基于双向透明的超短波转发系统设计与仿真*

田华明，王传刚，田沿平

（海军航空大学青岛校区，山东 青岛 266041）

0 引言

飞行校波是机场必需经常进行的工作。为了确保对空通信的质量，飞机起飞之前，地面指挥塔台和机载电台之间都要进行飞行校波，根据实际的语音通话效果来检验电台设备、传输路径、电磁干扰等相关因素对信号质量的影响。超短波是对空通信指挥的主用手段，由于超短波通信存在的直线视距局限，当塔台与机库、机篷之间存在障碍物时，校波往往不能顺利实施。遇到这种情况，需要将飞机牵引到塔台信号覆盖的范围内才能完成校波，增加了飞行准备的时间和工作量，校波的效率降低，不利于飞机的紧急出动。因此克服障碍物的影响、提高校波的效率是亟待解决的问题。

1 转发系统的总体设计

1.1 设计思路

针对机场出现的障碍物遮挡的校波不畅问题，需要设计一种能够克服视距通信局限、提供校波通道的转发系统。在保持双方电台信号调制特性不变的前提下，通过改变信号的传播方向，使塔台电台与机载电台之间信号的双向传输。该系统在转发时，只改变来波的方向不改变信号的调制特性，保持电台信号的调制一致性，实现校波的真实性和可靠性，这就是超短波电台的透明转发系统。

转发是将接收到的无线、电子或光学信号进行相关处理并重新发射出去的过程。通过转发，实现了信道之间的连接，对传播过程中损耗的信号进行放大、重整或者重建，起到扩展信号传输距离的作用。在转发过程中也可以采用定向天线，改变信号的传输路径，克服障碍物的遮挡或避开危险区域，实现信号的转向传输。转发有透明转发和处理转发两种。透明转发是对信号只做放大外不做其他处理，而处理转发是对信号进行解调再生和格式转换后再进行转发[1]。本文针对机场校波的需要，采用双向透明转发系统。

1.2 结构模型

转发是在塔台电台和机载电台之间双向进行的，转发系统的结构模型和信号工作流程的设计如图1 所示。

图1 定向转发系统结构模型

图1 中，有甲乙两部电台，分别构设两个收发通道，满足机场校波过程中半双工工作特性。为了满足信号不失真、不改变调制特性收发的要求，甲乙两部电台采用与机场塔台电台同体制电台，为了信号收发过程中互不影响，甲乙电台分别采用定向天线，收发过程受到转发控制装置的协同控制。

转发系统信号工作流程为：当塔台发射信号，转发装置中甲电台作为接收电台，定向接收塔台电台的射频信号，该射频信号一路加到乙电台的发射机电路，另一路通过甲电台接收机产生与之相应的中频信号，经过转换控制板中的中频检测电路产生直流控制信号，激发乙电台进入发射状态，通过定向天线将从甲电台接收机来的射频信号转发给飞机上的电台。同理，当飞机上电台呼叫时，信号工作过程反向，完成了塔台与飞机之间信号的双向校波[2]。

1.3 功能要求

从图1 的结构和信号工作流程可以看出，定向转发系统需具备下列4 项功能。

（1）透明转发。甲乙电台接收到信号后不做作调制特性、工作方式等其他任何处理，直接送到对方电台的发射机进行转发，此时信号有放大但没有调制特性的改变，实现信号的透明转发。

（2）定向转发。为了甲乙两部电台半双工工作方式不受影响，采用定向天线，在甲乙两部电台收发信号时，相互隔离，保证收发通道中信号的纯净性。通常两天线的隔离度在30 dB 以上[3]。

（3）自动转发。转发控制装置作为一个相对独立的安装设备，具备自动收发转发控制功能，不需要塔台和机务人员额外操作。

（4）双向转发。透明转发装置不仅要转发塔台至机载电台方向的信号，也要能转发机载电台至塔台方向的信号。

2 透明转发系统电路设计

2.1 总体电路

根据图1 的工作流程和设计思路，定向转发系统电路设计如图2 所示。

图2 转发系统总体电路原理

图2中，定向转发系统由甲电台、转发控制装置、乙电台3 个部分组成。信号的接收和发射仍采用甲乙电台的收发通道，以保持信号传输过程中的调制特性不变透明特征，其中K4 是接收机的中频信号均衡放大器，D4 是发射机收发状态判断器件，进行电台发射和接收状态判断，并将PTT（Push to talk，按键发话）电平送入功放电路，控制功放的工作状态。“转发控制装置”是根据信号转发需要设计的，主要包括中频峰值检波电路、直流放大电路和收发控制电路3 个部分。电台为货架产品，下面对新研发的“转发控制装置”中3 个主要电路进行分析。

