無人機超短波通信系統設計與實現*

賴劍強

（中國電子科技集團公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

現代民用、工業和軍用無人機的迅速發展，為經濟、軍事建設和發展提供了強有力的技術手段，被廣泛應用于諸多場合。相較于有人機，無人機因為無飛行員直接在機上操作，除了自主飛行以外，所有機上的飛行及任務控制、偵測回傳、飛機狀態、飛行管制以及組網共享信息等，均需要可靠的通信系統作支撐[1]。地面飛行員除了通過衛星定位信息、有限視野的定向成像觀察等手段之外，無法在較遠的距離外快速準確地通過話音或數據通信獲知周邊其他飛機的飛行情況和告警信息，也無法通過無人機獲知飛行區域的地面指揮站或空管塔臺的引導信息。超短波通信系統裝配于無人機，將具備航管話音通信、超短波話音、超短波數據、超短波話音和數據中繼等通信能力，是保障無人機自身飛行安全、融入地空信息系統、發揮無人機效能的重要通信系統。

超短波通信系統話音通信，是通過模擬調制的方法傳輸話音信號，根據無人機的任務需求、航空管制等實現對外實時話音通信，以便飛機操控人員對無人機周邊態勢進行判斷決策。話音通信的調制方式通常為調幅（Amplitude Modulation，AM）和調頻（Frequency Modulation，FM）。另外一種是超短波數據鏈通信，數據鏈是一種實時傳輸/處理傳感器、指控系統與載荷系統之間的格式化數字信息，是實現任務系統與信息系統一體化的重要手段和有效途徑，也是提高無人機系統整體任務執行能力的關鍵[2]。通常，數據鏈采用網格編碼調制（Trellis Coded Modulation，TCM）、最小移頻鍵控（Minimun Shift Keying，MSK）調制以及二進制相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）調制等數字調制技術，實現點對點和組網方式下的自由文電傳輸、視頻、圖像、數字話音、地理信息、綜合態勢信息的實時分發、數傳指揮引導和控制，也可集成衛導功能實現導航功能。

根據無人機的應用需求，本文提出了一種適用于無人機的超短波通信系統，對系統的各個組成設備進行了設計和分析，并以超短波話音通信為例，進行了實驗室功能指標測試和外場飛行測試。通過測試結果并與理論計算進行對比，驗證了該系統的有效性，體現了該套系統的應用價值。

1 無人機超短波通信系統組成

超短波通信是指以超短波頻段的電磁波作為信息的載波進行通信，配備了超短波通信系統的無人機，可用于飛機對外的超短波話音和數據通信。話音通信包括民航和常規超短波地-空話音和空-空話音；數據通信包括地-空、空-空數據鏈、互聯網、起降引導以及超短波衛通數據鏈等。

無人機超短波通信系統分為機載部分和地面部分，如圖1所示。機載部分包括機載超短波電臺收發信機及配套天線，地面設備包括電臺收發控制設備、地面超短波地面電臺收發信機及配套天線。由于機載電臺的信息收發會利用無人機測控鏈路和操控計算機，也屬于超短波通信系統的一部分。通常，測控鏈路需要傳輸飛控、地空監測、狀態監控以及衛導等大量信息，超短波通信只占用了測控鏈路小部分帶寬。根據超短波通信需求，它的帶寬為數千比特每秒至數十千比特每秒。

圖1 無人機超短波通信系統原理

1.1 機載超短波電臺

機載超短波電臺屬于機載超短波通信終端，通過其天線對外收發信息，實現超短波通信。該電臺由雙通道收發信機、機載天線及連接收發信機與天線的射頻電纜組成，可實現單通道通信、雙通道通信和中繼通信，是無人機超短波通信系統的關鍵設備。機載超短波電臺收發信機的通道組成，如圖2所示。其中，信道模塊由信道組件和數字處理組件組成，兩者以中頻信號作為交互界面。功放模塊由功放單元、接口控制單元和接收射頻前端組成。電源模塊由電源處理單元和基準頻率源組成，為信道模塊和功放模塊提供所需電源及系統需要的基準時鐘，同時完成設備高頻和低頻信號的內外轉接。各個模塊的低頻連接通過共用母板進行連接，實現設備內部信息交互和對外信息交互。

