航空電子通信系統信道技術探析

馬帥

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

關鍵詞：孔徑綜合;通信技術;信道編碼;調制

1 引言

對于航空領域來說，電子通信技術無疑是非常重要的一環，涉及航空安全，指揮協同，電子偵察，導航定位等各個場景下的應用。隨著信息技術的發展，機載通信系統使用的頻率范圍越來越大，復雜性程度越來越高，同時空間的電磁環境日趨復雜，機載通信手段需要更多的方法來保證不同業務的開展。目前航空電子系統逐漸從分立式往綜合化的方向發展，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，對現有的射頻信號發射（天線技術），信道編碼和調制手段進行了分析。

2 天線技術

為了實現不同機載設備的不同功能需求，如圖像傳輸，報文發送，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，天線技術的發展，目前飛機平臺的射頻系統主要往綜合化，集成化的方向發展，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：一是減少天線數量，用一個天線實現多個天線的功能;二是將綜合化天線結構于機身結構融合，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，通過統籌考慮天線的工作頻段，極化方式，發射功率，波束寬度等指標，進行孔徑綜合設計。例如，通過設計寬頻天線將窄帶天線復用為一個;利用多個射頻開關，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，將天線嵌入到機體結構中，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境的適應能力。隨著新的技術，材料的使用，天線設計會在減少電磁干擾，提升空間利用率上不斷提高設計水平。

3 航空電子通信信道編碼

為了保證通信系統在復雜的電磁環境下是實現可靠通信，保證通信傳輸的有效性，航空通信系統廣泛采用信道編碼技術。根據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，實現無誤碼的傳輸。鄒星等人分析了在指定碼率信道編碼實現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。隨著航空通信系統的發展，越來越多的信道編碼算法被應用于航空領域，其性能一般主要取決于以下幾個方面。首先時編碼效率，航空通信系統往往是帶寬受限的，根據奈奎斯特準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，在機載環境功率受限的環境下，提高編碼增益就能有效提高信號在信道中的抗干擾能力，降低設備的功耗。最后是編碼長度，對于經過信道編碼的信號，根據編碼長度的不同，其相應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生的突發性錯誤，而卷積碼適用于糾正隨機錯誤，但對于解碼過程中產生的突發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，同時采用交織技術將突發性的錯誤在時間上進行分散更有利于進行糾錯。RS交織卷積級聯碼的碼率沒有特殊的限制，在軟硬件實現上的結構相對于其他信道編碼具有較為簡單的結構，其對應的解碼時間也較短，在對時延有較高要求的系統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碼充分利用了傳統級聯碼的優點，它將多個子碼通過交織器進行并行或者串行級聯，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，在傳輸速率低的應用場景中較為適合。但是由于其在碼率較高的環境下會去除校驗信息，因此可能會導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境下仍然具有較低的誤碼率的有優勢，同時降低了譯碼的復雜度。TPC碼具有較高的編碼增益，因此對發射功率的要求降低，很適用于功率受限的衛星通信。TPC碼結構相對簡單，同步要求適中，也很適用于高傳輸速率的鏈路環境。

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境下使用更具有優勢，且在信噪比較差的環境中其編碼具有較高的迭代次數，也會因此導致譯碼時延較大。

4 航空通信信號調制

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

擴頻調制技術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用，美軍的聯合戰術信息分配系統（JTIDS）正是采用這種技術。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。擴頻調制主要包括直接序列擴頻，跳頻擴頻、跳時擴頻、線性脈沖調頻（Chirp）等等。在針對不同的問題如多址組網、抗多徑、定時定位、測距等等多種應用場景時，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（FH/DS）、直接序列-時間跳變混合系統（DS/TH）、頻率跳變-時間跳變混合系統（HF/TH）等，這種復合的調制方式一般具有更好的性能。

正交頻分復用技術（OFDM）具有較強的對抗多徑衰弱信道的能力。對于單載波系統，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據傳輸。目前，該調制技術在軍用和民用領域得到了廣泛的應用，OFDM技術已經成為了歐洲數字音頻廣播和數字視頻廣播的標準，同時也成為了IEEE802.11和IEEE802.16的標準，在軍用方面美軍的聯合戰術無線電系統（JTRS）也采用該技術作為主要的調制手段來進行通信。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格正交，因此對相位十分敏感，細微的載波頻偏就可能對解調的結果造成影響。

5 總結

航空通信信道技術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、譯碼時間等指標也分別進行了討論，具有一定指導意義。目前航空通信領域也不斷在往智能化方向發展，已經出現了利用深度學習卷積網絡實現自適應的編碼和調制手段，相信隨著技術的進步和集成電路的發展，我國的航空通信事業將具有更多的可能性和創新性。

參考文獻

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