空中交通管制话音通信系统ADS仿真

王 磊，刘海涛

(中国民航大学 电子信息工程学院，天津 300300)

空中交通管制话音通信系统ADS仿真

王 磊，刘海涛

(中国民航大学 电子信息工程学院，天津 300300)

本文针对目前民航专业课程缺乏实践教学环节的现状，利用射频微波仿真工具ADS开发了一套空管话音通信系统实践教学仿真软件包。介绍了使用ADS进行射频微波元件仿真的步骤，给出了空管话音通信系统ADS仿真的几个实例，包括同轴电缆、对数周期振子天线和AM调制器等等仿真。软件仿真可以弥补纯理论教学的不足，使之具体和易于理解。

ADS；话音通信；天线

0 引言

“空管通信系统”是我校通信工程专业民航电信方向的一门专业课，课程主要围绕民用航空空中交通管制系统的运行，介绍空管话音通信、地空数据链、数字内话和民航转报等系统组成与工作原理[1，2]。该课程是我校2012年培养大纲中新增的课程，行业特色性强。由于是新开课程，目前还没有设置实验室开展实验，而对于这种针对性很强的民航专业课程，仅有理论授课是远远不够的。而建设民航空管通信系统实验室并不容易，资金和人力投入都大，需要分步骤分阶段来实施。在这种情况下，我们基于Agilent公司的ADS(Advanced Design System)软件开发了一套实用性强的空管话音通信系统实践教学的仿真软件包，为空管通信系统理论授课提供有力支撑。

ADS是美国安捷伦(Agilent)公司开发的电子设计自动化软件，包含时域电路仿真 (SPICE-like Simulation)、频域电路仿真 (Harmonic Balance、Linear Analysis)、三维电磁仿真 (EM Simulation)、通信系统仿真(Communication System Simulation)和数字信号处理仿真设计(DSP)等[3]；该软件支持射频和系统设计工程师开发所有类型的 RF设计，从简单到复杂，从离散的射频/微波模块到用于通信和航天/国防的集成MMIC，是当今国内各大学和研究所使用最多的微波/射频电路和通信系统仿真软件软件。

1 空管话音通信系统ADS仿真

基于ADS软件，针对空管话音通信系统，我们开发了以下项目:

(1)空管VHF话音通信系统天线模型；

(2)VHF话音通信系统的各类馈线模型；

(3)VHF话音通信系统耦合器和滤波器模型；

(4)民航VHF发射机模型，包括调制器、混频器等；

(5)民航VHF接收机模型，包括前置滤波器、混频器及解调器等；

(6)VHF话音通信系统链路分析。

学生基于以上开发的项目，可以进行基本的调试、器件参数测量的操作，如损耗、输入阻抗、S参数、增益和噪声系数等。另外，学生还可以分析VHF话音通信系统中的互调和交调现象，深入理解信道分配的基本原则，同时还可以分析某一给定接收机的灵敏度等指标，实现从细节和整体多个角度深刻理解空管通信系统的运行机制，为将来从事民航空管通信的相关工作打下坚实基础。

2 系统仿真实验典型实例

本节重点介绍我们开发的空管话音通信系统仿真实验中的几个典型实例。

2.1 同轴电缆

空管话音通信系统中会用到各式各样的电缆，我们将其中一种10 m长的电缆在ADS中进行了建模，其S参数存储在文件KX13_10.s2p中，该电缆适用于300 kHz至3 GHz频段。

图1是根据实际电缆的S参数(可以通过矢量网络分析仪测出)在ADS中创建的模型。ADS的S参数(S-PARAMETERS)仿真控件是射频设计时非常重要的一个仿真控件，它的基本功能是仿真一段频率上的散射参量。S参数仿真控制面板中包含了很多常用的计算控件，可以直接计算出S参数仿真时需要查看的结果，节省用户自己编辑公式的麻烦。图2中的VSWR计算控件可以计算电压驻波比，PwrGain控件计算转换功率增益，即源资用功率与负载吸收功率之比。

图1 ADS中的电缆模型

图2 电缆的仿真测试原理图

根据图2可以对该电缆进行测试，如电压驻波比VSWR和损耗测试，其测试结果见图3和图4。

图3 电压驻波比VSWR

图4 传输损耗

图3和图4中，在1.5 GHz处该电缆的VSWR为1.09，10 m长电缆损耗为3.432 dB。

2.2 VHF地面收发天线

VHF话音通信系统地面站台天线有偶极天线DA(Dipole Antenna)、对数周期振子阵天线LPDA(Log Periodic Dipole Antenna)等类型，尺寸较大，增益较高[4，5]。而VHF机载天线则采用的是结构紧凑、尺寸较小的“刀型天线”。一种常见的民航VHF通信地面站的LPDA天线如图5所示。天线的所有振子尺寸以及振子之间的距离等都有确定的比例关系，其带宽很宽，结构简单，在短波、超短波和微波波段都有广泛应用。