機載超短波電臺兩個通道內部硬件組成和駐留軟件相同，通道之間只有數字處理部分的數據和控制電路具有交聯關系。兩個通道工作原理一致，通過通道優先級調配切換實現兩個通道有序協同工作，任意一個通道均可通過同一個端口對外交互信息。以一個通道為例，圖2給出了電臺內部工作原理框圖。射頻部分采用二次上下變頻超外差架構，通過前端濾波和中頻濾波，實現對無用帶外信號的抑制；數字處理部分采用FPGA+DSP的架構，完成對信號的編解碼、調制解調和控制管理等功能。

圖2 機載超短波電臺通道原理

1.2 電臺收發控制設備

電臺收發控制設備包括主機、配套的耳機/受話器組件和話音發射（Push to Talk，PTT）組件，用于電臺工作方式和參數的設置、話音和數據信息的編解碼處理和收發、電臺工作狀態和參數的回傳顯示。電臺的工作狀態包括工作頻率、調制方式、數據類型、發射通道、靜默/常規狀態以及靜噪等級等，可以現場設置，也可以事先設置參數，并以波道號的方式保存，使用時直接調用波道號。設備的架構及內外連接關系如圖3所示。

圖3 電臺收發控制設備

無人機在鏈路通信模式下需要通過測控鏈路轉送接收到的或需要發射的信號，話音信號在測控鏈中的傳輸需要使用一種特殊的音頻編解碼技術，使其以很低的占用帶寬傳輸數字話音信號，且話音質量不顯著降低。這種專門針對人類語音特征設計的編解碼技術，稱為聲碼話技術。除了基本硬件的支持，它的核心在于聲碼話算法。本系統采用混合激勵線性預測（Mixed Excitation Linear Prediction，MELP）聲碼話算法，在線性預測編碼（Linear Prediction Code，LPC）的基礎上，采用混合激勵的形式，結合多帶思想，擁有線性預測編碼和多帶激勵的優點，能夠在低速率上得到較高質量的合成語音，是目前低速率語音編碼中一種較理想的編碼方案[3]。MELP聲碼化算法本質是一種基于分析合成技術的低速率壓縮編碼算法。語音在經過算法處理后，解碼后無法完全復原原始語音波形，合成后的語音不可避免存在一定失真。但是，合成的語音波形與原始語音波形總趨勢相同，語音可懂度較高，能夠到達較好的通信質量，這取決于傳輸話音數據的信號帶寬。根據鏈路分配的話音帶寬，無人機使用的MELP聲碼化算法可適應多種話音速率，通常在0.6～8 kb/s范圍內均可實現。速率越高，話音質量損失越小。為兼顧話音質量和占用帶寬，本系統采用2.4 kb/s話音速率，話音略有失真，通話雙方交流順暢，總體效果較好。

話音信號收發過程描述如下。鏈路通信模式下發射話音時，受話器采集的話音信號通過A/D數字化后，由電臺收發控制設備內部駐留的聲碼化編解碼程序進行聲碼化編碼，以固定的格式通過遙控鏈路上傳至電臺；話音接收時，電臺收發控制設備將遙測鏈路下傳的信號進行聲碼話解碼，通過D/A轉換為模擬信號后放大輸出。機載超短波電臺和地面收發控制設備都駐留了一套聲碼話編解碼程序，可完成話音信號的轉換，同時完成對數字話音信號的糾錯。在該設備中，聲碼話軟件部署的聲碼話芯片上，通過聲碼話接口完成與地面處理軟件之間的控制和聲碼話數據交互處理，通過數字音頻接口完成與音頻單元之間的數字音頻交互處理，并實現兩路話音的聲碼話編解碼處理和模擬話音處理功能。

