CN104125000A - 航空多天线无线电装置和航空通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种航空多天线无线电装置和航空通信系统。该装置包括：航电总线数据收发单元、基带信号处理单元、数字上变频单元、数模转换单元、发射天线阵列、接收天线阵列、模数转换单元和数字下变频单元，通过依次连接的航电总线数据收发单元、基带信号处理单元、数字上变频单元、数模转换单元以及发射天线阵列，能够发送航电总线数据；通过依次连接的接收天线阵列、模数转换单元、数字下变频单元、基带信号处理单元和航电总线数据收发单元，能够接收数据；通过基带信号处理单元进行多普勒频移补偿，有利于数据的正确调制和解调；并通过将发射天线阵列和接收天线阵列分别形成MIMO结构，能够提高频谱利用率，并提高无线信道容量。

Description

航空多天线无线电装置和航空通信系统

技术领域

本发明涉及航空通信技术领域，尤其涉及一种航空多天线无线电装置和航空通信系统。

背景技术

随着民航事业不断发展，民航飞机数量与流量不断增加，地空数据通信流量也与日俱增。这些数据包括空管数据(ATC)、民航管理与运行数据(AOC)、机载移动通信数据(APC)。

传统空地航空通信采用窄带通信系统，信道容量已逐渐达到饱和，且频谱利用率低。

此外，在飞机航行过程中，高速飞行导致通信系统受到多普勒效应的影响，产生多普勒频移，由于多径效应进一步产生多普勒扩展。多普勒效应会引起接收信号频率产生偏移，对于多载波宽带信号引起严重的子载波间干扰(ICI)，给信号的正确调制解调造成困难。

发明内容

本发明实施例提供一种航空多天线无线电装置和航空通信系统，以提高通信系统信道容量，以补偿多普勒频移。

第一方面，本发明实施例提供了一种航空多天线无线电装置，包括：

航电总线数据收发单元，用于接收航电总线数据，并将所述航电总线数据发送至下述基带信号处理单元，所述航电总线数据包括：空管数据、民航管理与运行数据、机载移动通信数据和工作模式配置数据；

基带信号处理单元，与所述航电总线数据收发单元连接，用于根据工作模式配置数据，对所述航电总线数据进行多普勒补偿处理，还用于对进行多普勒补偿处理后的信号进行调制，得到第一低采样率的基带信号；