(a)示意图

(b)实物图5 VHF通信地面站LPDA天线

根据民航某一空管站实际VHF话音通信系统地面台站LPDA天线特性，在ADS软件中建立模型如图6所示。可以对天线进行S参数仿真。学生利用该模型可以分析天线与同轴电缆之间的阻抗匹配问题，测量损耗、VSWR等参量。

图6 ADS中的LPDA天线模型

2.3 AM调制器

民航VHF话音通信采用AM调制方式，一个完整的发射机包括AM调制器、本地振荡器、滤波器和功率放大器等单元电路。其中AM调制器仿真测试部分如图7所示。振荡器产生一个120 MHz的VHF载波，与15 kHz的调制信号在AM调制器中完成调制，其中AM调制器参数可根据实际情况调整。

图7 AM调制器

采用包络仿真(ENVELOPE Simulation)控件来进行AM调制器仿真演示。

包络仿真器一般用在涉及调制解调或混合调制信号的电路和系统中。在时域上，相对频率较低的调制信号(也可称为基带信号)直接进行采样处理，而对高频的载波信号，则采用类似谐波平衡仿真(Harmonic Balance Simulation)的方法，在频域进行处理。这样结合可以获得满意的仿真效率和速度。图8是AM已调信号的频谱，在载频两侧各有一个边频分量，和载频的间距均为15 kHz，因此AM信号的带宽为30 kHz，即调制信号带宽的两倍。学生可以插入Marker来测量边频分量和载频分量的功率，然后根据公式验证AM调制器的调制指数ma。

图8 AM调制器频谱

3 仿真实践教学环节设计

本文采用ADS软件开发的空管话音通信系统仿真实验在实施中应注重以下内容：

1)基本概念和原理的理解

我们加入实践环节的目的是为了弥补纯理论教学的不足，让学生从多个角度来理解知识。因此，在每项仿真之前，注重强调该项仿真有关的理论内容，如话音通信系统所涉及到的天线理论、调制解调、线性与非线性特性等。学生参照实验指导书，按照步骤就可以基本了解ADS软件的运用，不必在仿真软件上投入过多精力。

2)参数研究和分析

我们开发的每项仿真实验都要求有测试和记录的数据，按照实验要求，对所有数据、图表等必须进行研究与分析。而不仅仅是简单的记录和观察。

3)理论联系实际

尽可能将空管话音通信系统中用到的实际电路、器件拿到课堂，根据实际器件特性建立ADS仿真模型。同时，仿真结果也要与工程实际情况对照。

4)鼓励自主建模

对有兴趣和学有余力的学生，鼓励他们自己在ADS中建立仿真模型，拓展新的仿真实验。

4 结语

空管话音通信是空管地空通信的重要组成部分，目前仍然占据主导地位。本文给出了利用ADS射频仿真软件开发的空管话音通信系统的实例，并指出在实施过程中的注意事项。这些仿真实践项目已应用到空管通信系统的教学中，后期将根据教学实践中发现的问题和学生的反馈，进一步完善空管通信系统的ADS仿真实践教学。

[1] 吴仁彪，刘海涛，马愈昭等译，航空无线电通信系统与网络[M]，北京：电子工业出版社，2011.

[2] 刘连生，飞机通信系统[M]。北京：兵器工业出版社，2005.

[3] 徐兴福，ADS2008射频电路设计与仿真实例[M], 北京：电子工业出版社，2013.

[4] 李东虎，任晓飞，李虎，一种小型化短波对数周期天线设计[J]，西安，电波科学学报，2014，29(4)：711-714.

[5] 赵秋颖，何辉文，王伟，直线型对数周期天线的小型化设计与仿真，2015年全国微波毫米波会议论文集，2015,200-203.

Simulation on Voice Communication Systems in ATC Using ADS

WANG Lei, LIU Hai-tao

(CollegeofElectronicandInformationEngineering,CivilAviationUniversityofChina,Tianjin300300,China)

In view of the fact that civil aviation professional course is lack of practical teaching, a set of practical teaching simulation software package using the microwave simulation tool ADS is developed.In this paper, the simulation of the microwave and RF modules using ADS is introduced.Several simulation examples of the devices and modules of the voice communication system based on the ADS are presented, including the coaxial cable, the log periodic dipole antenna, and the AM modulator.Using these models and simulations, it becomes easier for students to study and understand some complex communication theory.

ADS (Advanced Design System); voice communications; antenna

2015-12-17;

2016-03-25

中央高校科研基金(ZXH2012M006)和中国民航大学教育教学改革研究课题(CAUC-ETRN-2015-57)

王 磊(1981-)，女，博士，讲师，主要从事通信原理与系统、空管通信系统教学工作，E-mail:wanglei@cauc.edu.cn

G642.0

A

1008-0686(2016)06-0142-04