1.3 地面超短波電臺

配備于地面控制站內的地面超短波電臺只具備一個收發半雙工通道，其工作原理與機載電臺類似。由于它安裝在地面，收發信機及天線的體積尺寸沒有嚴格限制，可以實現更大的發射功率和更高的天線增益，以保證足夠遠的通信距離。它主要的幾種用途：（1）超短波系統中繼通信模式下，作為通信節點，實現地面控制站與外界通信；（2）作為飛行管制通信設備，實現地面控制站與本場或近場空管塔臺通信；（3）其他有人或無人機與地面控制站通信；（4）附近地面便攜設備或通信車等與地面控制站通信。

1.4 測控鏈路系統

與有人機相比，無人機飛行員無法直接操縱飛機，需要通過某種方式彌補地面飛行員與飛機之間的距離。最簡單有效的方法是建立測控鏈路系統，其本質也是一種無線通信系統，主要用于無人機與地面控制站之間的寬帶信息交互[4-5]。無人機測控鏈路通常分為視距測控鏈路和衛通測控鏈路，如 圖4所示。當測控鏈路系統的地面天線與無人機處于視距范圍內時，采用視距測控鏈路。該方式啟動時間短、通信時延短、配套設備相對簡單，適用于實時性要求較高的應用場景。而當無人機遠離測控站（數百千米以上）時，由于地球曲率原因或地勢遮擋，視距鏈路已無法穩定有效通信。此時，需要啟動衛通鏈路，由地面衛星通信端機與衛星進行通信，而信號經衛星中繼再與機載衛通設備進行通信。由于衛通鏈路經過的處理環節較多且鏈路距離較長，具有較大的處理時延。較長的鏈路空間距離會帶來較大的信號損耗，所以衛通鏈路的地面設備和機載設備均配備高增益的拋物面定向天線，以彌補鏈路損耗。但是，需要機載設備和地面設備天線保持對星狀態，以保證衛星在天線的波束范圍內。這一過程采用自動跟蹤技術由天線伺服系統自動完成。

測控鏈路除了完成超短波通信系統的話音和數據信息傳輸之外，還需要傳輸大量其他信息，通常需要數兆比特每秒及以上的通信帶寬。測控鏈使用帶寬越寬，在相同條件下對應的通信距離越短。如果要保證較大帶寬的同時保證足夠的通信距離，最有效可行的辦法是降低鏈路損耗。其中，提升天線增益的效果最顯著也最經濟。所以，不管是視距鏈還是衛通鏈，其地面設備的天線均為定向天線。

圖4 無人機測控鏈路

2 工作模式及原理

根據機載超短波電臺和地面設備的設計，本超短波通信系統具備兩種通信模式。當測控鏈路正常時，機載電臺受地面收發控制設備控制，處于正常工作狀態，可工作在鏈路通信模式或中繼通信模式；當測控鏈路異常時，機載電臺將自動切換為應急工作狀態，本質是中繼通信模式。圖5（a）給出了鏈路通信模式示意，可只使用機載電臺一路通道進行通信，也可以兩路通道同時獨立通信，互不影響；中繼通信模式如圖5（b）所示，兩個通道一個作收通道一個作發通道，必須同時工作。

圖5 超短波通信系統兩種通信模式

系統鏈路通信模式下，以接收狀態為例描述系統工作過程。來自機載電臺天線接收的射頻信號轉送至電臺功放模塊，完成收發切換、限幅濾波和預放大處理，經信道模塊中的信道組件完成射頻濾波、放大、下變頻、中頻濾波以及放大得到中頻信號，經A/D轉換后由數字處理組件完成解調處理，得到話音或業務數據。若是工作在話音模式，則將得到的基帶話音完成聲碼話編碼后，經對外低頻接口送給機載鏈路設備，通過測控鏈路將數字信號送至地面鏈路設備，再轉發給地面收發控制設備進行聲碼話解碼、接收。若工作在數傳模式，則信號不經過聲碼話編碼過程，直接送給機載鏈路設備，通過測控鏈路將其送至地面鏈路設備，經操控計算機或其他數據終端對數傳數據進行校驗、解析、拆包等處理后，通過人機界面顯示。發射過程與接收過程基本是一個相反的過程，只是在后端需要將射頻信號進行放大處理后再通過天線發射出去。鏈路通信模式下，只需要機載超短波電臺的任意一個通道工作正常，則可以保證一路半雙工通信。由于機載超短波電臺兩個通道均獨立工作，兩個通道配合可以實現一收一發同時工作，組成全雙工通信。

