CN111211858B - 一种基于时分双工的c波段网络收发系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时分双工的C波段网络收发系统，涉及通信技术领域，包括机载端遥测遥控单元，所述机载端遥测遥控单元包括机载端C波段宽带网络收发器和机载端C波段功率放大器，具有入网、退网、参数设置、状态检测功能；地面基站式遥测遥控单元，所述地面基站式遥测遥控单元由地面端C波段宽带网络收发器和基站式C波段功率放大器组成，具有数据传输功能：TDD双工数据传输、状态检测、参数设置功能。机载遥测遥控单元、地面基站式遥测遥控单元的设计方案解决了空地实时高速数传的难题。经飞行检验表明系统和原机设备交联关系正确，不影响原机设备的正常工作，系统功能正常，性能指标满足设计要求，为后续飞行数据的深化应用奠定扎实基础。

Description

一种基于时分双工的C波段网络收发系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体为一种基于时分双工的C波段网络收发系统。

背景技术

长期以来，试验机试飞阶段，实时数据监视手段单一，传递信息少、实时性差，使飞机的空中故障及时处置以及飞行质量监控、辅助飞行指挥等存在很多不便，与开展信息化条件下的试验飞行极不适应。因此，通过实时采集飞机试飞参数的飞行数据并下传至地面，实现飞机飞行数据的实时传输，对于进一步拓展飞行数据的应用范围，进而达到实时监控试验机重要参数指标，积极应对突发事故，最大程度上保证试验飞行安全，提高试验质量的目的具有重要意义。

基于此，研制了一种基于时分双工的C波段网络收发系统，给出系统的基本工作原理，通过机上改装实现了试验机试飞测试数据的实时传输。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于时分双工的C波段网络收发系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于时分双工的C波段网络收发系统，包括机载端遥测遥控单元，所述机载端遥测遥控单元包括机载端C波段宽带网络收发器和机载端C波段功率放大器，具有入网、退网、参数设置、状态检测功能；

其中，机载端遥测遥控单元包含机载端C波段宽带网络收发器和机载端C波段功率放大器；机载端C波段网络收发器通过外部数据接口接收机载数据，而后将机载数据通过模拟信号下行链路发送至地面基站式遥测遥控单元；机载天线接收上行链路模拟信号至机载端C波段功率放大器，而后模拟信号经过放大后输出至机载端C波段宽带网络收发器；机载端C波段宽带网络收发器对射频信号进行解调；将解调后的数字遥控信号通过外部数据接口输出至机载数据处理设备；

还包括地面基站式遥测遥控单元，所述地面基站式遥测遥控单元由地面端C波段宽带网络收发器和基站式C波段功率放大器组成，具有数据传输功能：TDD双工数据传输、状态检测、参数设置功能；

其中，地面基站式遥测遥控单元包括地面端C波段宽带网络收发器和基站式C波段功率放大器；地面端C波段宽带网络收发器通过外部数据接口接收地面设备数据，而后将地面数据通过模拟信号上行链路发送至机载端遥测遥控单元；地面天线接收下行链路模拟信号至基站式C波段功率放大器，而后模拟信号经过放大后输出至地面端C波段宽带网络收发器；C波段宽带网络收发器对射频信号进行解调；将解调后的数字遥控信号通过外部数据接口输出至地面数据处理设备；

