航空电子通信系统信道技术探析

马帅

摘要：航空电子系统是飞机设计中一个比较关键的系统，它建立了飞机与外界的联系，对飞机的安全有着至关重要的作用。随着飞机各种性能的不断提升，对通信系统提出了越来越高的要求，以此来保障飞行的安全。面对日益复杂的电磁环境以及航空电子设备带宽和功率受限的现状，需要通过相关的信道技术，提高无线通信过程中的可靠性和有效性。基于此，文章针对航空电子通信系统信道的关键技术以及发展现状进行浅析，分析通信系统中信道技术的关键因素，并对未来的发展进行了展望。

关键词：孔径综合;通信技术;信道编码;调制

1 引言

对于航空领域来说，电子通信技术无疑是非常重要的一环，涉及航空安全，指挥协同，电子侦察，导航定位等各个场景下的应用。随着信息技术的发展，机载通信系统使用的频率范围越来越大，复杂性程度越来越高，同时空间的电磁环境日趋复杂，机载通信手段需要更多的方法来保证不同业务的开展。目前航空电子系统逐渐从分立式往综合化的方向发展，对天线的孔径综合，信道的利用，抗干扰和噪声都提出了更高的要求。为了提升航空通信的有效性和可靠性，本文从通信信道的角度出发，对现有的射频信号发射（天线技术），信道编码和调制手段进行了分析。

2 天线技术

为了实现不同机载设备的不同功能需求，如图像传输，报文发送，电子侦察，雷达测控等多方面的需求，需要在航空平台布置大量的不同频段的天线，这对天线之间的隔离度和频谱之间的干扰提出了更高的要求。随着集成电路，天线技术的发展，目前飞机平台的射频系统主要往综合化，集成化的方向发展，其中一个核心的方向为天线的孔径综合。天线孔径综合的主要方向有两个：一是减少天线数量，用一个天线实现多个天线的功能;二是将综合化天线结构于机身结构融合，提高平台的气动与隐身性能。目前，天线孔径综合的方法有很多，通过统筹考虑天线的工作频段，极化方式，发射功率，波束宽度等指标，进行孔径综合设计。例如，通过设计宽频天线将窄带天线复用为一个;利用多个射频开关，将同一个天线分成不同部分，每一个部分作为一个单独的控制单元实现对天线整体工作频率和辐射方向的控制;采用共形天线技术，将天线嵌入到机体结构中，由于共形天线本身具有腔体，且不具有高度，能够有效改善天线之间的直接辐射，提高对不同信道电磁环境的适应能力。随着新的技术，材料的使用，天线设计会在减少电磁干扰，提升空间利用率上不断提高设计水平。

3 航空电子通信信道编码

为了保证通信系统在复杂的电磁环境下是实现可靠通信，保证通信传输的有效性，航空通信系统广泛采用信道编码技术。根据有噪声信道编码定理，只要保证通信速率小于信道容量，就能找到一种编码方式，实现无误码的传输。邹星等人分析了在指定码率信道编码实现特定的误码率时的极限值，并分析了信道编码在不同的通信体制下信道编码增益的理论极限，可以看出，在不同的信噪比条件下，信道编码可以有效的提高传输效率。随着航空通信系统的发展，越来越多的信道编码算法被应用于航空领域，其性能一般主要取决于以下几个方面。首先时编码效率，航空通信系统往往是带宽受限的，根据奈奎斯特准则可以知道码元传输速率也是受限的，因此需要提高编码效率。其次是编码增益，在机载环境功率受限的环境下，提高编码增益就能有效提高信号在信道中的抗干扰能力，降低设备的功耗。最后是编码长度，对于经过信道编码的信号，根据编码长度的不同，其相应的信道编码增益也有所不同。因此，在实际的工程实践中，需要制定好适合的信道编码策略。本文主要分析几种目前主流的信道编码方式。

RS码是一种前向纠错的信道编码，用于检测和纠正解码器产生的突发性错误，而卷积码适用于纠正随机错误，但对于解码过程中产生的突发性错误则不能进行纠正。将两者进行组合就能进行相互补偿，同时采用交织技术将突发性的错误在时间上进行分散更有利于进行纠错。RS交织卷积级联码的码率没有特殊的限制，在软硬件实现上的结构相对于其他信道编码具有较为简单的结构，其对应的解码时间也较短，在对时延有较高要求的系统具有非常高的实用价值。但是由于其编码增益有限，因此在对于信噪比要求较高的环境中普遍采用编码增益更高其他编码方式。

