基于雙向透明的超短波轉發系統設計與仿真*

田華明，王傳剛，田沿平

（海軍航空大學青島校區，山東 青島 266041）

0 引言

飛行校波是機場必需經常進行的工作。為了確保對空通信的質量，飛機起飛之前，地面指揮塔臺和機載電臺之間都要進行飛行校波，根據實際的語音通話效果來檢驗電臺設備、傳輸路徑、電磁干擾等相關因素對信號質量的影響。超短波是對空通信指揮的主用手段，由于超短波通信存在的直線視距局限，當塔臺與機庫、機篷之間存在障礙物時，校波往往不能順利實施。遇到這種情況，需要將飛機牽引到塔臺信號覆蓋的范圍內才能完成校波，增加了飛行準備的時間和工作量，校波的效率降低，不利于飛機的緊急出動。因此克服障礙物的影響、提高校波的效率是亟待解決的問題。

1 轉發系統的總體設計

1.1 設計思路

針對機場出現的障礙物遮擋的校波不暢問題，需要設計一種能夠克服視距通信局限、提供校波通道的轉發系統。在保持雙方電臺信號調制特性不變的前提下，通過改變信號的傳播方向，使塔臺電臺與機載電臺之間信號的雙向傳輸。該系統在轉發時，只改變來波的方向不改變信號的調制特性，保持電臺信號的調制一致性，實現校波的真實性和可靠性，這就是超短波電臺的透明轉發系統。

轉發是將接收到的無線、電子或光學信號進行相關處理并重新發射出去的過程。通過轉發，實現了信道之間的連接，對傳播過程中損耗的信號進行放大、重整或者重建，起到擴展信號傳輸距離的作用。在轉發過程中也可以采用定向天線，改變信號的傳輸路徑，克服障礙物的遮擋或避開危險區域，實現信號的轉向傳輸。轉發有透明轉發和處理轉發兩種。透明轉發是對信號只做放大外不做其他處理，而處理轉發是對信號進行解調再生和格式轉換后再進行轉發[1]。本文針對機場校波的需要，采用雙向透明轉發系統。

1.2 結構模型

轉發是在塔臺電臺和機載電臺之間雙向進行的，轉發系統的結構模型和信號工作流程的設計如圖1 所示。

圖1 定向轉發系統結構模型

圖1 中，有甲乙兩部電臺，分別構設兩個收發通道，滿足機場校波過程中半雙工工作特性。為了滿足信號不失真、不改變調制特性收發的要求，甲乙兩部電臺采用與機場塔臺電臺同體制電臺，為了信號收發過程中互不影響，甲乙電臺分別采用定向天線，收發過程受到轉發控制裝置的協同控制。

轉發系統信號工作流程為：當塔臺發射信號，轉發裝置中甲電臺作為接收電臺，定向接收塔臺電臺的射頻信號，該射頻信號一路加到乙電臺的發射機電路，另一路通過甲電臺接收機產生與之相應的中頻信號，經過轉換控制板中的中頻檢測電路產生直流控制信號，激發乙電臺進入發射狀態，通過定向天線將從甲電臺接收機來的射頻信號轉發給飛機上的電臺。同理，當飛機上電臺呼叫時，信號工作過程反向，完成了塔臺與飛機之間信號的雙向校波[2]。

1.3 功能要求

從圖1 的結構和信號工作流程可以看出，定向轉發系統需具備下列4 項功能。

（1）透明轉發。甲乙電臺接收到信號后不做作調制特性、工作方式等其他任何處理，直接送到對方電臺的發射機進行轉發，此時信號有放大但沒有調制特性的改變，實現信號的透明轉發。

（2）定向轉發。為了甲乙兩部電臺半雙工工作方式不受影響，采用定向天線，在甲乙兩部電臺收發信號時，相互隔離，保證收發通道中信號的純凈性。通常兩天線的隔離度在30 dB 以上[3]。

（3）自動轉發。轉發控制裝置作為一個相對獨立的安裝設備，具備自動收發轉發控制功能，不需要塔臺和機務人員額外操作。

（4）雙向轉發。透明轉發裝置不僅要轉發塔臺至機載電臺方向的信號，也要能轉發機載電臺至塔臺方向的信號。

2 透明轉發系統電路設計

2.1 總體電路

根據圖1 的工作流程和設計思路，定向轉發系統電路設計如圖2 所示。

圖2 轉發系統總體電路原理

圖2中，定向轉發系統由甲電臺、轉發控制裝置、乙電臺3 個部分組成。信號的接收和發射仍采用甲乙電臺的收發通道，以保持信號傳輸過程中的調制特性不變透明特征，其中K4 是接收機的中頻信號均衡放大器，D4 是發射機收發狀態判斷器件，進行電臺發射和接收狀態判斷，并將PTT（Push to talk，按鍵發話）電平送入功放電路，控制功放的工作狀態。“轉發控制裝置”是根據信號轉發需要設計的，主要包括中頻峰值檢波電路、直流放大電路和收發控制電路3 個部分。電臺為貨架產品，下面對新研發的“轉發控制裝置”中3 個主要電路進行分析。