其中，数据收发的具体流程如下；

从所述机载端遥测遥控单元到所述地面基站式遥测遥控单元：

1、来自机载网络接口设备的数据经网口送入机载端C波段宽带网络收发器；

2、将数据送入数字信号处理单元，进行编码、组帧、调制、波形成型，形成数字IQ信号；

3、数字IQ信号经由双通道DAC变成模拟IQ信号；

4、模拟IQ信号经上变频器将其频谱搬移至C波段；

5、然后经功放功率放大后送入无线链路；

6、地面天线接收机载端遥测遥控单元发出的无线信号，经功放模块的LNA放大后送入下变频器；

7、下变频器将C波段信号变为模拟基带信号；

8、双通道ADC对模拟基带信号进行采样，得到数字IQ信号，并送入数字信号处理单元；

9、数字信号处理单元完成同步、译码、解帧，得到用户数据；

10、用户数据经由以太网端口发往地面网络接口设备；

从所述地面基站式遥测遥控单元到所述机载端遥测遥控单元：

1、来自地面网络设备的数据经网络接口发送到地面端C波段宽带网络收发器；

2、将数据送入数字信号处理单元，进行编码、组帧、调制、波形成型，形成数字IQ信号；

3、数字IQ信号经由双通道DAC变成模拟IQ信号；

4、模拟IQ信号经上变频器将其频谱搬移至C波段；

5、经功放功率放大后送入无线链路；

6、机载天线接收机载端遥测遥控单元发出的无线信号，经功放模块的LNA放大后送入下变频器；

7、下变频器将C波段信号变为模拟基带信号；

8、双通道ADC对模拟基带信号进行采样，得到数字IQ信号，并送入数字信号处理单元；

9、数字信号处理单元完成同步、译码、解帧，得到用户数据；

10、用户数据经由以太网端口发往机载网络接口设备；

所述机载端遥测遥控单元与所述地面基站式遥测遥控单元之间设置有时间同步周期修正机制，即，地面基站Slot内的上行数据帧，在完成向机载C波段网络收发器传输控制数据的同时，兼做周期同步修正时标，空地收发器仅需在两次修正期间内保持短期相对稳定即可，同时，TDMA协议设计还预留了保护间隔，即空中无线信号传播时延补偿和各种处理时延的补偿量；

其中，所述时间同步周期修正机制有两种；

其一为IEEE1588实现方式：

IEEE1588实现方式采用在收发器网络前端嵌入板卡，通过IEEE1588协议板卡可以自主实现板卡间自身时钟的时间及时间单位、频率和相位同步，并为收发器内部系统提供1PPS输出方式的时钟修正；IEEE1588板卡选用时间同步设备的高性能双网口IEEE1588板卡，是授时系统核心板卡，支持IEEE1588-2008协议；板卡采用独立FPGA实现，硬件时间戳分辨率5ns，具有流量预测模型消除网络突发流量对授时精度的影响，背靠背授时精度优于50ns，支持web界面设定PTP参数，可选择主钟模式/从钟模式、E2E/P2P、单播/组播多种参数设置；

其二为IRIG-B实现方式：

IRIG-B同步方式存在两种，分别为IRIG-B（DC）和IRIG-B（AC），IRIG-B（AC）为调制后的B码，IRIG-B（DC）为未调制的B码，IRIG-B（DC）码的接口通常采用TTL接口或RS422接口，机载端C波段宽带网络收发器具有RS422接口，采用IRIG-B（DC）码模式，地面端C波段宽带网络收发器通过RS422接口与IRIG-B发生器相连获取时间码，通过双向无线链路将时间码发送到机载端遥测遥控单元上，再由机载C波段宽带网络收发器经过解调后通过RS422接口发送给机载端IRIG-B（DC）接收器，最终实现空地链路的全网同步功能；

