机载电台无线电通信原理.doc

飞机机载电台无线电通信原理 【摘要】 本论文主要阐述飞机无线电通信的原理、组成以及应用。首先是介绍了飞 机通信的概况，然后进一步说明无线电通信的原理以及实现方法，其实现主要 利用调幅、调频和单边带调制等高频电子技术，此外论文还涉及了无线电抗干 扰噪音抑制、载波抑制即编码抑制等内容，最后对无线电通信技术的发展前景 如跳频、扩展频谱通信及数字通信作了描述。 关键词关键词： 飞机 通信 调制/解调 Abstract:Abstract: The caption mainly expounds the principles of aircraft radio communication, composition and application.The first part is summary of aircraft communications, and then a better depiction of the principles and the realization method, its implementation using mainly AM, FM and single sideband modulation high-frequency electronic technology, in addition to paper also deals with the radio interference noise suppression, carrier-suppressed, that the code suppression etc. At last, the prospects for the development of radio communications technology, such as frequency hopping, spread spectrum communications and digital communications, briefly describe. KeyKey words:words: Aircraft Communication modulation/demodulation 目目 录录 1 1 飞机通信飞机通信 .3 2.2.无线电通信原理无线电通信原理 .3 2.1 无线电波的分类.3 2.2 无线电波传播方式.4 2.2.1 地波（地表面波）传播.4 2.2.2 直射波传播.4 2.2.3 天波传播.4 2.2.4 散射传播.4 2.3 无线电波的特点.5 2.3.1 短波.5 2.3.1.1 短波传播途径.5 2.3.1.2 短波频率范围.5 2.3.2 超短波.6 3 3 无线电通信的实现方法无线电通信的实现方法 .6 3.1 调制.6 3.1.1 调幅.6 3.1.2 调频.7 3.2 解调.8 3.2.1 检波.6 3.2.2 鉴频.6 3.3 单边带.10 3.2.1 单边带概念.10 3.2.2 单边带定义.10 4 4 无线电通信的干扰无线电通信的干扰 .11 4.1 噪音抑制.11 4.2 载波抑制和编码抑制.11 5 5 无线电通信的发展无线电通信的发展 .12 5.1 扩展频谱通信.12 5.1.1 直接扩展频谱通信.12 5.1.2 跳频通信.13 5.2 数字通信.14 6 6 小结小结 .15 结 束 语.15 谢 辞.16 1 1 飞机通信飞机通信 现代通信经过有线通信系统利用导线传送信息；无线通信系统利 用电磁波传送信息；发展到光纤通信系统利用光导纤维传送信息。 飞机通信采用无线电系统，其原因不言而喻。 无线电是指在自由空间（包括空气和真空）传播的电磁波，无线电技术是 通过无线电波传播信号的技术。 