无人机超短波通信系统设计与实现*

赖剑强

（中国电子科技集团公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

现代民用、工业和军用无人机的迅速发展，为经济、军事建设和发展提供了强有力的技术手段，被广泛应用于诸多场合。相较于有人机，无人机因为无飞行员直接在机上操作，除了自主飞行以外，所有机上的飞行及任务控制、侦测回传、飞机状态、飞行管制以及组网共享信息等，均需要可靠的通信系统作支撑[1]。地面飞行员除了通过卫星定位信息、有限视野的定向成像观察等手段之外，无法在较远的距离外快速准确地通过话音或数据通信获知周边其他飞机的飞行情况和告警信息，也无法通过无人机获知飞行区域的地面指挥站或空管塔台的引导信息。超短波通信系统装配于无人机，将具备航管话音通信、超短波话音、超短波数据、超短波话音和数据中继等通信能力，是保障无人机自身飞行安全、融入地空信息系统、发挥无人机效能的重要通信系统。

超短波通信系统话音通信，是通过模拟调制的方法传输话音信号，根据无人机的任务需求、航空管制等实现对外实时话音通信，以便飞机操控人员对无人机周边态势进行判断决策。话音通信的调制方式通常为调幅（Amplitude Modulation，AM）和调频（Frequency Modulation，FM）。另外一种是超短波数据链通信，数据链是一种实时传输/处理传感器、指控系统与载荷系统之间的格式化数字信息，是实现任务系统与信息系统一体化的重要手段和有效途径，也是提高无人机系统整体任务执行能力的关键[2]。通常，数据链采用网格编码调制（Trellis Coded Modulation，TCM）、最小移频键控（Minimun Shift Keying，MSK）调制以及二进制相移键控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）调制等数字调制技术，实现点对点和组网方式下的自由文电传输、视频、图像、数字话音、地理信息、综合态势信息的实时分发、数传指挥引导和控制，也可集成卫导功能实现导航功能。

根据无人机的应用需求，本文提出了一种适用于无人机的超短波通信系统，对系统的各个组成设备进行了设计和分析，并以超短波话音通信为例，进行了实验室功能指标测试和外场飞行测试。通过测试结果并与理论计算进行对比，验证了该系统的有效性，体现了该套系统的应用价值。

1 无人机超短波通信系统组成

超短波通信是指以超短波频段的电磁波作为信息的载波进行通信，配备了超短波通信系统的无人机，可用于飞机对外的超短波话音和数据通信。话音通信包括民航和常规超短波地-空话音和空-空话音；数据通信包括地-空、空-空数据链、互联网、起降引导以及超短波卫通数据链等。

无人机超短波通信系统分为机载部分和地面部分，如图1所示。机载部分包括机载超短波电台收发信机及配套天线，地面设备包括电台收发控制设备、地面超短波地面电台收发信机及配套天线。由于机载电台的信息收发会利用无人机测控链路和操控计算机，也属于超短波通信系统的一部分。通常，测控链路需要传输飞控、地空监测、状态监控以及卫导等大量信息，超短波通信只占用了测控链路小部分带宽。根据超短波通信需求，它的带宽为数千比特每秒至数十千比特每秒。

图1 无人机超短波通信系统原理

1.1 机载超短波电台

机载超短波电台属于机载超短波通信终端，通过其天线对外收发信息，实现超短波通信。该电台由双通道收发信机、机载天线及连接收发信机与天线的射频电缆组成，可实现单通道通信、双通道通信和中继通信，是无人机超短波通信系统的关键设备。机载超短波电台收发信机的通道组成，如图2所示。其中，信道模块由信道组件和数字处理组件组成，两者以中频信号作为交互界面。功放模块由功放单元、接口控制单元和接收射频前端组成。电源模块由电源处理单元和基准频率源组成，为信道模块和功放模块提供所需电源及系统需要的基准时钟，同时完成设备高频和低频信号的内外转接。各个模块的低频连接通过共用母板进行连接，实现设备内部信息交互和对外信息交互。

机载超短波电台两个通道内部硬件组成和驻留软件相同，通道之间只有数字处理部分的数据和控制电路具有交联关系。两个通道工作原理一致，通过通道优先级调配切换实现两个通道有序协同工作，任意一个通道均可通过同一个端口对外交互信息。以一个通道为例，图2给出了电台内部工作原理框图。射频部分采用二次上下变频超外差架构，通过前端滤波和中频滤波，实现对无用带外信号的抑制；数字处理部分采用FPGA+DSP的架构，完成对信号的编解码、调制解调和控制管理等功能。