时间同步周期修正机制还包括时间同步周期修正的准确性检验步骤，所述准确性检验步骤如下：

将IEEE1588实现方式作为常用时间同步周期修正机制，将IRIG-B实现方式作为检验时间同步周期修正机制；

获取所述常用时间同步周期修正机制下的第一时间同步周期修正结果，获取所述检验时间同步周期修正机制下的第二时间同步周期修正结果；

将所述第一时间同步周期修正结果与所述第二时间同步周期修正结果进行比较判断，得到所述第一时间同步周期修正结果与所述第二时间同步周期修正结果之间的实时偏差值；

获取所述第一时间同步周期修正结果与所述第二时间同步周期修正结果之间偏差值的偏差阈值范围；

将所述实时偏差值与所述偏差阈值范围进行比较判断，若所述实时偏差值落在偏差阈值范围内，则判断第一时间同步周期修正结果正常，否则，判断第一时间同步周期修正结果异常；

当判断第一时间同步周期修正结果异常时，进行时间同步周期修正结果选取步骤，具体如下，

第一时间同步周期修正结果正确性判断：

获取IEEE1588实现方式下板卡间自身时钟的时间及时间单位、频率和相位同步的所有历史数据和对应的第一时间同步周期修正结果的所有历史数据；

将板卡间自身时钟的时间及时间单位、频率和相位同步的所有历史数据作为输入量，将对应的第一时间同步周期修正结果的所有历史数据作为输出量，从而得到第一时间同步周期修正结果预测模型；

将板卡间自身时钟的时间及时间单位、频率和相位同步的实时数据作为输入量，输入至所述第一时间同步周期修正结果预测模型，从而输出一个第一时间同步周期修正结果预测量；

将所述第一时间同步周期修正结果预测量与实时的所述第一时间同步周期修正结果进行比较判断；

第二时间同步周期修正结果正确性判断：

获取IRIG-B实现方式下RIG-B（DC）和IRIG-B（AC）的所有历史数据和对应的第二时间同步周期修正结果的所有历史数据；

将RIG-B（DC）和IRIG-B（AC）的所有历史数据作为输入量，将对应的第二时间同步周期修正结果的所有历史数据作为输出量，从而得到第二时间同步周期修正结果预测模型；

将RIG-B（DC）和IRIG-B（AC）的实时数据作为输入量，输入至所述第二时间同步周期修正结果预测模型，从而输出一个第二时间同步周期修正结果预测量；

将所述第二时间同步周期修正结果预测量与实时的所述第二时间同步周期修正结果进行比较判断；

选取步骤：

若所述第一时间同步周期修正结果预测量与实时的所述第一时间同步周期修正结果匹配，且所述第二时间同步周期修正结果预测量与实时的所述第二时间同步周期修正结果不匹配，则，以所述第一时间同步周期修正结果为准；

若所述第一时间同步周期修正结果预测量与实时的所述第一时间同步周期修正结果不匹配，且所述第二时间同步周期修正结果预测量与实时的所述第二时间同步周期修正结果匹配，则，以所述第二时间同步周期修正结果为准；

若所述第一时间同步周期修正结果预测量与实时的所述第一时间同步周期修正结果匹配且所述第二时间同步周期修正结果预测量与实时的所述第二时间同步周期修正结果匹配；若所述第一时间同步周期修正结果预测量与实时的所述第一时间同步周期修正结果不匹配且所述第二时间同步周期修正结果预测量与实时的所述第二时间同步周期修正结果不匹配；则，进行人工核算。

优选的，所述机载端C波段网络收发器采用软件无线电方式，并采用统一的处理器主控板和FPGA数字基带板；

其通信处理包括协议处理、收/发数据处理、调制解调、AGC控制和数模模数接口，其中，所述调制解调具体为：

采用带宽效率高的近恒包络调制方式，即采用QPSK/8PSK/16QAM调制信号体制，基带信号采用升余弦脉冲成形波形。

优选的，所述地面天线的控制方法为：

地面天线是由33个天线馈源组成的天线阵面，33个馈源接收不同方向过来的无线电波；

地面天线每个系统包括两个单刀18掷开关，两个开关完全一致，对外接口也一致,基带通过多功能接口控制开关通道的切换；

基带通过高低电平控制开关的切换，其中高电平1，低电平0；

地面端C波段宽带网络收发器在接收时隙时，判断对应地面天线馈源接收信号，从而将地面天线控制开关切到指定的馈源上；

具体的实现方法为：

1、地面端C波段宽带网络收发器通过与天线控制接口相连的TTL控制信号，切换指向指定的天线馈源；

2、在当前馈源作用下，计算基带数字域功率；

3、功率计算完成后，切换控制开关，指向下一个天线馈源，并计算数字域功率；

4、重复以上功率计算过程，直到33个馈源全部轮循一次；

5、找出数字域功率最大的馈源，并切换开关指向；

地面端C波段宽带网络收发器需在接收信号之前先预选天线馈源，且预选过程需要将所有馈源先轮询一次并产生时间开销，所述时间开销有两个特性，第一是负责馈源之间切换的PIN开关响应速度；第二是计算数字域功率所需要的时间；其中，