无线电技术的原理在于，导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这 一现象，通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收 信端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。 通过解调将信息从电流 变化中提取出来，就达到了信息传递的目的。 无线电通信实现原理：将声频或视频信号经过载频调制成调幅波或调频波， 然后再通过功率放大，经由天线发射出去！接收方由天线接收到信号后，进行 检波或鉴频电路将原来的声频或视频信号分离出来，再进行放大，最后通过扬 声器或显示设备将声频或视频还原出来。 电波在各种媒介质及其分界面上传播的过程中，由于反射、折射、散射及 绕射，其传播方向经历各种变化，由于扩散和媒介质的吸收，其场强不断减弱。 为使接收点有足够的场强，必须掌握电波传播的途径、特点和规律，才能达到 良好的通信效果。 2.2.无线电通信原理无线电通信原理 2.12.1 无线电波的分类无线电波的分类 无线电广播、无线电通信、卫星、雷达等都依靠无线电波的传播来实现。 无线电波一般指波长由 100,000 米到 0.75 毫米的电磁波。根据电磁波传播 的特性，又分为超长波、长波、中波、短波、超短波、微波等若干波段，其中： 超长波的波长为 100,000 米-10,000 米，频率 3-30 千赫；长波的波长为 10,000 米-1,000 米，频率 30-300 千赫；中波的波长为 1,000 米-100 米，频率 300 千 赫-3.0 兆赫；短波的波长为 100 米-10 米，频率为 3.0-30 兆赫；超短波的波长 为 10 米-1 米，频率为 30-300 兆赫，波长在 1 米以下通称为微波。频率与波长 的关系为：频率=光速波长。 航空和航海中的话音通信波段为短波或超短波，又称为高频（HF- High Frequency ）或甚高频（VHF- Very High Frequency） 。使用的机载设备为短波电 台或超短波电台。 2.22.2 无线电波传播方式无线电波传播方式 2.2.12.2.1 地波（地表面波）传播地波（地表面波）传播 沿大地与空气的分界面传播的电波叫地表面波，简称地波。其传播途径主 要取决于地面的电特性。地波在传播过程中，由于能量逐渐被大地吸收，很快 减弱（波长越短，减弱越快） ，因而传播距离不远。但地波不受气 候影响，可 靠性高。超长波、长波、中波无线电信号，都是利用地波传播的。短波近距离 通信也利用地波传播。 2.2.22.2.2 直射波传播直射波传播 直射波又称为空间波，是由发射点从空间直线传播到接收点的无线电波。 直射波传播距离一般限于视距范围。在传播过程中，它的强度衰减较慢，超短 波和微波通信就是利用直射波传播的。 2.2.32.2.3 天波传播天波传播 天波是由天线向高空辐射的电磁波遇到大气电离层折射后返回地面的无线 电波。电离层只对短波波段的电磁波产生反射作用，因此天波传播主要用于短 波远距离通信。 2.2.42.2.4 散射传播散射传播 散射传播是由天线辐射出去的电磁波投射到低空大气层或电离层中不均匀 介质时产生散射，其中一部份到达接收点。散射传播距离远，但是效率低，不 易操作，使用并不广泛。 2.32.3 无线电波的特点无线电波的特点 2.3.12.3.1 短波短波 电离层是指从距地面大约 60 公里到 2000 公里处于电离状态的高空大气层。 上疏下密的高空大气层，在太阳紫外线、太阳日冕的软 X 射线和太阳表面喷出 的 微粒流作用下，大气气体分子或原子中的电子分裂出来，形成离子和自由电 子，这个过程叫电离。产生电离的大气层称为电离层。电离层分为 D、E、F1、F2 四 层。D 层高度 60-90 公里，白天可反射 2-9MHz 的频率。E 层 高度 85-150 公里，这一层对短波的反射作用较小。F 层对短波的反射作用最大， 分为 F1 和 F2 两层。