Turbo码充分利用了传统级联码的优点，它将多个子码通过交织器进行并行或者串行级联，然后进行迭代一码，这样就能够具有很好的纠错性能。Turbo码在抵御加性高斯噪声方面性能优越，具有很强的抗衰落，抗干扰能力。Turbo码能够在信源长度有限的情况下依然具有高的编码增益，在传输速率低的应用场景中较为适合。但是由于其在码率较高的环境下会去除校验信息，因此可能会导致译码会有较高的误码率。

TPC 码继承了Turbo码在低的信噪比的环境下仍然具有较低的误码率的有优势，同时降低了译码的复杂度。TPC码具有较高的编码增益，因此对发射功率的要求降低，很适用于功率受限的卫星通信。TPC码结构相对简单，同步要求适中，也很适用于高传输速率的链路环境。

LDPC码是具有稀疏矩阵的线性分组码，相对于TPC码具有更高的编码增益，在码长较长的情况下仍然可以进行有效的译码，同时在低码率、码长较短的环境下传输中也具有很高的性能。LDPC碼具有很强的灵活性，但由于其在码长较长的环境下使用更具有优势，且在信噪比较差的环境中其编码具有较高的迭代次数，也会因此导致译码时延较大。

4 航空通信信号调制

在无线通信系统中，无线信道的衰落是影响系统性能的重要因素，信号调制是对抗衰落的有效手段。目前航空领域主要采用MPSK，TCM，扩频等调制技术，本文主要分析了两种当前航空通信中常用的调制手段。

扩频调制技术能够极大限度的共享相同的频谱资源，在航空频谱受限的条件下具有广泛的应用，美军的联合战术信息分配系统（JTIDS）正是采用这种技术。扩频信号的频带是通过伪随机码将原始信号的带宽进行扩展得到的，在接收端采用的同样的码进行相关同步接收和解扩。由于扩频具有很高的带宽冗余度，因此可以有利的克服外界的故意干扰和多径衰落。扩频调制主要包括直接序列扩频，跳频扩频、跳时扩频、线性脉冲调频（Chirp）等等。在针对不同的问题如多址组网、抗多径、定时定位、测距等等多种应用场景时，就需要同时采用上述几种方式的混合，如直接序列混合系统（FH/DS）、直接序列-时间跳变混合系统（DS/TH）、频率跳变-时间跳变混合系统（HF/TH）等，这种复合的调制方式一般具有更好的性能。

正交頻分复用技术（OFDM）具有较强的对抗多径衰弱信道的能力。对于单载波系统，单个信道衰落可能会对整个通信链路造成影响，而OFDM采用多载波信道可以有效避免该问题，同时某些子信道还可以采用纠错码进一步降低误码率，保证了能够在多径衰落的信道中进行高速的数据传输。目前，该调制技术在军用和民用领域得到了广泛的应用，OFDM技术已经成为了欧洲数字音频广播和数字视频广播的标准，同时也成为了IEEE802.11和IEEE802.16的标准，在军用方面美军的联合战术无线电系统（JTRS）也采用该技术作为主要的调制手段来进行通信。OFDM采用重叠的正交子载波作为子信道，提高了频谱的利用率，也能够方便控制上行和下行链路中不同的传输速率。但是其对子载波要求严格正交，因此对相位十分敏感，细微的载波频偏就可能对解调的结果造成影响。

5 总结

航空通信信道技术是进一步提升信道利用率，抗干扰的重要手段，也是信息化战争中的必备武器。本文介绍了天线的孔径综合方式，对目前航空通信中的信道编码和调制方法进行了分析，对实际工程中需要考虑的编码增益、译码时间等指标也分别进行了讨论，具有一定指导意义。目前航空通信领域也不断在往智能化方向发展，已经出现了利用深度学习卷积网络实现自适应的编码和调制手段，相信随着技术的进步和集成电路的发展，我国的航空通信事业将具有更多的可能性和创新性。

参考文献

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