PIN开关时间以2us计算，下行符号率为49.6Msps，符号间隔时间等于200ns，根据数字域功率的计算方法：

假设输入信号

经ADC采样后采样序列为

，长度为

的序列平方求和

可等效于数字域功率：

上式中，L取值32，即一次数字域功率的计算时间为6.4us，一次开关切换加数字域功率计算的时间开销为6.4+2=8.4us，若时间开销等于10us，轮询33个馈源所需的总时间开销为330us。

优选的，所述机载端C波段宽带网络收发器的配置管理如下：

配置管理通过软件实现；软件包括运行于机载端C波段宽带网络收发器和机载端C波段宽带功率放大器设备内部、支撑设备自身运行的设备内部控制软件、运行于设备的外部独立计算机、进行配置管理人机接口的设备外部管理软件；

其中，所述机载端C波段宽带网络收发器还包括硬件控制；

1）所述机载端C波段网络收发器包括AGC设置、收发切换控制和AD/DA配置；

2）模式切换功能；

为在管理软件上添加模式选择配置选项，并通知控制软件执行，后者在设备上电启动阶段根据管理软件设置的模式运行对应的调制方式设置；

3）网络管理代理功能；

网络管理代理由控制软件实现；考虑到通信功能复用，管理软件也被设计为与遥测网络系统管理软件相同的工作体制，从而复用控制软件代理功能；

4）遥测网络管理基于SNMP协议实现，具有如下特点：

管理方式的标准化；

管理单元的可扩展性；

其中，管理数据包括管理请求数据和管理报告数据，前者来自于收发器设备管理软件或遥测网络系统管理软件，后者产生于各被监控管理设备，包括机载端C波段宽带网络收发器和机载端C波段宽带功率放大器的网络管理信息；管理数据网络间通过网络收发器管理专用网口传输，其处理流程与业务数据相同，设备内分别通过设备间或模块间管理专用接口传输；

遥测网络系统管理和控制具体如下；

1）设备内部控制软件支撑平台选型；

软件运行支撑平台采用嵌入式实时Linux系统，具体为：

包括改进定时器队列的管理、在层间数据传递的方式上采用一次拷贝技术和紧急数据预留缓冲，以及在差错控制方面采用控制重传延时；采用双核ARM Cortex-A9处理器平台；

2）控制软件开发原则；

软件开发过程开发参照GJB2786-1996规范，采用模块化方式，所提供的各管理功能模块可进行升级、扩展和更新；

3）软件开发运行环境；

控制软件开发环境：基于ARM-Linux环境调试和交叉编译，内核版本3.14以上；

控制软件运行环境：嵌入式RT-Linux，内核版本3.0.1；

设备管理方式：基于标准SNMPv2协议，通过C/S方式实现设备配置和运行监控。

优选的，所述机载端C波段宽带功率放大器采用机载双通道功率放大器，即，采用双道收发设计，其安装方式为把功放安装在天线端口附近，既保证发射机输出功率能最大化到达天线端口；又能保证接收信号经过最小衰减进入高增益LNA；

其外部接口分为3类，共计8个物理接插件接口；按功能分为：

电源接口：采用机载设备专用连接器，电流承受能力大于30A，用于机载电源输入；

射频信号接口：采用6个SMA类型连接器，分别连接机载C波段收发器和机载基站天线；

功放管理接口：采用J30J系列连接器，用于工作前功放配置和工作中的状态监控；

所述基站式C波段功率放大器采用地面单通道功率放大器，即，采用单通道收发设计，其安装方式为把功放安装在天线端口附近，这既保证发射机输出功率能最大化到达天线端口；又能保证接收信号经过最小衰减进入高增益LNA；

