的適應(yīng)能力。隨著新的技術(shù),材料的使用,天線設(shè)計會在減少電磁干擾,提升空間利用率上不斷提高設(shè)計水平。

        3 航空電子通信信道編碼

        為了保證通信系統(tǒng)在復(fù)雜的電磁環(huán)境下是實現(xiàn)可靠通信,保證通信傳輸?shù)挠行?,航空通信系統(tǒng)廣泛采用信道編碼技術(shù)。根據(jù)有噪聲信道編碼定理,只要保證通信速率小于信道容量,就能找到一種編碼方式,實現(xiàn)無誤碼的傳輸。鄒星等人分析了在指定碼率信道編碼實現(xiàn)特定的誤碼率時的極限值,并分析了信道編碼在不同的通信體制下信道編碼增益的理論極限,可以看出,在不同的信噪比條件下,信道編碼可以有效的提高傳輸效率。隨著航空通信系統(tǒng)的發(fā)展,越來越多的信道編碼算法被應(yīng)用于航空領(lǐng)域,其性能一般主要取決于以下幾個方面。首先時編碼效率,航空通信系統(tǒng)往往是帶寬受限的,根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則可以知道碼元傳輸速率也是受限的,因此需要提高編碼效率。其次是編碼增益,在機載環(huán)境功率受限的環(huán)境下,提高編碼增益就能有效提高信號在信道中的抗干擾能力,降低設(shè)備的功耗。最后是編碼長度,對于經(jīng)過信道編碼的信號,根據(jù)編碼長度的不同,其相應(yīng)的信道編碼增益也有所不同。因此,在實際的工程實踐中,需要制定好適合的信道編碼策略。本文主要分析幾種目前主流的信道編碼方式。

        RS碼是一種前向糾錯的信道編碼,用于檢測和糾正解碼器產(chǎn)生的突發(fā)性錯誤,而卷積碼適用于糾正隨機錯誤,但對于解碼過程中產(chǎn)生的突發(fā)性錯誤則不能進行糾正。將兩者進行組合就能進行相互補償,同時采用交織技術(shù)將突發(fā)性的錯誤在時間上進行分散更有利于進行糾錯。RS交織卷積級聯(lián)碼的碼率沒有特殊的限制,在軟硬件實現(xiàn)上的結(jié)構(gòu)相對于其他信道編碼具有較為簡單的結(jié)構(gòu),其對應(yīng)的解碼時間也較短,在對時延有較高要求的系統(tǒng)具有非常高的實用價值。但是由于其編碼增益有限,因此在對于信噪比要求較高的環(huán)境中普遍采用編碼增益更高其他編碼方式。

        Turbo碼充分利用了傳統(tǒng)級聯(lián)碼的優(yōu)點,它將多個子碼通過交織器進行并行或者串行級聯(lián),然后進行迭代一碼,這樣就能夠具有很好的糾錯性能。Turbo碼在抵御加性高斯噪聲方面性能優(yōu)越,具有很強的抗衰落,抗干擾能力。Turbo碼能夠在信源長度有限的情況下依然具有高的編碼增益,在傳輸速率低的應(yīng)用場景中較為適合。但是由于其在碼率較高的環(huán)境下會去除校驗信息,因此可能會導(dǎo)致譯碼會有較高的誤碼率。

        TPC 碼繼承了Turbo碼在低的信噪比的環(huán)境下仍然具有較低的誤碼率的有優(yōu)勢,同時降低了譯碼的復(fù)雜度。TPC碼具有較高的編碼增益,因此對發(fā)射功率的要求降低,很適用于功率受限的衛(wèi)星通信。TPC碼結(jié)構(gòu)相對簡單,同步要求適中,也很適用于高傳輸速率的鏈路環(huán)境。

        LDPC碼是具有稀疏矩陣的線性分組碼,相對于TPC碼具有更高的編碼增益,在碼長較長的情況下仍然可以進行有效的譯碼,同時在低碼率、碼長較短的環(huán)境下傳輸中也具有很高的性能。LDPC碼具有很強的靈活性,但由于其在碼長較長的環(huán)境下使用更具有優(yōu)勢,且在信噪比較差的環(huán)境中其編碼具有較高的迭代次數(shù),也會因此導(dǎo)致譯碼時延較大。

        4 航空通信信號調(diào)制

        在無線通信系統(tǒng)中,無線信道的衰落是影響系統(tǒng)性能的重要因素,信號調(diào)制是對抗衰落的有效手段。目前航空領(lǐng)域主要采用MPSK,TCM,擴頻等調(diào)制技術(shù),本文主要分析了兩種當(dāng)前航空通信中常用的調(diào)制手段。

        擴頻調(diào)制技術(shù)能夠極大限度的共享相同的頻譜資源,在航空頻譜受限的條件下具有廣泛的應(yīng)用,美軍的聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分配系統(tǒng)(JTIDS)正是采用這種技術(shù)。擴頻信號的頻帶是通過偽隨機碼將原始信號的帶寬進行擴展得到的,在接收端采用的同樣的碼進行相關(guān)同步接收和解擴。由于擴頻具有很高的帶寬冗余度,因此可以有利的克服外界的故意干擾和多徑衰落。擴頻調(diào)制主要包括直接序列擴頻,跳頻擴頻、跳時擴頻、線性脈沖調(diào)頻(Chirp)等等。在針對不同的問題如多址組網(wǎng)、抗多徑、定時定位、測距等等多種應(yīng)用場景時,就需要同時采用上述幾種方式的混合,如直接序列混合系統(tǒng)(FH/DS)、直接序列-時間跳變混合系統(tǒng)(DS/TH)、頻率跳變-時間跳變混合系統(tǒng)(HF/TH)等,這種復(fù)合的調(diào)制方式一般具有更好的性能。

        正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)具有較強的對抗多徑衰弱信道的能力。對于單載波系統(tǒng),單個信道衰落可能會對整個通信鏈路造成影響,而OFDM采用多載波信道可以有效避免該問題,同時某些子信道還可以采用糾錯碼進一步降低誤碼率,保證了能夠在多徑衰落的信道中進行高速的數(shù)據(jù)傳輸。目前,該調(diào)制技術(shù)在軍用和民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,OFDM技術(shù)已經(jīng)成為了歐洲數(shù)字音頻廣播和數(shù)字視頻廣播的標(biāo)準(zhǔn),同時也成為了IEEE802.11和IEEE802.16的標(biāo)準(zhǔn),在軍用方面美軍的聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)(JTRS)也采用該技術(shù)作為主要的調(diào)制手段來進行通信。OFDM采用重疊的正交子載波作為子信道,提高了頻譜的利用率,也能夠方便控制上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。但是其對子載波要求嚴(yán)格正交,因此對相位十分敏感,細(xì)微的載波頻偏就可能對解調(diào)的結(jié)果造成影響。

        5 總結(jié)

        航空通信信道技術(shù)是進一步提升信道利用率,抗干擾的重要手段,也是信息化戰(zhàn)爭中的必備武器。本文介紹了天線的孔徑綜合方式,對目前航空通信中的信道編碼和調(diào)制方法進行了分析,對實際工程中需要考慮的編碼增益、譯碼時間等指標(biāo)也分別進行了討論,具有一定指導(dǎo)意義。目前航空通信領(lǐng)域也不斷在往智能化方向發(fā)展,已經(jīng)出現(xiàn)了利用深度學(xué)習(xí)卷積網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)自適應(yīng)的編碼和調(diào)制手段,相信隨著技術(shù)的進步和集成電路的發(fā)展,我國的航空通信事業(yè)將具有更多的可能性和創(chuàng)新性。

        參考文獻

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