在中繼工作模式下，電臺兩個通道一個作為接收通道，一個作為發射通道。由于兩個通道的收或發同時進行，為了避免通道之間相互干擾，要求使用不同的工作頻率。頻率間隔大小主要取決于電臺兩付天線之間的隔離度大小，與天線在機上的安裝位置有關。信號在電臺信道組件和功放模塊的收發過程與鏈路工作模式相同，唯一不同的是，信號處理完成后不再與測控鏈路設備交互，而是通過兩個通道共用的母板進行通道間的基帶信息交互。接收通道將接收到的f1頻率信號解調得到的基帶信息傳遞給發射通道，重新進行調制、放大等處理后，以f2頻率發射。通信過程中，兩個通道可根據需要隨時轉換收發角色，實現實時半雙工通信，這個過程稱作基帶異頻中繼。該方式處理過程較為復雜，但是交互過程無壓縮，信息不會丟失，信噪比不會惡化，信號質量不會降低，能夠實現信號等距中繼。中繼通信模式下，測控鏈路不參與通信，電臺的兩個通道分別與兩個通信節點進行超短波通信，通過內部交互實現兩個通信節點間的通信，屬于半雙工通信。這兩個通信節點可以是與地面控制站不相關的兩個外界節點，叫做站外中繼；其中一個通信節點也可為站內地面電臺，叫做站內中繼。

如果測控鏈路出現故障，鏈路通信模式失效，電臺檢測到在一定時間內與測控鏈路無有效信息交互，電臺自動啟動應急工作狀態，機載電臺進入中繼通信模式。此時，兩個通道的工作參數有兩種確定方式：如果測控鏈的遙控鏈路失效，電臺調用事先設置好的默認工作參數；如果測控鏈路只是遙測鏈路失效而遙控鏈路有效，機載電臺的工作參數仍然可以由地面進行控制更改，但不能接收到電臺的回傳參數。應急工作狀態下，地面控制站內配備的超短波地面電臺作為中繼通信節點參與通信。

3 通信距離計算

對于超短波通信，它的工作波長只有數米至數十米，電磁波的繞射能力有限，通信容易受到環境遮擋的影響，所以通常受視距范圍限制。通信距離的另一個影響因素是電臺的通信能力，其中電臺的有效發射功率和接收靈敏度最重要，除了與電臺收發信機相關，還與配套天線的增益和連接電臺收發信機和天線之間的電纜插損直接相關。

3.1 視距

視距是通信雙方能夠無遮擋直接看到對方的最大距離，可以理解為電磁波沿直線傳播的最大距離。

不考慮地形的影響，并近似認為地球為半徑為r的理想球體，考慮通信雙方為點對點通信，可將視距計算簡化為如圖6所示的平面模型。

圖6 理論視距計算模型

設通信雙方的天線高度分別為h1和h2，則理論視距為雙方天線剛好切著地平線看到對方時的距離，即圖中的d1+d2，則理論視距可表示為：

考慮h1、h2遠小于r，式（1）可近似為：

取r=6 370 km，則可得出如表1所示的地-空理論視距。

表1 不同條件下的理論視距 /km

對于地-空通信來說，通常地面天線架高有限且遠小于飛機飛行高度。從表1中可看出，飛機飛行高度對視距的影響較為顯著?？?空視距與上述計算方法相同，只需將另外一架飛機的飛行高度代入h2即可。當通信雙方任意一方天線高度較低時，其視距容易受地面天線周邊地理環境，如地形地貌、植被、建筑物等遮擋影響，需要根據實際情況綜合考慮。

3.2 電臺性能

機載超短電臺的性能是決定超短波通信系統的性能最重要因素。不考慮外界影響，電臺的通信能力只與其接收靈敏度、發射功率、天線增益和線纜插損有關。不考慮環境干擾時的靈敏度計算公式如下：