其外部接口主要分为3类，共计5个物理接插件接口；按功能分为：

电源接口：采用机载设备专用连接器，电流承受能力大于30A，用于地面电源输入；

射频信号接口：采用4个SMA类型连接器，分别连接机载端C波段宽带收发器和机载基站天线；

功放管理接口：采用J30J系列连接器，用于工作前功放配置和工作中的状态监控。

优选的，还包括对所述C波段网络收发系统的硬件设备工作温度的适应性设计，具体为：

设备内部的器件采用固体导冷的方式，将散热装置连接到设备外壳；

在设备设计时，将发热的器件与易老化器件进行隔离；

设备外壳连接部分，采用凹凸型结构进行安装，并采用凝固胶对连接处进行密封；

设备采用鳞片散热方式进行散热；

设备进行高低温测试，以验证设备的工作温度范围。

优选的，还包括对所述C波段网络收发系统的硬件设备振动适应性设计，具体为：

设备内部安装采用不锈钢固定,并设置减振器；

PCB采取了限位、加紧装置，电路板的固定采用锲形锁紧夹进行固定；

在设备四周和顶部均留有固定点，并保证固定点的中心与机箱中心重合；

设备的固有频率设置在30Hz-70Hz之间；

在机柜设置电缆固定装置。

本发明的有益效果是：1、本方案的一个创新点在于：针对长期以来，试验机试飞阶段，实时数据监视手段单一，传递信息少、实时性差，使飞机的空中故障及时处置以及飞行质量监控、辅助飞行指挥等存在很多不便，与开展信息化条件下的试验飞行极不适应。机载C波段宽带无线网络收发器、机载C波段宽带功率放大器、地面C波段宽带无线网络收发器、地面C波段宽带功率放大器、应用软件系统，以及配套的机载天线、地面多面阵天线，按照空天地一体的试验与遥测网络总体体系结构，构成一套可支持地面与飞行试验演示验证的完整的空天地一体的试验与遥测网络演示验证系统。其中机载遥测遥控单元（ATTU）与地面基站式遥测遥控单元（GTTS）和分布式网络管理与测试应用软件系统是研制的三个关键子系统；通过实时采集飞机试飞参数的飞行数据并下传至地面，实现飞机飞行数据的实时传输，对于进一步拓展飞行数据的应用范围，进而达到实时监控试验机重要参数指标，积极应对突发事故，最大程度上保证试验飞行安全，提高试验质量。

2、本方案的一个创新点在于：针对空地设备同步问题，本方案设计了一种由地面C波段网络收发器发起的同步周期修正机制，即地面基站Slot内的上行数据帧，在完成向机载C波段网络收发器传输控制数据的同时，兼做周期同步修正时标，空地收发器仅需在两次修正期间内保持短期相对稳定即可，因为这一周期仅为若干毫秒，因此即使采用较低稳定度时钟，如此短暂时间内也完全可以认为时钟是充分稳定的，从而可靠地满足了TDMA Slot的精度要求（us级）。同时，TDMA协议设计还预留了保护间隔，即空中无线信号传播时延补偿（对应50Km最大167us）和各种处理时延（收发切换、硬件处理时延和软件处理时延，总量小于50us）的补偿量。

3、本方案的一个创新点在于：软件模块结构设计遵循业务层次分离、功能封装、模块间低耦合的思路和原则，以使软件易实现、易排错和易维护，能够更好保障软件的质量。

4、本方案的一个创新点在于：本方案的C波段网络收发系统，给出了机载遥测遥控单元、地面基站式遥测遥控单元的设计方案解决了空地实时高速数传的难题。经飞行检验表明：系统和原机设备交联关系正确，不影响原机设备的正常工作，系统功能正常，性能指标满足设计要求，为后续飞行数据的深化应用奠定了扎实基础。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的系统工作示意图。