F1 层高度 150-200 公里，只在日间起作用，F2 层高度大 于 200 公里，是 F 层的主体，日间夜间都支持短波传播。 电离层的浓度对工作频率的影响很大，浓度高时反射的频率高，浓度低时 反射的频率低。电离的浓度以单位体积的自由电子数（即电密度）来表示。 电离层的高度和浓度随地区、季节、时间、太阳黑子活动等因素的变化而 变化，这决定了短波通信的频率也必须随之改变。 2.3.1.12.3.1.1 短波传播途径短波传播途径 短波的基本传播途径有两个：一个是地波，一个是天波。 如前所述，地波沿地球表面传播，其传播距离取决于地表介质特性。海面 介质的电导特性对于电波传播最为有利，短波地波信号可以沿海面传播 1000 公 里左 右；陆地表面介质电导特性差，对电波衰耗大，而且不同的陆地表面介质 对电波的衰耗程度不一样（潮湿土壤地面衰耗小，干燥沙石地面衰耗大） 。短波 信号沿地面最多只能传播几十公里。地波传播不需要经常改变工作频率，但要 考虑障碍物的阻挡，这与天波传播是不同的。 短波的主要传播途径是天波。短波信号由天线发出后，经电离层反射回地 面，又由地面反射回电离层，可以反射多次，因而传播距离很远（几百至上万 公里） ， 而且不受地面障碍物阻挡。但天波是很不稳定的。在天波传播过程中， 路径衰耗、时间延迟、大气噪声、多径效应、电离层衰落等因素，都会造成信 号的弱化和畸 变，影响短波通信的效果。 2.3.1.22.3.1.2 短波频率范围短波频率范围 电离层最高可反射 40MHz 的频率，最低可反射 1.5MHz 的频率。根据这一特 性，短波电台工作频段被确定为 1.6MHz - 30MHz。 2.3.22.3.2 超短波超短波 超短波通信就是利用直射波传播的。在地面进行直射波通信，其接收点的 场强由两路组成：一路由发射天线直达接收天线，另一路由地面反射后到达接 收天线，如果天线高度和方向架设不当，容易造成相互干扰。 限制直射波通信 距离的因素主要是地球表面弧度和山地、楼房等障碍物，因此超短波天线要求 尽量高架。 机载超短波电台实际工作频段为 108.000MHz - 400MHz。 3 3 无线电通信的实现方法无线电通信的实现方法 在无线电通信中，传送信息的载体是特定频率的载波（也称为主频）。那 么信息又是如何放到载波上的呢？这就引出了“调制”的概念。调制就是将信 息的动态波形通过一定形式加到载波上发送出去，接收台收到被调制的载频信 后，再还原信息。调制分为幅度调制（简称“调幅”）、频率调制（简称“调 频”）、相位调制 （简称“调相”）三种。 调制信号在接收端通过解调还原出传送信息，幅度调解调称为检波，频率 解调称为鉴频，相位解调成为鉴相。 飞机通信有幅度调制、频率调制两种方式。 3.13.1 调调制制 3.1.13.1.1 调幅调幅 我们不可能直接传送话音，我们先用一个转换装置将话音信号（也就是人 说的话）转换成振幅平缓变化的电压信号，这就是我们要传输的信号，叫做调 制信号，然后将调制信号与一个高频率的信号在一个相乘器里相乘，就会得到 另一高频率的信号，它的包络（所谓包络就是连接周期信号每个周期内波峰的 假想线）随着调制信号幅度的变化而变化，我们把这个高频信号叫做载波，把 已经调制好的信号叫调幅波。 就是说，我们要传输的话音信号已经包含在了调幅波中，换句话，就是我 们把调制信号从低频搬移到了高频，以便利用电离层传播。这样我们通过发射 装置将已调信号发射出去，在接收端接收信号后，通过解调装置恢复出原信号， 在经过转换装置将电压信号恢复成人的普通话音，就实现的两地之间两个人的 通话目的，这也是通信电台的基本原理。 幅度调制中，输出已调信号的包络与输入调制信号成正比，其时间波形表 达为： =cos SAM ttf Ucm c c （3.1.1） 式中载波幅度； Ucm 调制信号，它可以是确知信号，也可以是随机信号；tf 载波角频率； c 载波的初相位。 