图2 机载超短波电台通道原理

1.2 电台收发控制设备

电台收发控制设备包括主机、配套的耳机/受话器组件和话音发射（Push to Talk，PTT）组件，用于电台工作方式和参数的设置、话音和数据信息的编解码处理和收发、电台工作状态和参数的回传显示。电台的工作状态包括工作频率、调制方式、数据类型、发射通道、静默/常规状态以及静噪等级等，可以现场设置，也可以事先设置参数，并以波道号的方式保存，使用时直接调用波道号。设备的架构及内外连接关系如图3所示。

图3 电台收发控制设备

无人机在链路通信模式下需要通过测控链路转送接收到的或需要发射的信号，话音信号在测控链中的传输需要使用一种特殊的音频编解码技术，使其以很低的占用带宽传输数字话音信号，且话音质量不显著降低。这种专门针对人类语音特征设计的编解码技术，称为声码话技术。除了基本硬件的支持，它的核心在于声码话算法。本系统采用混合激励线性预测（Mixed Excitation Linear Prediction，MELP）声码话算法，在线性预测编码（Linear Prediction Code，LPC）的基础上，采用混合激励的形式，结合多带思想，拥有线性预测编码和多带激励的优点，能够在低速率上得到较高质量的合成语音，是目前低速率语音编码中一种较理想的编码方案[3]。MELP声码化算法本质是一种基于分析合成技术的低速率压缩编码算法。语音在经过算法处理后，解码后无法完全复原原始语音波形，合成后的语音不可避免存在一定失真。但是，合成的语音波形与原始语音波形总趋势相同，语音可懂度较高，能够到达较好的通信质量，这取决于传输话音数据的信号带宽。根据链路分配的话音带宽，无人机使用的MELP声码化算法可适应多种话音速率，通常在0.6～8 kb/s范围内均可实现。速率越高，话音质量损失越小。为兼顾话音质量和占用带宽，本系统采用2.4 kb/s话音速率，话音略有失真，通话双方交流顺畅，总体效果较好。

话音信号收发过程描述如下。链路通信模式下发射话音时，受话器采集的话音信号通过A/D数字化后，由电台收发控制设备内部驻留的声码化编解码程序进行声码化编码，以固定的格式通过遥控链路上传至电台；话音接收时，电台收发控制设备将遥测链路下传的信号进行声码话解码，通过D/A转换为模拟信号后放大输出。机载超短波电台和地面收发控制设备都驻留了一套声码话编解码程序，可完成话音信号的转换，同时完成对数字话音信号的纠错。在该设备中，声码话软件部署的声码话芯片上，通过声码话接口完成与地面处理软件之间的控制和声码话数据交互处理，通过数字音频接口完成与音频单元之间的数字音频交互处理，并实现两路话音的声码话编解码处理和模拟话音处理功能。

1.3 地面超短波电台

配备于地面控制站内的地面超短波电台只具备一个收发半双工通道，其工作原理与机载电台类似。由于它安装在地面，收发信机及天线的体积尺寸没有严格限制，可以实现更大的发射功率和更高的天线增益，以保证足够远的通信距离。它主要的几种用途：（1）超短波系统中继通信模式下，作为通信节点，实现地面控制站与外界通信；（2）作为飞行管制通信设备，实现地面控制站与本场或近场空管塔台通信；（3）其他有人或无人机与地面控制站通信；（4）附近地面便携设备或通信车等与地面控制站通信。

1.4 测控链路系统

与有人机相比，无人机飞行员无法直接操纵飞机，需要通过某种方式弥补地面飞行员与飞机之间的距离。最简单有效的方法是建立测控链路系统，其本质也是一种无线通信系统，主要用于无人机与地面控制站之间的宽带信息交互[4-5]。无人机测控链路通常分为视距测控链路和卫通测控链路，如 图4所示。当测控链路系统的地面天线与无人机处于视距范围内时，采用视距测控链路。该方式启动时间短、通信时延短、配套设备相对简单，适用于实时性要求较高的应用场景。而当无人机远离测控站（数百千米以上）时，由于地球曲率原因或地势遮挡，视距链路已无法稳定有效通信。此时，需要启动卫通链路，由地面卫星通信端机与卫星进行通信，而信号经卫星中继再与机载卫通设备进行通信。由于卫通链路经过的处理环节较多且链路距离较长，具有较大的处理时延。较长的链路空间距离会带来较大的信号损耗，所以卫通链路的地面设备和机载设备均配备高增益的抛物面定向天线，以弥补链路损耗。但是，需要机载设备和地面设备天线保持对星状态，以保证卫星在天线的波束范围内。这一过程采用自动跟踪技术由天线伺服系统自动完成。