图2为本发明具体实施方式的ATTU网络单元组成示意图。

图3为本发明具体实施方式的GTTS单元组成示意图。

图4为本发明具体实施方式的载波同步环示意图。

图5为本发明具体实施方式的状态转移图。

图6为本发明具体实施方式的跨区接收示意图。

图7为本发明具体实施方式的随机接入流程示意图。

图8为本发明具体实施方式的QoS示意图。

图9为本发明具体实施方式的QoS流程图。

图10为本发明具体实施方式的不同调制对应的误码率性能示意图。

图11为本发明具体实施方式的系统分集发射示意图。

图12为本发明具体实施方式的功能实现的逻辑框架图。

图13为本发明具体实施方式的通信链路设计示意图。

图14为本发明具体实施方式的数字调制解调示意图。

图15为本发明具体实施方式的双通道功率放大器示意图。

图16为本发明具体实施方式的地面功率放大器示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

一种基于时分双工的C波段网络收发系统是实现试验机试飞时，用于试验机试飞测试数据传输的关键设备。

在对试飞数据传输的应用需求上，利用既有C波段宽带无线网络链路基础技术，结合蜂窝移动通信的设计思想，提出了C波段网络收发器设备的设计方案，确定了系统总体架构与功能子系统的研制思路，形成了设备研制的方向性指导文件，并确定了利用C波段网络收发器组建C波段网络收发系统的架构设计。

飞行试验C波段网络收发系统包含机载遥测遥控单元（简称ATTU），地面基站式遥测遥控单元（简称GTTS）两部分。

ATTU利用机载C波段宽带网络收发器及C波段功率放大器、机载数据转发设备等配套设备，结合GTTS，即地面基站式遥测遥控系统和地面接入控制系统，以及配套的网络接口设备和网络管理软件，形成一套可支持地面与飞行试验的一体化试飞数据交互系统。

图1展示的是整体系统工作原理图。

在一定空域范围内，试验飞机通过机载遥测遥控单元与地面遥测遥控基站进行无线通信，通过TDD的数据传输方式完成数据交互、参数配置、状态查询等功能，若干个地面端通过地埋光纤经1588交换机汇聚到机房的监控大厅，将试飞数据呈现给用户整理、分析。同时地面监控大厅可根据当前状况，对每架机的机载遥测遥控单元参数进行动态配置，状态查询等。

在本方案中，地面遥测遥控系统由4个地面遥测遥控基站（GTTS）组成，机载遥测遥控系统由3个机载遥测遥控单元（ATTU）组成。

机载遥测遥控单元（ATTU）；

如图2所示，ATTU通过机载网络接口设备的数据汇聚转换，获取各类机载设备的遥测数据。ATTU单元包含C波段宽带网络收发器和机载端C波段功率放大器。C波段网络收发器通过外部数据接口（千兆网口或者RS422接口）接收机载数据，而后将机载数据通过模拟信号下行链路发送至GTTS单元；机载天线接收上行链路模拟信号至功率放大器，而后模拟信号经过放大后输出至C波段宽带网络收发器。C波段宽带网络收发器对射频信号进行解调。将解调后的数字遥控信号通过外部数据接口（千兆网口或者RS422接口）输出至机载数据处理设备。

地面基站式遥测遥控单元（GTTS）；

如图3所示GTTS是射频无线通信网络的地面基站部分,是空地数据交互的控制节点。

GTTS单元包含由地面端C波段宽带网络收发器和基站式C波段功率放大器。地面端C波段宽带网络收发器通过外部数据接口（千兆网口或者RS422接口）接收地面设备数据，而后将地面数据通过模拟信号上行链路发送至ATTU单元；地面天线接收下行链路模拟信号至功率放大器，而后模拟信号经过放大后输出至地面端C波段宽带网络收发器。C波段宽带网络收发器对射频信号进行解调。将解调后的数字遥控信号通过外部数据接口（千兆网口或者RS422接口）输出至地面数据处理设备。

