空中中继通信关键技术浅议

2013-03-29殷素杰王迎栋赵彦芬

计算机与网络 2013年1期

殷素杰王迎栋赵彦芬

（中国电子科技集团公司第五十四研究所河北石家庄 050081）

1 引言

未来战场通信的灵活性和机动性大为增强，对通信的要求也在不断提高。世界幅原辽阔、地形复杂，卫星资源极其匮乏，并且战时易受干扰，现有通信手段很难满足跨越丘陵、山区等障碍，实现大范围通信的需求。现有的地面设备可以通过空中中继转发系统变阻挡传输为视距传输，并且覆盖的通信范围大，可实现跨越复杂地形和远距离通信，支持机动性强的大范围、复杂地形和延伸环境的操作，能够大大提高通信能力和协同能力，实现快速高效的指挥控制能力。空中中继系统的升空平台主要包括有人机、无人机、系留气球和平流层飞艇等[1]，为了适应不同平台对通信载体在重量、体积、功耗等方面的要求，空中中继系统就要实现轻型化、小型化。

2 主要功能和组成

空中中继通信系统主要通过空中交换和转发实现信息的越障、远距离无线传输。空中中继通信设备能够工作于多频段，应具有多种制式调制解调和多种帧结构，使本系统能够与现有的多数通信设备进行互通，具有很强的生存能力。通过灵活运用空中转发设备，配以综合交换设备，可实现固定网和机动网之间，机动网和机动网之间的网间互通。通过小型化和电磁兼容设计，实现多信道模块共用平台，完成多频段、多通道的超视距、覆盖较大作战地区的通信。空中转发系统是利用直升机、无人机等作为空中中继转发平台，通过搭载转发设备，完成空中转发和空中信息交换，实现越障和超视距通信。其组成示意图如图1所示。

图1 系统组成示意图

3 系统工作原理

天线接收的地面设备信号经接收滤波器滤除带外干扰后，进入低噪声放大器放大，然后与本振混频后变成中频信号。再经滤波放大送入解调器，完成多种波形的解调等数字处理，解调出的信号进行基带处理，然后经过接口变换将信号送给交换模块。发送端由交换模块送来的信号经接口变换后再进行基带处理，然后经调制器后进行混频。混频输出的射频信号经变频滤波器，再经功率放大器放大，由滤波器滤除带外杂散干扰后，经天线输出，系统原理框图如图2所示。

图2 系统再生转发原理框图

交换模块从基带处理单元提取经无线ATM信元，然后把ATM无线信元转换为标准信元，将标准信元经QoS及流量控制单元，送给单元交换单元进行信元交换，交换后的信元再经QoS及流量控制单元送给各个端口。转发方式可分为3种方式，即再生转发、中频转发和射频转发。再生转发方式可上、下业务[2]，使用方便，并且还可克服传输中的噪声积累。非再生转发虽然没有这些优点，但设备简单、耗电量低。工作中根据信道特性和具体业务情况任选一种转发方式。

4 系统特点和关键技术

4.1 系统特点

整个系统是一个高度集成的灵活的小型化、模块化的通用硬件平台。应具有以下特点：

①重量轻、体积小、功耗低；

②采用多信道共用技术：系统工作频段包括多个频段，2～8个频道。转发模块的射频和中频共用的部分包括多种频段的模块，各模块的接口和结构尺寸完全相同。各个模块可以互换。不同的升空平台，其载荷能力不同，可以承载不同的设备模块数量和种类，通信容量和覆盖范围就会不同；

③通用基带处理平台：为了适应多种信号波形，采用通用基带处理平台，实现多制式全数字调制/解调和基带信号处理。对于再生转发，可根据需求，对典型波形，提供波形参数，即可对信号进行解调和基带处理，实现与现有设备的互连互通。