测控链路除了完成超短波通信系统的话音和数据信息传输之外，还需要传输大量其他信息，通常需要数兆比特每秒及以上的通信带宽。测控链使用带宽越宽，在相同条件下对应的通信距离越短。如果要保证较大带宽的同时保证足够的通信距离，最有效可行的办法是降低链路损耗。其中，提升天线增益的效果最显著也最经济。所以，不管是视距链还是卫通链，其地面设备的天线均为定向天线。

图4 无人机测控链路

2 工作模式及原理

根据机载超短波电台和地面设备的设计，本超短波通信系统具备两种通信模式。当测控链路正常时，机载电台受地面收发控制设备控制，处于正常工作状态，可工作在链路通信模式或中继通信模式；当测控链路异常时，机载电台将自动切换为应急工作状态，本质是中继通信模式。图5（a）给出了链路通信模式示意，可只使用机载电台一路通道进行通信，也可以两路通道同时独立通信，互不影响；中继通信模式如图5（b）所示，两个通道一个作收通道一个作发通道，必须同时工作。

图5 超短波通信系统两种通信模式

系统链路通信模式下，以接收状态为例描述系统工作过程。来自机载电台天线接收的射频信号转送至电台功放模块，完成收发切换、限幅滤波和预放大处理，经信道模块中的信道组件完成射频滤波、放大、下变频、中频滤波以及放大得到中频信号，经A/D转换后由数字处理组件完成解调处理，得到话音或业务数据。若是工作在话音模式，则将得到的基带话音完成声码话编码后，经对外低频接口送给机载链路设备，通过测控链路将数字信号送至地面链路设备，再转发给地面收发控制设备进行声码话解码、接收。若工作在数传模式，则信号不经过声码话编码过程，直接送给机载链路设备，通过测控链路将其送至地面链路设备，经操控计算机或其他数据终端对数传数据进行校验、解析、拆包等处理后，通过人机界面显示。发射过程与接收过程基本是一个相反的过程，只是在后端需要将射频信号进行放大处理后再通过天线发射出去。链路通信模式下，只需要机载超短波电台的任意一个通道工作正常，则可以保证一路半双工通信。由于机载超短波电台两个通道均独立工作，两个通道配合可以实现一收一发同时工作，组成全双工通信。

在中继工作模式下，电台两个通道一个作为接收通道，一个作为发射通道。由于两个通道的收或发同时进行，为了避免通道之间相互干扰，要求使用不同的工作频率。频率间隔大小主要取决于电台两付天线之间的隔离度大小，与天线在机上的安装位置有关。信号在电台信道组件和功放模块的收发过程与链路工作模式相同，唯一不同的是，信号处理完成后不再与测控链路设备交互，而是通过两个通道共用的母板进行通道间的基带信息交互。接收通道将接收到的f1频率信号解调得到的基带信息传递给发射通道，重新进行调制、放大等处理后，以f2频率发射。通信过程中，两个通道可根据需要随时转换收发角色，实现实时半双工通信，这个过程称作基带异频中继。该方式处理过程较为复杂，但是交互过程无压缩，信息不会丢失，信噪比不会恶化，信号质量不会降低，能够实现信号等距中继。中继通信模式下，测控链路不参与通信，电台的两个通道分别与两个通信节点进行超短波通信，通过内部交互实现两个通信节点间的通信，属于半双工通信。这两个通信节点可以是与地面控制站不相关的两个外界节点，叫做站外中继；其中一个通信节点也可为站内地面电台，叫做站内中继。

如果测控链路出现故障，链路通信模式失效，电台检测到在一定时间内与测控链路无有效信息交互，电台自动启动应急工作状态，机载电台进入中继通信模式。此时，两个通道的工作参数有两种确定方式：如果测控链的遥控链路失效，电台调用事先设置好的默认工作参数；如果测控链路只是遥测链路失效而遥控链路有效，机载电台的工作参数仍然可以由地面进行控制更改，但不能接收到电台的回传参数。应急工作状态下，地面控制站内配备的超短波地面电台作为中继通信节点参与通信。

3 通信距离计算

对于超短波通信，它的工作波长只有数米至数十米，电磁波的绕射能力有限，通信容易受到环境遮挡的影响，所以通常受视距范围限制。通信距离的另一个影响因素是电台的通信能力，其中电台的有效发射功率和接收灵敏度最重要，除了与电台收发信机相关，还与配套天线的增益和连接电台收发信机和天线之间的电缆插损直接相关。