系统主要功能；

发射与接收功能：具备C波段2发2收、具备双路时延独立调整功能；

支持工作频点可远程无线配置；

支持分布式星型网络组网模式；

支持可配置双向网络传输或单向空对地传输功能；

支持高效TDD+TDMA突发通信机制；

支持上下行数据带宽QoS可配置；

适用于航空高度不小于12000米，速度不小于1.6马赫应用环境；

支持基于地面站为中心的SNMP网络化配置、监控和管理能力；

配合地面软件可控制四套基站式飞行试验C波段网络收发器组成地面基站式组网、控制机载端飞行试验C波段网络收发器入网与退网功能；

支持时间同步功能。

研制目标及设计分析；

为解决空地实时高速数传的难题，研制总体目标是利用本方案拟研制的机载C波段宽带无线网络收发器、机载C波段宽带功率放大器、地面C波段宽带无线网络收发器、地面C波段宽带功率放大器、应用软件系统，以及配套的机载天线、地面多面阵天线，按照空天地一体的试验与遥测网络总体体系结构，构成一套可支持地面与飞行试验演示验证的完整的空天地一体的试验与遥测网络演示验证系统。其中机载遥测遥控单元（ATTU）与地面基站式遥测遥控单元（GTTS）和分布式网络管理与测试应用软件系统是研制的三个关键子系统，子系统具体可归纳为以下参数化内容。

支持C波段（4.4~4.94GHz频段）工作频段；

采用成熟的软件无线电架构，射频捷变频收发芯片（AD9361）具备70MHz～6GHz可动态配置的有效频率工作范围，因此4.4~4.94GHz的频段指标完全可以满足。

功率链路预算；

链路增益直接影响系统的有效作用距离与接收品质，因此为保证系统在一定范围内稳定工作，必须在功放设计时留出功率余量。

自由空间传输损耗计算方法如下：

（dB）=32.44+20Log(D)+20Log(F)

D为传输距离，单位KM，在此以50Km估算，F为载波频率，单位MHz，载波频率按照4600MHz来估算。

接收天线口的信号功率：

；

对于下行链路，我们以QPSK为例，带宽为49.6MHz，则带内噪声为

=-174+10Log(49.6e6)

，QPSK在不加编码的条件下的误码率-6次方解调 门限为10.7，7/8LDPC编译码误码率-6次方解调门限为4.5，为留出余量，我们以5dB的解调 门限来计算，地面接收机端口功率至少必须大于-92.04，根据前面算出的地面接收机端口 功率为-89.1，至少还有3dB余量。

对于上行链路，我们以16QAM为例，带宽为6.2MHz，则带内噪声为

=-174+10Log(6.2e6)；

，16QAM在不加编码的条件下的误码率-6次方解 调门限为14.2，7/8LDPC编译码误码率-6次方解调门限为7.5，为留出余量，我们以8dB的解 调门限来计算，地面接收机端口功率至少必须大于-96.07，根据前面算出的地面接收机端 口功率为-91.1，至少还有5dB余量。

综上所述，一个GTTS的有效覆盖范围为50Km。

时分多址通信方式的实现；

多基站网络的复杂度要远高于单基站的星型网络，本方案采用TDD+TDMA的MAC基本架构，并对时隙分配进行专项设计。

我们将时隙分为上行、公共信令及下行时隙，其中上行时隙分为7个频道实现各基站之间轮询。公共信令时隙用于解决随机入网问题。下行时隙分为8个子时隙，当网内有1个节点时则8个子时隙全部分配给该节点使用，网内有2个节点时则平分8个子时隙，以此类推，最多8个节点如下上行时隙：15ms帧长，只占用下行链路频率范围的七分之一，用于基站轮询和机载设备接收广播信息。