2.2 中频峰值检波电路

中频检测电路如图3 所示，将图2 中接收机的混频放大器输出中频信号Vi进行峰值检波[4]，形成直流控制电压Vo，作为收发控制电路的触发信号。

图3 中频峰值检波电路的设计

中频信号是电台中幅度稳定、幅频特性较好的信号，用作转换装置的触发信号能够提高系统工作的稳定性。

2.3 直流放大电路

图2 中直流放大电路的N2选用LM358 双运算放大器，其放大倍数能达到10 000 倍以上，能够满足逻辑电平的需求，放大倍数计算公式为：在图2 中为满足电平触发和电路稳定需要，R1为2 kΩ，R2为18 kΩ，因此Avi=10。

2.4 收发控制电路

在电台中，收发控制信号PTT 为低电平时，电台处于发射状态，PTT 为高电平时，电台处于接收状态，因此收发控制电路通过继电器控制PTT 电平从而控制甲乙两电台进行双向协同转发。收发控制电路采用继电器控制的主要原因是要进行检波电路与电台的PTT 信号之间的电平转换[5]。在图2 中，甲电台收到信号后，N1输出高电平，T1工作，PTT2为低电平，使得乙电台处于发射状态，将甲电台接收过来的射频信号经过乙电台发射电路的信号放大处理之后，通过乙电台的重发天线透明转发出去，同时通过继电器T3工作，使得开关K2断开，切断当乙电台接收到的射频信号传输途径。当乙电台收到信号（此时甲电台无接收信号）后，N2输出高电平，继电器T2工作，PTT1为低电平，使得甲电台处于发射状态，将乙电台接收的射频信号经过甲电台发射电路的信号放大处理之后，通过甲电台转发出去，实现了双向透明转发的功能。由于继电器T3对K2的控制，实现双向转发过程中，甲电台信号优先转发的功能，符合塔台优先的工作流程需要。

3 定向转发系统性能仿真

定向转发系统中，电台是货架产品，工作性能稳定，需要对转发控制装置的工作特性进行仿真，来验证电路工作的可靠性。针对设计的电路特性，采用Multisim 软件进行仿真验证。

3.1 仿真电路设计

根据图2 中的电路原理，在Multisim 中进行仿真电路的设计，如图4 所示。

图4 定向转发系统的仿真电路设计

图4 中，仿真数据和结果用4 个示波器显示，其中示波器XSC1 显示的是甲电台接收机中频输入和输出峰值检波电路的信号，示波器XSC2 显示的是乙电台发射支路信号，示波器XSC3 显示的是乙电台接收机中频输入和输出峰值检波电路的信号，示波器XSC4 显示的是甲电台发射支路的信号。

3.2 信号源的设计

仿真设计中，信号源模拟电台接收机产生的中频信号，因此采用AM 调幅波发生器，产生一个12 MHz、0.15 V、调制话音频率为1 kHz、调制度为0.8的调幅信号，来模拟电台经过混频器之后产生的中频调幅信号[6]。信号源的模型如图5 所示，波形如图6 所示。

图5 模拟信号源模型

图6 模拟信号源输出波形

3.3 仿真过程和结果分析

根据图1 中定向转发系统信号流程和图2 中电路原理，图4 的仿真过程应包括“塔台发射、飞机接收”“塔台接收、飞机发射”“塔台和飞机同时发射”“塔台和飞机均无发射”4 种情况。

对“塔台发射、飞机接收”的情况进行仿真。由于是塔台发射校波信号，从图1 可以看出，甲电台应接收到塔台的信号，图2 中混频放大器有中频信号输出，因此图4仿真电路中信号源V1接入电路，此时得到的仿真结果如图7 所示。

图7 塔台发射、飞机接收时示波器组波形

图7 中，示波器XSC1 显示的甲电台有接收机中频和峰值检波电路的信号输出，XSC2 显示的是乙电台发射给飞机信号，而XSC3 与XSC4 无信号，符合塔台发射、飞机接收的信号流程。

同理可以得到其他3 种情况的仿真结果，如表1 所示。

表1 仿真结果

从表1 看出，仿真结果符合定向转发系统工作流程，满足双向透明转发要求。

4 结语

通过分析特定环境下超短波电台通信校波的需求，根据现役半双工电台的特点，研发具有双向透明转发功能的转发系统，给出了系统工作流程、具体电路，并对电路进行仿真，从理论分析和仿真结果上看，能够实现超短波信号保真、可靠传输，提高机场校波的质量和效率，且并不改变信号调制特性，符合透明转发的要求。为了提高转发系统的使用效果，在安装架设的过程中，要根据机库与塔台之间的地理位置和地形特点，科学选择安装位置，适当提高天线的高度，避开障碍物的影响。由于本系统带有射频放大功能，能够对转发的信号进行放大，因此在超短波远距离通信中，还可以安装在山顶或建筑物的高处，为超短波信号提供中继放大作用，进一步拓展超短波通信保障范围。