3.1 视距

视距是通信双方能够无遮挡直接看到对方的最大距离，可以理解为电磁波沿直线传播的最大距离。

不考虑地形的影响，并近似认为地球为半径为r的理想球体，考虑通信双方为点对点通信，可将视距计算简化为如图6所示的平面模型。

图6 理论视距计算模型

设通信双方的天线高度分别为h1和h2，则理论视距为双方天线刚好切着地平线看到对方时的距离，即图中的d1+d2，则理论视距可表示为：

考虑h1、h2远小于r，式（1）可近似为：

取r=6 370 km，则可得出如表1所示的地-空理论视距。

表1 不同条件下的理论视距 /km

对于地-空通信来说，通常地面天线架高有限且远小于飞机飞行高度。从表1中可看出，飞机飞行高度对视距的影响较为显著。空-空视距与上述计算方法相同，只需将另外一架飞机的飞行高度代入h2即可。当通信双方任意一方天线高度较低时，其视距容易受地面天线周边地理环境，如地形地貌、植被、建筑物等遮挡影响，需要根据实际情况综合考虑。

3.2 电台性能

机载超短电台的性能是决定超短波通信系统的性能最重要因素。不考虑外界影响，电台的通信能力只与其接收灵敏度、发射功率、天线增益和线缆插损有关。不考虑环境干扰时的灵敏度计算公式如下：

其中，NF为接收机的信道噪声系数，BW为信号解调带宽，S/N为灵敏度判据规定的信噪比。该电台接收机信道噪声系数NF=7 dB，灵敏度信噪比以10 dB作为判据，以AM或FM窄带话音信号解调带宽BW=4.5 kHz为例，将NF、BW代入式（2），可得Pr=-120.5 dBm。

在FM模下，由于存在阈值效应，实际灵敏度较理论值降低3～4 dB，因此FM模式灵敏度约为-116.5 dBm。对于调制度为m的普通AM调制信号，载频不携带信息，传输信息的是边带信号，总边带功率与载频功率相差10lg(0.5m2) dB。假设信号调制度m=30%，则总边带功率与载波功率相差 13.5 dB。不考虑环境噪声时，30%调制度的AM信号灵敏度应为-120.5+13.5=-107 dBm。可以看出，调幅信号调制度越大，对应的灵敏度越高。所以，通常要求发射机的发射调幅信号调制度尽可能高，但不能超过100%即过调，否则将导致接收端解调信号严重失真或无法解调。

电台实际灵敏度除了与接收机特性和信号特性有关外，还与环境电磁干扰有关。对于机载环境，它主要分为宽带噪声干扰和点频干扰。点频干扰信号如果在接收频点附近，会因接收机滤波器抑制不足导致射频前端器件非线性工作，造成信道阻塞或产生交调、互调干扰信号进入接收机后端。点频干扰对接收机的影响主要通过判断干扰信号是否造成接收电路饱和，通常以器件是否工作在1 dB压缩点回退10 dB作为判据。宽带噪声干扰因其具有宽带特性而覆盖整个通信频谱，会随有用信号一起进入接收机。对于常规非抗干扰通信，当噪声强度与有用信号强度达到可比拟的程度，则会造成无法解调。即使能够解调，也会带来话音质量降低或数据误码率升高的问题。

设环境噪声功率谱密度为NT，与-174+NF进行比较，取较大值后，利用式（2）进行计算，即考虑噪声干扰下的接收机灵敏度表示为：

电台的另一个重要性能是发射功率。本系统机载电台AM调制发射功率为10 W，FM调制发射功率为15 W。

3.3 通信距离

通信过程是通信双方相互收发的过程，实际通信能力按收发距离较短的一方为准。为便于计算，假设通信双方电台性能相同。以本机接收到对方发射的信号强度刚好为本机接收灵敏度为准进行计算，则灵敏度可表示为：

其中，Pt为发射机输出功率，Gt为发射机天线增益，Gr为接收机天线增益，Lt为发射机馈线损耗，Lr为接收机馈线损耗，Lp为空间传播损耗。

对于机载电台，可取如下典型值：Pt=10 W （40 dBm），Gt=-3 dB，Gr=-3 dB，Lt=2 dB，Lr=2 dB。 对于30%调制度AM信号，电台接收灵敏度 Pr=-107 dBm，则可计算出允许的空间传播损耗为Lp=137 dB。需要说明的是，通常发射和接收共用一付天线，以其工作频段兼顾考虑折中设计。对于工作频段内不同的频点，天线在某一方向的增益往往存在差异。天线在飞机蒙皮的安装位置附近机体各个方向的遮挡情况不同，天线增益方向图也有差异[6-7]。