数字上变频单元，与所述基带信号处理单元连接，用于将第一低采样率的基带信号转换为第一高采样率的数字射频信号；

数模转换单元，与所述数字上变频单元连接，用于将第一高采样率的数字射频信号转换为第一模拟信号；

发射天线阵列，与所述模数转换单元连接，发射天线阵列按预设距离均匀布设，且相邻发射天线间设有隔离耦合结构，用于以无线电形式发送所述第一模拟信号；

接收天线阵列，与所述发射天线阵列垂直设置，接收天线阵列按预设距离均匀布设，且相邻接收天线间设有隔离耦合结构，用于以无线电形式接收第二模拟信号；

模数转换单元，与所述接收天线阵列连接，用于将所述第二模拟信号转换为第二高采样率的数字射频信号；

数字下变频单元，与所述模数转换单元连接，用于将所述第二高采样率的数字射频信号转换为第二低采样率的数字信号；

所述基带信号处理单元，与所述数字下变频单元连接，用于对所述第二低采样率的数字信号进行多普勒补偿处理和解调；

航电总线数据收发单元，还用于接收经所述基带信号处理单元对所述第二低采样率的数字信号进行处理后的信号。

其中，发射天线阵列中的相邻发射天线间距为5-10m；

接收天线阵列中的相邻接收天线间距为5-10m。

第二方面，本发明实施例还提供了一种航空通信系统，包括：

航空器，所述航空器中配置有本发明任意实施例所提供的航空多天线无线电装置；

空地通信地面基站，与所述航空器通信连接，所述空地通信地面基站上设置有地面发射天线阵列和地面接收天线阵列，用于发射和接收飞行管理数据；

卫星，与所述航空器通信连接，用于在航空器和下述卫星地面站之间采用无线方式进行数据中继发送；

卫星地面站，与所述卫星通信连接，用于通过卫星中继，与航空器采用无线方式进行数据交互。

本发明实施例提供的航空多天线无线电装置，通过航电总线数据收发单元接收航电总线数据，而后通过基带信号处理单元对航电总线数据进行多普勒频移补偿和调制，再通过数字上变频单元将经基带信号处理单元处理后的信号转换为高采样率的数字射频信号，并通过数模转换单元转化为模拟信号，最后通过发射天线阵列实现航电总线数据的发送。本实施例的技术方案，通过接收天线阵列接收模拟信号，而后通过模数转换单元转换为数字信号，并通过数字下变频单元降低信号的采样率，再通过基带信号处理单元进行多普勒频移补偿和解调，将处理后的信号发送至航电总线数据收发单元，实现了数据接收。由于在数据发送和接收阶段通过基带信号处理单元分别进行了多普勒频移补偿，有利于数据的正确调制和解调；而且由于发射天线阵列和接收天线阵列分别形成MIMO结构，在不增加带宽和天线发射功率或天线接收功率的前提下，能够提高频谱利用率，并提高无线信道容量。

本发明实施例提供的航空通信系统，通过在航空器中配置本发明任意实施例所提供的航空多天线无线电装置，并在航空多天线无线电装置的发射天线阵列和接收天线阵列中均采用了多天线结构，能够使航空器直接与空地通信地面基站进行数据传输；通过卫星作为中继，能够实现航空器与卫星地面站之间的通信；并且在航空器不发送航电总线数据时，根据多天线发送的无线电信号，利用导航定位技术，能够实现卫星对航空器的定位功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明，下面将对本发明中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种航空多天线无线电装置的结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的一种航空通信系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案作进一步详细描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

实施例一

请参阅图1，为本发明实施例一提供的一种航空多天线无线电装置的结构示意图。该装置典型的是配置在航空器(例如飞机)中，以实现航空器和地面基站之间数据的交互。

如图1所示，该装置包括：航电总线数据收发单元11、基带信号处理单元12、数字上变频单元13、数模转换单元14、发射天线阵列15、接收天线阵列16、模数转换单元17和数字下变频单元18。

其中，航电总线数据收发单元11用于接收航电总线数据，并将所述航电总线数据发送至基带信号处理单元12，所述航电总线数据包括：空管数据、民航管理与运行数据、机载移动通信数据和工作模式配置数据。

需要说明的是，航电总线数据为航空器和地面基站之间交互的数据。所述工作模式包括多普勒补偿工作模式、以及卫星辅助定位工作模式。所述工作模式配置数据用于触发基带信号处理单元12执行与工作模式对应的操作。

基带信号处理单元12与所述航电总线数据收发单元11连接，用于根据工作模式配置数据，对所述航电总线数据进行多普勒补偿处理，还用于对进行多普勒补偿处理后的信号进行调制，得到第一低采样率的基带信号。

需要说明的是，航电总线数据通常包含较多的低频成分，甚至直流成分，而许多信道并不能传输低频分量或直流分量，因此需要对航电总线数据进行调制。

在飞机航行过程中，高速飞行导致通信系统受到多普勒效应的影响，产生多普勒频移，由于多径效应进一步产生多普勒扩展。其中，多径效应存在于无线电通信的短波通信中。无线通信中的短波通信主要是靠电离层的反射。多径效应是指一个信号经过不同的反射路径到达同一个接收点，但各反射路径的衰落和时延不同，导致得到的合成信号的失真较大。多普勒效应会引起接收信号频率产生偏移，给信号的正确调制解调造成困难，因此，在对航电总线数据进行调制之前，优选进行多普勒补偿。具体地，可以采用多普勒补偿器进行补偿。

进一步地，所述多普勒补偿器包括频移确定单元和频移补偿单元，频移确定单元和频移补偿单元连接，所述频移确定单元，通过飞机飞行数据得到飞行速度和飞行方向；所述频移补偿单元，在一个信号发送时隙内，利用多天线阵列信号中虚拟出一根或几根相对地面天线静止的天线发射信号，从而消除产生的频移。

还需要说明的是，频移补偿单元可以通过内插器和外推器实现。所述多普勒补偿器可以通过可编程门阵列实现，也可通过专用集成芯片来实现。

数字上变频单元13，与所述基带信号处理单元12连接，用于将第一低采样率的基带信号转换为第一高采样率的数字射频信号；数模转换单元14，与所述数字上变频单元13连接，用于将第一高采样率的数字射频信号转换为第一模拟信号；发射天线阵列15与所述模数转换单元14连接，发射天线阵列15按预设距离均匀布设，且相邻发射天线间设有隔离耦合结构，用于以无线电形式发送所述第一模拟信号。