其中，NF為接收機的信道噪聲系數，BW為信號解調帶寬，S/N為靈敏度判據規定的信噪比。該電臺接收機信道噪聲系數NF=7 dB，靈敏度信噪比以10 dB作為判據，以AM或FM窄帶話音信號解調帶寬BW=4.5 kHz為例，將NF、BW代入式（2），可得Pr=-120.5 dBm。

在FM模下，由于存在閾值效應，實際靈敏度較理論值降低3～4 dB，因此FM模式靈敏度約為-116.5 dBm。對于調制度為m的普通AM調制信號，載頻不攜帶信息，傳輸信息的是邊帶信號，總邊帶功率與載頻功率相差10lg(0.5m2) dB。假設信號調制度m=30%，則總邊帶功率與載波功率相差 13.5 dB。不考慮環境噪聲時，30%調制度的AM信號靈敏度應為-120.5+13.5=-107 dBm。可以看出，調幅信號調制度越大，對應的靈敏度越高。所以，通常要求發射機的發射調幅信號調制度盡可能高，但不能超過100%即過調，否則將導致接收端解調信號嚴重失真或無法解調。

電臺實際靈敏度除了與接收機特性和信號特性有關外，還與環境電磁干擾有關。對于機載環境，它主要分為寬帶噪聲干擾和點頻干擾。點頻干擾信號如果在接收頻點附近，會因接收機濾波器抑制不足導致射頻前端器件非線性工作，造成信道阻塞或產生交調、互調干擾信號進入接收機后端。點頻干擾對接收機的影響主要通過判斷干擾信號是否造成接收電路飽和，通常以器件是否工作在1 dB壓縮點回退10 dB作為判據。寬帶噪聲干擾因其具有寬帶特性而覆蓋整個通信頻譜，會隨有用信號一起進入接收機。對于常規非抗干擾通信，當噪聲強度與有用信號強度達到可比擬的程度，則會造成無法解調。即使能夠解調，也會帶來話音質量降低或數據誤碼率升高的問題。

設環境噪聲功率譜密度為NT，與-174+NF進行比較，取較大值后，利用式（2）進行計算，即考慮噪聲干擾下的接收機靈敏度表示為：

電臺的另一個重要性能是發射功率。本系統機載電臺AM調制發射功率為10 W，FM調制發射功率為15 W。

3.3 通信距離

通信過程是通信雙方相互收發的過程，實際通信能力按收發距離較短的一方為準。為便于計算，假設通信雙方電臺性能相同。以本機接收到對方發射的信號強度剛好為本機接收靈敏度為準進行計算，則靈敏度可表示為：

其中，Pt為發射機輸出功率，Gt為發射機天線增益，Gr為接收機天線增益，Lt為發射機饋線損耗，Lr為接收機饋線損耗，Lp為空間傳播損耗。

對于機載電臺，可取如下典型值：Pt=10 W （40 dBm），Gt=-3 dB，Gr=-3 dB，Lt=2 dB，Lr=2 dB。 對于30%調制度AM信號，電臺接收靈敏度 Pr=-107 dBm，則可計算出允許的空間傳播損耗為Lp=137 dB。需要說明的是，通常發射和接收共用一付天線，以其工作頻段兼顧考慮折中設計。對于工作頻段內不同的頻點，天線在某一方向的增益往往存在差異。天線在飛機蒙皮的安裝位置附近機體各個方向的遮擋情況不同，天線增益方向圖也有差異[6-7]。

超短波傳播的空間損耗可表示為：

其中，f為以吉赫茲為單位的信號工作頻點，d為以千米為單位的傳輸距離，可得：

以國際救生頻點0.121 5 GHz為例，計算得到通信距離為d(f=0.1215GHz)=1 390 km。該值為理想值，實際通信距離需要考慮多徑效應等造成的信號衰落影響，通常需要將信號強度回退10 dB左右，計算得到的理論通信距離d0=439 km。假設通信雙方的視距為D，電臺的理論通信距離為d0，則雙方實際通信距離為min(D,d0)。

