多通道甚高频遥控通信系统分析

李 明

（中国民用航空飞行学院，四川 广汉 618300）

0 引言

现阶段甚高频通信已成为民航地空通信的主要应用模式，用于围绕航空器驾驶员、地空交通管制、地面服务保障等主体间提供语音通信功能，实现指令的实时传递，其通信效果与语音指令传递时效性将直接影响到航空安全。近年来伴随民航事业的发展，甚高频通信业务量也呈现出持续增加趋势，对于多部电台资源共享与分时使用提出现实要求。

1 甚高频通信原理与设计需求

1.1 通信原理

甚高频通信过程可划分为两个环节：其一是信号发射环节，通过内话系统将空管人员的语音信号传递至发射机，经调制、放大、变频、过滤等流程转化为电磁波，并利用天线进行发射；其二是信号接收环节，利用接收机天线实现对射频信号的接收，经放大、变频、解调等处理流程转化为音频信号，通过内话系统传回管制端[1]。

1.2 设计需求分析

当前内话系统、卫星地面站、调压器、信号发生器、甚高频电台、不间断电源对于地空通信效果与稳定性均存在不同程度影响：由于甚高频电台从信号发生器处接收信号，诸如电台覆盖范围、甚高频接收机性能等均有可能对信号源造成干扰，影响到控制端接收信号的质量；当发射机或天馈系统存在性能缺陷或出现故障，将使控制端发出的信号质量受到影响；此外，诸如内话设备功能设置不当、卫星地面设备发生故障等因素，均会影响到甚高频遥控系统的主体性能，对于相关设备的运行性能提出较高要求。

2 多通道甚高频遥控通信系统设计

2.1 系统整体设计

2.1.1 硬件设计

本文基于MH/T 4001.1—2016《甚高频地空通信地面系统 第1部分语音通信系统》等技术标准与航空管制实际需求，分模块完成多通道甚高频遥控通信系统的设计（系统结构如图1所示）。该系统由中央控制机、甚高频电台、监控计算机、网络交换机以及终端设备组成，其中中央控制机被划分为以下4个模块：其一是协议转换模块，采用C8051F120、CP2200两种单片机分别承担采样、接口功能，围绕甚高频电台与监控计算机间实现由REM总线协议向以太网协议的转换；其二是语音交换模块，利用C8051F120与CD22M3494分别承担控制与交换功能，搭配74HCT245总线驱动器、74HC573数据锁存器，用于提供语音通信通道，应通过减少共用元件数量抑制通信时效问题的蔓延；此外，还包含电台、终端两个接口模块，可提供2/4线转换、接口直连等功能，并通过分离元器件强化模块安全保障。监控计算机主要用于调整系统配置，基于以太网协议建立与中控机、终端设备的连接功能，支持实时监控。终端设备模块采用嵌入式ARM平台，主要负责执行语音信号的收发，并针对系统发出的信令作出响应、实现控制功能，针对用户终端设备、状态信息及触摸屏等实现远程控制。

图1 系统结构框

2.1.2 软件设计

在系统软件设计上，以硬件设计中的4个基本模块为基准进行软件设计与开发，其中协议转换软件主要用于实现电台接口专有协议与以太网协议间的转换，语音交换软件用于控制矩阵开关执行具体动作，监控软件用于实现对甚高频电台与终端运行状态信息的实时获取、调节系统内部参数配置，终端软件用于将用户发出的指令转发给管制员、同时向双方反馈甚高频电台各通道的具体情况。在Windows XP操作系统环境下运行软件，采用嵌入式Linux方案进行功能模块设计，并基于Qt Creator进行软件开发，利用交叉编译原理将ARM11架构下编译好的程序文件移植在ARM架构下，为终端盒软件提供运行环境。