c 3.1.23.1.2 调频调频 载波的频率随着话音信号（调制信号）幅度的变化而变化，话音信号幅度 大，载波的频率相应变大，话音信号幅度小，载波的频率相应变小，注意，这 里变化的是频率，而不是幅度，这也是调频和调幅的区别，我们经过调制，就 得到了一个频率随着调制信号变化而变化的已调信号，我们称之为“调频信号” 。 通过调相实现调频的方法： 间接调频：根据 FM 波与 PM 波的关系，即频率与相位的关系，实现调频。 FM 波的表达式： （3.1.2） t fcm dttttv vkV 0 cos 则： （3.1.3）FM 0 调相器积分器 dttt t fvkv 方法： 由调频与调相的内在联系，将调制信号进行积分，用其值进行调相，便得 到所需的调频信号。 载波电压 Vmcosct 通过调相器后引入一个附加相移 (t)， 即 vO(t) = Vmcosct + (t)。 若附加相移受到 v(t) 的积分值的控制，则输出的已调波 dt v k t t 0 1 信号为 （3.1.4） dtttt t pcmvkkVv 0 10 cos （3.1.5） t fcm dtttt vkVv 0 0 cos 当时，上式可表示为tt Vv m cos （3.1.6） ttt V kkVv m pcm sincos 10 （3.1.7）ttt MVvfcm sincos 0 式中，Mf = kp(k1Vm/) = m/，m = kpk1Vm Mf：调频指数，与调制信号振幅 Vm 成正比。 图 3-1 调频信号 3.23.2 解调解调 调制信号在接收端通过解调还原出传送信息，幅度调制信号解调称为检波， 频率调制信号解调称为鉴频，相位调制信号解调称为鉴相。 3.2.13.2.1 检波检波 对于普通幅度调制信号分为以下两种解调方法 包络检波：利用普通调制信号的包络，将包络提取出来，就可以恢复原 来的调制信号。 包络检波由非线性器件和低通滤波器两部分器件实现。 同步检波：采用与发射波同频同相的 同步信号，将调制信号取出。“同 步检波”也称相干检波 ,适用于所有线性幅度调制 信号。 抑制载波的双边带或者单边带调幅只能通过 “同步检波”来解调。 同步检波一般由乘积器实现，直接把本地恢复载波与接收信号相乘，用 低通滤波器将低频信号提取出来。在这种 检波器中，要求恢复载波与发端 的载波同频同相。如果其频率或相位有一定的偏差将会使恢复出来的调制 信号产生失真。 3.2.23.2.2 鉴频鉴频 在鉴频的各种实现方法中，一般都是先将调频波进行波形变换，将等幅 调频信号变换成调幅调频，然后再用幅度检波的方法，还原出调制信号。 3.33.3 单边带单边带 3.2.13.2.1 单边带概念单边带概念 一般通信系统中，载波音频信号调制后，包含载波频率和上，下两个边带， 这两个边带均能用来传输信息。通常传递信号，仅需要一个边带就可以了，但 在一般的通信系统中，往往把载波频率和上，下边带一起发送去，这样在载波 和另一边带中消耗了发射功率中的大部分功率，而且还要占用较宽的通信频带。 为了提高通信效率和节约通信频带，在通信时，可将载波和另一边带去掉，只 发送一个边带，这种通信方式就称为单边带通信。 3.2.23.2.2 单边带定义单边带定义 单边带就是使用电波波形的一半接收，比如用上边带（USB-upper side band）或者下边带（LSB-Lower Side Band） ，剩下那一半波形因为形状是和那 一半对称的，所以可以用接收机补全，通俗的说就是照猫画虎，上边带和下边 带通信统称单边带（SSB-single side band） ，一般用于无线电通信，民用广 播用的比较少。 单边带通信的优点是：节约频带，节省功率，由于单边带发射机不发送载 频，提高了保密性。 单边带通信的缺点是设备比较复杂。 调幅信号的频谱是由中央载频和上下两个边带组成的。将载频和其中一个 边带加以抑制，剩下的一个边带就成为单边带信号。如果用一个边带再加上部 份载频或全部载频，就成为兼容式调幅信号。 