4 無人機通信系統測試

4.1 單機測試

實驗室單機測試主要考核無人機電臺收發信機的收發性能。圖7給出了測試框圖，分別進行了電臺通道1和通道2調幅和調頻方式下的技術指標測試。其中，最重要的指標為接收靈敏度和發射功率。在工作頻段內，AM工作方式下靈敏度在-106.5～ -107.8 dBm，發射載波功率11.3～12.1 W；FM工作方式下，接收機靈敏度在-116.2～-117.6 dBm，發射載波功率16.1～17.9 W。電臺的其他功能指標均符合通信規定的要求。

圖7 機載超短波電臺實驗室測試

4.2 外場飛行測試

為了驗證根據本設計研制的無人機超短波通信系統的實際應用性能，將該系統裝配在某大型無人機及其配套地面控制站中，并在西北某機場開展了飛行測試。測試環境，如圖5所示。在近場使用2臺陪測地面電臺作為通信節點A和通信節點B，地面電臺天線架高12 m。測試只針對超短波話音通信，不計算測控鏈路距離。測試結果為無人機與外界通信節點之間的距離，通信距離以通話質量比在近距離通信時剛開始顯著降低作為評判標準。飛機多次進行在500～6 500 m飛行高度條件下的鏈路和中繼通信方式的話音通信。測試結果表明，當飛機飛行高度大于6 500 m時，地-空通信距離普遍大于300 km；隨著飛行高度的降低，通信距離隨之減??；當飛行高度降低至500 m時，通信距離普遍為85～100 km。可見，測試結果與理論計算值趨勢大致吻合，但存在一定偏差，表2給出了某次測試結果。

表2 無人機超短波通信系統某次話音通信測試結果

在飛機的常規升限（設10 km）范圍內，電臺的理論通信能力大于地-空視距，所以電臺的實際地-空通信距離取決于視距。根據對本系統機載電臺的性能測試結果，將表1計算的理論地-空視距與表2實際測試通信距離比較發現，某些情況下實際通信距離大于或小于理論視距，某些情況與理論值較為吻合。實測結果與理論值有偏差，主要原因有幾點：（1）測試環境近場附近有山地，當飛機遠離陪測電臺時，容易受到地形遮擋；（2）飛機在飛行過程中，陪測電臺與飛機之間的方向不斷變化，遮擋情況也會隨之變化，而地球實際不是絕對球形，實際視距大于或小于理論視距；（3）地球膨脹因子對視距的影響暫未考慮；（4）測試現場空間電磁干擾或機上艙內其他設備電磁干擾，電臺接收靈敏度降低；（5）飛機飛行姿態變化，如轉彎、盤旋等，可能導致機體對天線遮擋，影響通信方向的天線增益；（6）在不同的飛行高度和地形情況下，多徑效應對信號的影響程度不同。。

由于測試條件的限制，未能進行數據通信和空-空話音通信的測試。按照前文理論計算，空-空視距將顯著增加，預計空-空通信距離將比地-空通信增加。當后續條件具備時，將補充該項測試。

5 結 語

本文通過對超短波通信特性的分析，根據無人機對通信系統的需求，結合無人機的特點，分別設計了超短波機載電臺、電臺地面收發控制設備、超短波地面電臺，研制了一種適用于無人機的超短波通信系統，并借助無人機測控鏈路，使得該系統具備話音和數據通信能力。對機載超短波電臺進行實驗室測試，接收靈敏度、發射功率等指標均達到預期值。通過將該系統裝配在無人機及配套地面控制站中進行飛行話音通信驗證測試，結果表明通信距離測試值與理論值基本吻合，在足夠高的飛行高度情況下，地-空通信距離達到300 km以上，滿足無人機通信的需求。根據應用需求，目前該系統只實現了窄帶通信功能，但具備寬帶通信的擴展能力，將在后續工作中進行驗證。該系統普遍適用于大中型無人機，能夠顯著提升飛機的通信能力和任務效能，并可通過適當改裝適用于有人機，在機載通信領域具有較高的應用價值。