2.2 监控系统程序设计

2.2.1 主程序设计

首先在主程序启动流程设计上，依次完成主窗口和演示窗口的初始化，完成相关参数赋值及显示，设计布局；通过修改数据完成网络服务对象的设置，实现对协议转换、语音交换等模块的配置；接下来围绕信号、槽间建立连接，等待用户提交业务请求并作出响应；最后依据用户发出的指令执行关闭操作，结束运行。其次在上层设备控制发送数据的流程设计上，操作人员点击演示窗体功能的按键后触发具体操作，在演示窗口处实现控制数据，并通过以太网将数据传送给服务对象，完成数据控制与发送过程。最后在下层设备接收并显示数据的流程设计上，待运行数据后判断上层发送的UDP数据是否成功到达，服务对象接收UDP数据并记录数据源的IP地址，经遍历查找定位该IP地址的目标设备，判断是否查找到该设备并完成数据模型的更新，随后在演示窗口查看设备的指针是否指向数据模型并读取其实时数据、在窗口予以显示，以此完成一次接收的过程[2]。

2.2.2 对象模型建立

基于Qt环境下的model-view架构建立对象模型，采用UML类图进行关系描述，针对指定设备设计数据模型类，可在view类中表现出来，并且针对各数据模型类分别提供演示窗口类，用于实现数据模型的及时更新，优化用户响应效果，更好地建立模型与用户间的良好交互关系。在此基础上，依据类的功能性差异提供不同文件，例如采用configurewidget，datastruct，displaywidget，net，sqlite，userwidget，warning七种文件夹分别用于定义窗口类、设备数据类、显示窗口类、网络驱动类、成员函数类、用户操作窗口类以及QTime类，完成文件夹分类及类的设计。

2.2.3 类的设计与实现

其中在QWidgetWelcome类设计上，主要用于显示系统界面的图片，在操作人员进入程序后呈现出带有中英文标注的“中国民用航空XX空中交通管理站”具体图片；在QWidgetMonitor类设计上，主要用于显示表格，当操作人员电机表格后即可跳转至具体的子设备、显示所需查看设备的信息；在QWidgetRadioGroup类设计上，主要用于显示电台组界面，供操作人员针对电台运行状态进行实时监控，并且在自动或手动操作模式下发出开、关等基础性指令，控制电台开关、更新电台状态；在QWidgetXu250a类设计上，主要用于显示电台的具体参数与状态信息，通过调用网络驱动命令向协议转换模块发送具体命令，并且实现对电台状态信息的实时更新与显示，借助关联命令与节点实现窗口布局；在QWidgetSwitch类设计上，主要用于显示语音模块的设备状态数据，利用绿、黄、黑、白等不同颜色指示具体的状态信息，供终端进行电台选择，并由用户进行模型属性的定义；在QWidgetTerminalGroup类设计上，主要用于显示终端设备的状态数据，便于向ARM终端发送具体的文本信息[3]。

2.3 用户终端软件设计

2.3.1 主机开发环境

采用Fedora操作系统作为主机开发环境，完成armlinux-gcc，Qt creater，tslib，Qt-Embedded的安装，并在Qt creater的Option窗口下完成参数配置，寻找到对应程序，在Qt Versions界面完成安装操作，建立主机开发的编译环境。

2.3.2 终端软件流程设计

终端软件主要由通道状态显示、网络状态显示、技术部门留言显示与配置等功能模块组成，控制终端设有6个操作按钮，分别显示具体的频率数据。终端流程设计如图2所示。

图2 用户终端软件流程设计

当启动终端软件程序后进行构造函数的初始化、完成窗口布局，随后完成UDP套接字初始化、建立连接，载入本地配置的具体信息，开启定时器观察定时器是否存在超时溢出问题；当定时器超时溢出后，执行定时器操作，判断提出配置请求的次数是否超过10次，并请求上位机配置信息，随后判断最近两次间隔电台通道是否存在状态更新，倘若无状态更新则将6个电台通道状态设为错误状态，接下来判断是否收到切换板广播状态，完成通道状态的更新；再判断是否接收到上位机的配置信息，将所有通道关闭、更新本地配置文件，并重新载入本地配置信息；判断是否接收到上位机的文本信息，完成文本显示框信息的更新；判断是否点击触发电台的通道，再依次判断点击哪一个电台通道、电台下一个状态，向切换板发送切换命令、将该通道状态进行切换，完成该通道状态的更新；最后判断是否可以结束程序，结束终端软件程序的运行。