超短波传播的空间损耗可表示为：

其中，f为以吉赫兹为单位的信号工作频点，d为以千米为单位的传输距离，可得：

以国际救生频点0.121 5 GHz为例，计算得到通信距离为d(f=0.1215GHz)=1 390 km。该值为理想值，实际通信距离需要考虑多径效应等造成的信号衰落影响，通常需要将信号强度回退10 dB左右，计算得到的理论通信距离d0=439 km。假设通信双方的视距为D，电台的理论通信距离为d0，则双方实际通信距离为min(D,d0)。

4 无人机通信系统测试

4.1 单机测试

实验室单机测试主要考核无人机电台收发信机的收发性能。图7给出了测试框图，分别进行了电台通道1和通道2调幅和调频方式下的技术指标测试。其中，最重要的指标为接收灵敏度和发射功率。在工作频段内，AM工作方式下灵敏度在-106.5～ -107.8 dBm，发射载波功率11.3～12.1 W；FM工作方式下，接收机灵敏度在-116.2～-117.6 dBm，发射载波功率16.1～17.9 W。电台的其他功能指标均符合通信规定的要求。

图7 机载超短波电台实验室测试

4.2 外场飞行测试

为了验证根据本设计研制的无人机超短波通信系统的实际应用性能，将该系统装配在某大型无人机及其配套地面控制站中，并在西北某机场开展了飞行测试。测试环境，如图5所示。在近场使用2台陪测地面电台作为通信节点A和通信节点B，地面电台天线架高12 m。测试只针对超短波话音通信，不计算测控链路距离。测试结果为无人机与外界通信节点之间的距离，通信距离以通话质量比在近距离通信时刚开始显著降低作为评判标准。飞机多次进行在500～6 500 m飞行高度条件下的链路和中继通信方式的话音通信。测试结果表明，当飞机飞行高度大于6 500 m时，地-空通信距离普遍大于300 km；随着飞行高度的降低，通信距离随之减小；当飞行高度降低至500 m时，通信距离普遍为85～100 km。可见，测试结果与理论计算值趋势大致吻合，但存在一定偏差，表2给出了某次测试结果。

表2 无人机超短波通信系统某次话音通信测试结果

在飞机的常规升限（设10 km）范围内，电台的理论通信能力大于地-空视距，所以电台的实际地-空通信距离取决于视距。根据对本系统机载电台的性能测试结果，将表1计算的理论地-空视距与表2实际测试通信距离比较发现，某些情况下实际通信距离大于或小于理论视距，某些情况与理论值较为吻合。实测结果与理论值有偏差，主要原因有几点：（1）测试环境近场附近有山地，当飞机远离陪测电台时，容易受到地形遮挡；（2）飞机在飞行过程中，陪测电台与飞机之间的方向不断变化，遮挡情况也会随之变化，而地球实际不是绝对球形，实际视距大于或小于理论视距；（3）地球膨胀因子对视距的影响暂未考虑；（4）测试现场空间电磁干扰或机上舱内其他设备电磁干扰，电台接收灵敏度降低；（5）飞机飞行姿态变化，如转弯、盘旋等，可能导致机体对天线遮挡，影响通信方向的天线增益；（6）在不同的飞行高度和地形情况下，多径效应对信号的影响程度不同。。

由于测试条件的限制，未能进行数据通信和空-空话音通信的测试。按照前文理论计算，空-空视距将显著增加，预计空-空通信距离将比地-空通信增加。当后续条件具备时，将补充该项测试。

5 结 语

本文通过对超短波通信特性的分析，根据无人机对通信系统的需求，结合无人机的特点，分别设计了超短波机载电台、电台地面收发控制设备、超短波地面电台，研制了一种适用于无人机的超短波通信系统，并借助无人机测控链路，使得该系统具备话音和数据通信能力。对机载超短波电台进行实验室测试，接收灵敏度、发射功率等指标均达到预期值。通过将该系统装配在无人机及配套地面控制站中进行飞行话音通信验证测试，结果表明通信距离测试值与理论值基本吻合，在足够高的飞行高度情况下，地-空通信距离达到300 km以上，满足无人机通信的需求。根据应用需求，目前该系统只实现了窄带通信功能，但具备宽带通信的扩展能力，将在后续工作中进行验证。该系统普遍适用于大中型无人机，能够显著提升飞机的通信能力和任务效能，并可通过适当改装适用于有人机，在机载通信领域具有较高的应用价值。