优选地，发射天线阵列中的相邻发射天线间距为5-10m。

其中，发射天线阵列15形成多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)天线阵列，信道容量随着天线数量的增大而线性增大，因此利用MIMO天线阵列在不增加带宽和天线发射功率的前提下，可以提高频谱利用率，并提高无线信道容量。

需要说明的是，通过航电总线数据收发单元11、基带信号处理单元12、数字上变频单元13、数模转换单元14和发射天线阵列15能够实现航电总线数据的发送。

本实施例提供的航空多天线无线电装置除了实现航电总线数据的发送之外，相应地还可以实现数据的接收，下面进行具体说明。

接收天线阵列16与所述发射天线阵列垂直设置，接收天线阵列按预设距离均匀布设，且相邻接收天线间设有隔离耦合结构，用于以无线电形式接收第二模拟信号。其中，第二模拟信号可以为地面基站发送的信号。

优选地，接收天线阵列中的相邻接收天线间距为5-10m。

其中，接收天线阵列16形成MIMO天线阵列，信道容量随着天线数量的增大而线性增大，因此利用MIMO天线阵列在不增加带宽和天线接收功率的前提下，可以提高频谱利用率，并提高无线信道容量。

需要说明的是，MIMO系统根据功能可以分为发射分集和接收分集：在本实施例中，发射天线阵列15作为发射分集，为多输入单输出系统，接收天线阵列16作为接收分集，为单输入多输出系统。由发射天线阵列15和接收天线阵列16组成的MIMO系统利用了多径效应，能够提高频谱利用率，从而缓解频谱资源紧缺的现状，同时提高了发射分集和接收分集的增益，从而提高了信道容量。

模数转换单元17与所述接收天线阵列16连接，用于将所述第二模拟信号转换为第二高采样率的数字射频信号；数字下变频单元18与所述模数转换单元17连接，用于将所述第二高采样率的数字射频信号转换为第二低采样率的数字信号；所述基带信号处理单元12与所述数字下变频单元18连接，用于对所述第二低采样率的数字信号进行多普勒补偿处理和解调；航电总线数据收发单元11还用于接收经所述基带信号处理单元12对所述第二低采样率的数字信号进行处理后的信号。

本实施例的技术方案，通过航电总线数据收发单元接收航电总线数据，而后通过基带信号处理单元对航电总线数据进行多普勒频移补偿和调制，再通过数字上变频单元将经基带信号处理单元处理后的信号转换为高采样率的数字射频信号，并通过数模转换单元转化为模拟信号，最后通过发射天线阵列实现航电总线数据的发送。本实施例的技术方案，通过接收天线阵列接收模拟信号，而后通过模数转换单元转换为数字信号，并通过数字下变频单元降低信号的采样率，再通过基带信号处理单元进行多普勒频移补偿和解调，将处理后的信号发送至航电总线数据收发单元，实现了数据接收。由于在数据发送和接收阶段通过基带信号处理单元分别进行了多普勒频移补偿，有利于数据的正确调制和解调；而且由于发射天线阵列和接收天线阵列分别形成MIMO结构，在不增加带宽和天线发射功率或天线接收功率的前提下，能够提高频谱利用率，并提高无线信道容量。

实施例二

请参阅图2，为本发明实施例二提供的一种航空通信系统的结构示意图。如图2所示，所述系统包括：航空器21、空地通信地面基站22、卫星23和卫星地面站24。

其中，航空器21中配置有本发明任意实施例所提供的航空多天线无线电装置；空地通信地面基站22与所述航空器21通信连接，所述空地通信地面基站22上设置有地面发射天线阵列和地面接收天线阵列，用于发射和接收飞行管理数据；卫星23与所述航空器21通信连接，用于在航空器21和卫星地面站24之间采用无线方式进行数据中继发送；卫星地面站24与所述卫星23通信连接，用于通过卫星23中继，与航空器21采用无线方式进行数据交互。

其中，空地通信地面基站22和卫星地面站24位于陆地上，航空器21位于空域，卫星23位于天域。在航空器21的飞行高度为10km时，空地通信地面基站22上设置的地面发射天线阵列中的相邻发射天线间距优选为1500m，空地通信地面基站22上设置的地面接收天线阵列中的相邻接收天线间距优选为1500m。由于信道的容量取决于相邻发射天线和相邻接收天线的间距的乘积，因此增大相邻发射天线间距和相邻接收天线间距，能够提高通信系统信道的容量。

其中，航空器21可以直接与空地通信地面基站22进行数据传输，构成空地数据链，实现航空器21与空地通信地面基站22之间的通信。而且，航空器21也可以通过卫星23作为中继，实现航空器21与卫星地面站24之间的通信。