2.3.3 程序调试与下载

考虑到本文选用的开发环境具有跨平台特点，基于Qt平台以管理员身份进行程序调试，避免出现非法访问程序的问题，并相继完成对程序功能与交换机状态的测试，待完成测试与功能配置后重新完成编译过程，完成字体库、类库等模块的设置。最后运行程序，利用计算机发送指令、完成测试，并将程序下载至开发板中。

3 系统性能测试与改进

3.1 系统测试

首先针对协议转换模块进行测试，从该模块中引出串口线连接甚高频电台，选取直连网线分别与交换机、电源进行连接，判断模块在供电模式下是否处于正常运行状态，观察指示灯的明暗情况，倘若发现转换模块或Led灯状态异常，则说明可能存在虚焊等问题，执行相应故障排查工作；随后启动上位机程序、为模块供电，判断网络连接是否正常、单片机是否处于等待状态、Led有无异常等，并判断IPconfig是否配置正确IP地址，执行后续操作；接下来进行模块重启，重新输入电台IP判断是否实现正确配置，观察显示界面是否呈现出电台的状态信息，并查看其响应情况；最后重复上述流程，判断模块运行状态及稳定性、再现性等性能，执行相应故障排查工作，完成模块测试[4]。

其次针对语音交换模块进行测试，利用直连网线分别实现交换机、电台、接口板、终端等设备的连接，判断该模块是否处于正常运行状态，观察Led灯的显示情况，在出现异常状态时，说明可能存在单片机虚焊、网线与RJ45头异常连接等问题，并执行具体的故障排查与检修工作；随后重复协议转换模块的IP设置流程，判断IP是否实现正常配置；接下来将该模块进行重启，在正确IP地址的条件下针对16个终端分别对应的电台进行收听发送配置，针对各通道连接状态进行检查，通过测试判断能否正常接收到语音信号、有无杂音或串音；最后循环上述流程，针对模块运行状态与性能进行测试，完成模块测试。

最后针对ARM终端模块进行测试，运行上位机测试软件，利用直连网线连接交换机，为终端模块供电、完成配置，并进行测试检查，判断终端是否针对发出的文本消息实现及时响应；随后完成ARM终端模块IP地址的配置，分别与甚高频电台、语音交换模块进行连接，判断终端能否检测到模块信息；待针对切换板进行检测时，分别控制6个通道、判断能否检测到读写状态信息，并利用相应信号进行切换状态的检验；最后重复上述流程，针对ARM终端模块的运行状态与性能进行测试，完成整体系统测试过程，并将测试结果进行记录。

3.2 改进建议

考虑到甚高频遥控通信业务的覆盖高度限制在3 km内，倘若遇到山区等环境将增加DDN链路的接入难度，对于系统性能发挥构成影响，因此可采取以下改进方案：其一是在外部环境、气候条件允许的情况下，可采用扩频电台进行数据传递，选用高级别链路进行信号传输；其二是增设备份链路，用于在主链路断开后实现快速连接；其三是引入新的数据传输路由，利用多种接入设备满足大带宽与覆盖面积的需要，借此有效消除对甚高频遥控通信系统的干扰因素，保障系统的安全可靠运行[5]。

4 结语

本文基于民航甚高频通信业务需求设计了一种多通道甚高频遥控通信系统，综合运用电路交换、以太网、编程软件与嵌入式开发模块，针对系统软硬件、监控软件程序以及终端软件设计思路进行分析，并分模块进行系统整体测试。测试结果表明，该系统在人机界面友好性、可用性、功能实现效果、稳定性、整体性、抗干扰性以及安全性等方面均符合设计要求，能够较好地满足甚高频通信业务需求。