4.2 关键技术

(1)设备的轻型化、小型化设计

空中平台对装载设备的体积、重量和功耗严格受限，设备能否装载于空中平台，决定于设备能否实现小型化，从而决定了系统能否实现信号的空中转发和远距离传输。在设备小型化、低功耗设计方面，低频部分，尽量选择标准化、低功耗、表贴封装、温度范围广的大规模集成电路，优化和简化各种电路设计和软件设计，减小电流消耗；高频部分，发信单元采用射频调制集成电路由基带信号直接变到射频信号，收信单元采用镜像抑制混频器，直接变到中频信号，射频滤波器均采用MEMS滤波器。对于3 GHz以下电路均使用射频芯片，3 GHz以上使用多芯片组装技术。多芯片组装 (Multi-Chip Module,MCM)是将多个大规模集成电路LSI超大规模集成电路VLSI的裸芯片高密度地贴装互连在多层布线的印刷电路板[3],多层陶瓷(厚膜)基板或薄膜多层布线的基板上(硅、陶瓷或金属基)，然后再整体封装起来构成能完成多功能、高性能的电子部件、整机、子系统乃至系统所需功能的一种新型微电子组件。近年来，MCM受到各经济发达国家高度重视并千方百计加速发展，主要在于它有一系列优点，既提高了密度，又缩短了芯片的互连间距，致使电路性能得以提高。与单芯片封装相比，MCM具有更高的封装密度，可更好地满足电子系统小型化的需要。微机电系统（MEMS）技术是在半导体上制作微带电路[4]，实现射频开关、功分器、电容和电感等无源器件，插损小、频带宽。

(2)电磁兼容设计

由于在同一平台装载多个信道模块，其整体空间狭小，安装设备复杂繁多，且频段集中，相互间干扰非常严重，通信载体与升空通信平台要进行一体化设计，包括安装、供电、载重等，尤其要进行电磁兼容性设计[5]，使系统在工作时不产生超标的电磁干扰，避免对其它设备或系统造成干扰，也避免其它设备对本系统造成干扰，否则系统将无法工作。影响系统内的电磁兼容性的主要因素是祸合。祸合方式有导线间的电感、电容、电场及磁场祸合，还有系统内公共阻抗祸合及天线与天线之间的祸合。另外，本系统除了在平台上安装了交换模块和转发模块外，还安装了天线。当平台表面是金属材料时，表面受电磁波的照射时就会产生感应和二次辐射，从而改变天线的收发电磁特性，并进一步影响电子设备的各项性能指标，严重时可能会使其无法正常工作。

通过采用多层电路板、射频屏蔽、EMC电磁软件仿真等技术，并且各个模块之间的信号线和电源线通过母板连接，在有限的空间，合理设计，合理优化天线的分布位置，降低和消除人为的和自然的电磁干扰，提高设备和系统的抗电磁干扰能力，保证设备和系统功能的正常工作。

(3)采用基带处理平台，实现多种传输体制、多种速率的有效传输

采用模拟器件进行调制解调器设计，几乎不可能实现多速率和多制式的兼容，更不能根据用户提供的波形进行现场配置。采用软件化设计的调制解调器，将整个基带处理部分通过全数字方法实现，能使收发滤波器几乎理想匹配，提高系统性能。软件化调制解调器适合多种信道限带传输要求，具有高的杂散抑制比，成形滤波器滚降系数可任意设置，支持连续和突发等多种模式等优点，具有通用化、综合化、智能化等特点。多制式调制解调器为了兼容多速率和多制式，其基带处理部分采用FPGA为硬件平台，通过计算机编程仿真来实现完成其功能。

对于调制器，由于要兼容多种速率，因此采用任意时钟来产生FPGA的工作时钟。对于解调器，中频信号经带通滤波、放大处理，经变频后送入A/D，将模拟信号变换为数字信号送入FPGA，FPGA完成数字解调，为了兼容多种速率，整个解调采用同步采样技术，利用DDS来完成时钟提取[6]。其过程是利用定时误差提取算法来提取定时误差，经数字滤波后，同DDS的频率控制字一同相加，去调整DDS的相位字，DDS输出的信号直接去控制A/D采样时钟，从而使A/D的采样频率同信息速率完全同步。

目前FPGA的规模越来越大。在一块FPGA上可以集成更多的功能，只需要增大FPGA的规模，而不会影响处理速度和其他的性能。相反将更多的功能集成到一个芯片中，可减小体积，减小功耗，电磁兼容性增强，使电路工作更加稳定。功能的集成不是简单的逻辑相加，它增加了各单元电路间接口的灵活性，进而使各单元的设计更加的灵活，甚至打破原有器件和电路的设计局限，以一个全新的方式、方法进行电路设计。FPGA编译软件功能的增强，使其程序设计越来越可以按照高级语言的方式进行；同时可以对程序进行调试、仿真，在程序编制阶段就可以发现并解决其中的错误和不足；在FPGA使用中，可以设置观察信号，随时对其软件的运行进行监测；对于日后发现程序错误和缺陷，可以在软件平台上更改完成后，通过对FPGA程序存储器更新实现对程序的升级和维护。至此，FPGA的应用已不再是对以前电路的数字化，而是具备了软件的种种特征，成为软件无线电的一种实现形式。