2.2 中頻峰值檢波電路

中頻檢測電路如圖3 所示，將圖2 中接收機的混頻放大器輸出中頻信號Vi進行峰值檢波[4]，形成直流控制電壓Vo，作為收發控制電路的觸發信號。

圖3 中頻峰值檢波電路的設計

中頻信號是電臺中幅度穩定、幅頻特性較好的信號，用作轉換裝置的觸發信號能夠提高系統工作的穩定性。

2.3 直流放大電路

圖2 中直流放大電路的N2選用LM358 雙運算放大器，其放大倍數能達到10 000 倍以上，能夠滿足邏輯電平的需求，放大倍數計算公式為：在圖2 中為滿足電平觸發和電路穩定需要，R1為2 kΩ，R2為18 kΩ，因此Avi=10。

2.4 收發控制電路

在電臺中，收發控制信號PTT 為低電平時，電臺處于發射狀態，PTT 為高電平時，電臺處于接收狀態，因此收發控制電路通過繼電器控制PTT 電平從而控制甲乙兩電臺進行雙向協同轉發。收發控制電路采用繼電器控制的主要原因是要進行檢波電路與電臺的PTT 信號之間的電平轉換[5]。在圖2 中，甲電臺收到信號后，N1輸出高電平，T1工作，PTT2為低電平，使得乙電臺處于發射狀態，將甲電臺接收過來的射頻信號經過乙電臺發射電路的信號放大處理之后，通過乙電臺的重發天線透明轉發出去，同時通過繼電器T3工作，使得開關K2斷開，切斷當乙電臺接收到的射頻信號傳輸途徑。當乙電臺收到信號（此時甲電臺無接收信號）后，N2輸出高電平，繼電器T2工作，PTT1為低電平，使得甲電臺處于發射狀態，將乙電臺接收的射頻信號經過甲電臺發射電路的信號放大處理之后，通過甲電臺轉發出去，實現了雙向透明轉發的功能。由于繼電器T3對K2的控制，實現雙向轉發過程中，甲電臺信號優先轉發的功能，符合塔臺優先的工作流程需要。

3 定向轉發系統性能仿真

定向轉發系統中，電臺是貨架產品，工作性能穩定，需要對轉發控制裝置的工作特性進行仿真，來驗證電路工作的可靠性。針對設計的電路特性，采用Multisim 軟件進行仿真驗證。

3.1 仿真電路設計

根據圖2 中的電路原理，在Multisim 中進行仿真電路的設計，如圖4 所示。

圖4 定向轉發系統的仿真電路設計

圖4 中，仿真數據和結果用4 個示波器顯示，其中示波器XSC1 顯示的是甲電臺接收機中頻輸入和輸出峰值檢波電路的信號，示波器XSC2 顯示的是乙電臺發射支路信號，示波器XSC3 顯示的是乙電臺接收機中頻輸入和輸出峰值檢波電路的信號，示波器XSC4 顯示的是甲電臺發射支路的信號。

3.2 信號源的設計

仿真設計中，信號源模擬電臺接收機產生的中頻信號，因此采用AM 調幅波發生器，產生一個12 MHz、0.15 V、調制話音頻率為1 kHz、調制度為0.8的調幅信號，來模擬電臺經過混頻器之后產生的中頻調幅信號[6]。信號源的模型如圖5 所示，波形如圖6 所示。

圖5 模擬信號源模型

圖6 模擬信號源輸出波形

3.3 仿真過程和結果分析

根據圖1 中定向轉發系統信號流程和圖2 中電路原理，圖4 的仿真過程應包括“塔臺發射、飛機接收”“塔臺接收、飛機發射”“塔臺和飛機同時發射”“塔臺和飛機均無發射”4 種情況。

對“塔臺發射、飛機接收”的情況進行仿真。由于是塔臺發射校波信號，從圖1 可以看出，甲電臺應接收到塔臺的信號，圖2 中混頻放大器有中頻信號輸出，因此圖4仿真電路中信號源V1接入電路，此時得到的仿真結果如圖7 所示。

圖7 塔臺發射、飛機接收時示波器組波形

圖7 中，示波器XSC1 顯示的甲電臺有接收機中頻和峰值檢波電路的信號輸出，XSC2 顯示的是乙電臺發射給飛機信號，而XSC3 與XSC4 無信號，符合塔臺發射、飛機接收的信號流程。

同理可以得到其他3 種情況的仿真結果，如表1 所示。

表1 仿真結果

從表1 看出，仿真結果符合定向轉發系統工作流程，滿足雙向透明轉發要求。

4 結語

通過分析特定環境下超短波電臺通信校波的需求，根據現役半雙工電臺的特點，研發具有雙向透明轉發功能的轉發系統，給出了系統工作流程、具體電路，并對電路進行仿真，從理論分析和仿真結果上看，能夠實現超短波信號保真、可靠傳輸，提高機場校波的質量和效率，且并不改變信號調制特性，符合透明轉發的要求。為了提高轉發系統的使用效果，在安裝架設的過程中，要根據機庫與塔臺之間的地理位置和地形特點，科學選擇安裝位置，適當提高天線的高度，避開障礙物的影響。由于本系統帶有射頻放大功能，能夠對轉發的信號進行放大，因此在超短波遠距離通信中，還可以安裝在山頂或建筑物的高處，為超短波信號提供中繼放大作用，進一步拓展超短波通信保障范圍。