4 4 无线电通信的干扰无线电通信的干扰 4.14.1 噪音抑制噪音抑制 噪音抑制是指降低、抑制或消除无用的无线电信号或噪声，让它们不会从 扩音器传出来。 4.24.2 载波抑制和编码抑制载波抑制和编码抑制 载波抑制在不发射时防止噪声自扩音器出来，因而属于安静的备用作业。 编码抑制让无线电以编码方式只听到他们所要的信息。换言之，它过滤了 转往特定无线电用户以外的所有其它信息，只有编码相同的无线电对讲机在编 码模式下才能听到所发的信号。 无线电通信电台所出现的背景噪声是未使用噪音抑制的结果。大部份无线 电通信电台都配备一个监听按钮，让客户取消噪音抑制、解除编码抑制模式。 通过此按钮，可控制扩音器传出频道上的所有通话语音中的噪声。 5 5 无线电通信的发展无线电通信的发展 5.15.1 扩展频谱通信扩展频谱通信 扩展频谱（SS，Spread Spectrum）通信技术是一种非常重要的抗干扰通信 技术，目前已经被广泛运用在军用和民用通信系统中。扩展频谱一般简称为扩 频或扩谱，在此简称扩谱。 1985 年 5 月，美国联邦通信委员会（FCC，Federal Communications Commission）制定了民用公共安全、工业、科学与医疗和业余无线电采用扩谱 通信的标准和规范。这标志这扩谱通信技术已经成为一种成熟的通信技术而被 商用化。目前，关于扩展频谱通信技术的研究仍然在行进之中，与新兴技术的 结合，提高扩谱通信的传输效率和可靠性成为扩谱技术研究的新热点。 5.1.15.1.1 直接扩展频谱通信直接扩展频谱通信 扩展频谱信号的带宽是由特定的扩频函数决定的，而伪随机序列正是扩展 频谱信号的扩频函数，因此，伪随机序列在扩谱通信中起着非常重要的作用。 在直扩系统中，用伪随机序列将传输信息带宽扩展，在接收时又用它将信号频 谱压缩，并使干扰信号频谱扩展，降低了干扰信号的功率频密度，提高了系统 的抗干扰能力。 5.1.25.1.2 跳频跳频通信通信 跳频是一种利用载波跳变实现频谱展宽的扩频技术。广泛应用于抗干扰 的通信系统中。其方法是把一个宽频段分成若干个频率间隔（称为频道，或 频隙） ，由一个伪随机序列控制发射机在某一特定的驻留时间所发送信号的 载波频率。在跳频系统中，用伪随机序列控制频率合成器产生随机跳变的频率 ，躲避干扰。 当接收机的本地振荡信号频率与接收机输入信号的频率按同一规律同步 跳变，那么，经过变频以后，将得到一个固定的中频信号即把原来的频率跳 变解除，这一过程称解跳或去跳。 分类：跳频可分为慢跳频和快跳频。慢跳频是指跳频速率低于信息比特 率，即每跳可传输连续几个信息比特。快跳频是指跳频速率高于信息比特率 ，即一个信息比特需要多跳来传输。跳频还可分为单通道跳频和双通道跳频 。 5.25.2 数字通信数字通信 根据信号方式的不同，通信可分为模拟通信和数字通信。 在电话通信中， 用户线上传送的电信号是随着用户声音大小的变化而变化的。这个变化的电信 号无论在时间上或是在幅度上都是连续的，这种信号称为模拟信号。在用户线 上传输模拟信号的通信方式称为“模拟通信” 。 实现数字通信，必须使发送端发出的模拟信号变为数字信号，这个过程称 为“模数变换” 。模拟信号数字化最基本的方法有三个过程，第一步是“抽样” ， 就是对连续的模拟信号进行离散化处理，通常是以相等的时间间隔来抽取模拟 信号的样值。第二步是“量化” ，将模拟信号样值变换到最接近的数字值。因抽 样后的样值在时间上虽是离散的，但在幅度上仍是连续的，量化过程就是把幅 度上连续的抽样也变为离散的。第三步是“编码” ，就是把量化后的样值信号用 一组二进制数字代码来表示，最终完成模拟信号的数字化。 数字通信的早期历史是与电报的发展联系在一起的。20 世纪 90 年代，数 字通信向超高速大容量长距离方向发展，高效编码技术日益成熟，语声编码已 走向实用化，新的数字化智能终端将进一步发展。 数字通信涉及的技术很多，最基本的是数字逻辑电路，按照通信的过程排 序，可以有模拟