需要说明的是，无线通信中的无线电微波通信在数据通信中占有重要地位。微波的频率范围为300MHz-300GHz，但通常利用的是2GHz-40GHz的频率范围。微波在空间主要是直线传播。由于微波会穿透电离层而进入宇宙空间，因此不像短波通信可以经电离层反射传播到地面上很远的地方，通过卫星中继是微波通信中的一种方式。

一般采用人造同步地球卫星作为中继器。卫星通信的最大特点是通信距离远。卫星通信的频带很宽，通信量很大，信号所受的干扰较小，通信比较稳定。目前卫星通信常用的频段主要包括C波段、Ku波段和Ka波段。

由于航空器21中配置有本发明任意实施例所提供的航空多天线无线电装置，在航空多天线无线电装置的发射天线阵列和接收天线阵列中均采用了多天线结构，在航空器21不发送航电总线数据时，根据多天线发送的无线电信号，利用导航定位技术，可以实现卫星23对航空器21的定位功能。

其中，导航定位技术的原理是航空器21首先发射一组S频段、X频段或者Ka频段的正弦波或者方波信号，称为测音信号。通过卫星23中继将航空器21发射的测音信号发送到卫星地面站24，卫星地面站24对航空器21不同的天线发出的测音信号进行观测并同步记录。通过信号处理可以确定不同天线上的测音信号到达卫星地面站24的频率，当航空器在特定速度飞行时，可以确定航空器21相对于卫星地面站24的距离和飞行方向。

需要说明的是，航电总线数据为航空器和地面基站之间交互的数据。所述工作模式包括多普勒补偿工作模式、以及卫星辅助定位工作模式。所述工作模式配置数据用于触发基带信号处理单元12执行与工作模式对应的操作。

本实施例的技术方案，可以根据飞行情况和不同需求采用不同的工作模式，如不同功能的组合，实现硬件的复用，在保证系统的余度的基础上，降低系统的硬件复杂性，提高系统的可靠性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；实施例中优选的实施方式，并非对其进行限制，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种航空多天线无线电装置，其特征在于，包括：

航电总线数据收发单元，用于接收航电总线数据，并将所述航电总线数据发送至下述基带信号处理单元，所述航电总线数据包括：空管数据、民航管理与运行数据、机载移动通信数据和工作模式配置数据；

基带信号处理单元，与所述航电总线数据收发单元连接，用于根据工作模式配置数据，对所述航电总线数据进行多普勒补偿处理，还用于对进行多普勒补偿处理后的信号进行调制，得到第一低采样率的基带信号；

数字上变频单元，与所述基带信号处理单元连接，用于将第一低采样率的基带信号转换为第一高采样率的数字射频信号；

数模转换单元，与所述数字上变频单元连接，用于将第一高采样率的数字射频信号转换为第一模拟信号；

发射天线阵列，与所述模数转换单元连接，发射天线阵列按预设距离均匀布设，且相邻发射天线间设有隔离耦合结构，用于以无线电形式发送所述第一模拟信号；

接收天线阵列，与所述发射天线阵列垂直设置，接收天线阵列按预设距离均匀布设，且相邻接收天线间设有隔离耦合结构，用于以无线电形式接收第二模拟信号；

模数转换单元，与所述接收天线阵列连接，用于将所述第二模拟信号转换为第二高采样率的数字射频信号；

数字下变频单元，与所述模数转换单元连接，用于将所述第二高采样率的数字射频信号转换为第二低采样率的数字信号；

所述基带信号处理单元，与所述数字下变频单元连接，用于对所述第二低采样率的数字信号进行多普勒补偿处理和解调；

航电总线数据收发单元，还用于接收经所述基带信号处理单元对所述第二低采样率的数字信号进行处理后的信号。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

发射天线阵列中的相邻发射天线间距为5-10m；

接收天线阵列中的相邻接收天线间距为5-10m。

3.一种航空通信系统，其特征在于，包括：

航空器，所述航空器中配置有如权利要求1-2任一所述的航空多天线无线电装置；

空地通信地面基站，与所述航空器通信连接，所述空地通信地面基站上设置有地面发射天线阵列和地面接收天线阵列，用于发射和接收飞行管理数据；

卫星，与所述航空器通信连接，用于在航空器和下述卫星地面站之间采用无线方式进行数据中继发送；

卫星地面站，与所述卫星通信连接，用于通过卫星中继，与航空器采用无线方式进行数据交互。