公共信令：即下行随机接入时隙，5ms帧长，下行公共信道，用于机载设备的随机接入。

八个下行业务时隙：10ms帧长，下行专用信道，八个下行业务时隙承载八个物理信道—专用业务信道。

上行时隙根据地面不同的基站选用不同的载波频率，机载端机根据载波频率对不同的地面站进行识别，本方案中我们选用4个频点。

覆盖范围的扩展；

所以本系统采用大区制蜂窝网络布局，地面设备实现上半球空域覆盖。本系统单位无线区群最大为7，通过增加单位无线区群，即可在不增加频率范围的情况下，就可以增加本系统覆盖区域面积。由此可见，本系统支持多个星形网络拓扑结构，每个星形中心节点为地面遥测遥控设备（即基站式遥测遥控设备），移动节点为机载端遥测遥控设备。此外，本系统支持移动节点在不同的星形中心节点覆盖范围内移动，真正具有广义移动通信的特征，即移动切换特征。

每一个六边形晶格为一个GTTS地面站，每一个GTTS具有不同的上行频点F1～F7共7个，7个不同频点的GTTS组成一个簇，覆盖一定范围的空域，如果要扩大有效覆盖范围，只需增加GTTS簇即可。

上行3Mbps、下行50Mbps传输速率；

传输速率的高低主要受基带带宽及调制方式影响，同时为了对抗信道噪声，系统会加入信道编译码处理模块，所以还会有编译码开销。以QPSK和LDPC编译码情景为例，在QPSK模式下，选用符号率49.6Msps，可实现98.2Mbps的数据传输速率，帧长100ms，下行业务时隙10ms，最多8个下行业务时隙，一共80ms的业务时隙分配给8个ATTU，则所有ATTU业务数据的净速率为78.56Msps，除去编码开销12.5%，成帧开销20%，业务时隙实际速率为55.552Mbps。

下行传输不仅包括空地双向传输，也可以设置成空到地单向点对点传输模式，此时，整个帧将作为业务信道，没有多余开销，传输速率为：

同理，上行链路符号率为6.2MHz，调制方式为16QAM，采用7/8LDPC编码，成帧开销8%。上行时隙实际传输数据率：

对抗高速移动无线通信中的多普勒效应。

多普勒频移

可按以下公式计算：

式中：

为信号工作频率；

为收发终端之间径向相对速度；

为光速。

可见工作频率或径向速度越高，多普勒频移越大。本系统中，目标移动速度不低于1.6马赫，即544m/s，载波频率最高4.94GHz，带入公式运算得到在1.6马赫速度下最大多普勒频移为8.96Hz。

为消除多普勒效应以及收发信机两端不同的钟差，本方案选用收敛效果好的数字科斯塔斯环做载波相位同步。

如图4所示，载波同步环一般由三个基本部分构成：鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）、压控振荡器（VCO）。

其中压控振荡器受控制电压的控制，使振荡频率向参考信号的频率逼近，两个信号之间的相位差逐渐减小，直到消除频率差，此时为锁定。此方法能纠正的载波频偏范围为符号率的1%，根据系统设计，上行符号率为6.2Msps，可纠正频偏范围为-3.1KHz～3.1KHz，下行符号率为49.6Msps，可纠正频偏范围为-24.8KHz～24.8KHz。

由此可见，若目标速度大于1.6马赫，例如3马赫，对应最大多普勒频移为1.8KHz。

快速随机入网；

我们采用全网统一的时隙设计，并将快速随机入网与无缝越区切换进行一体化设计，通过独立的公共信令时隙信道来实现，状态转移如图5：

多站点切换及QoS策略；

多个GTTS需要组网覆盖一定范围内的空域，移动目标会在不同的GTTS信号覆盖范围间切换，这就要求ATTU实时评估当前信道的通信质量，根据信号质量的好坏切换与之通信的GTTS站点。

如图6和图7所示，ATTU会同时收到地面基站的上行信号，其频率分别为f1、f2、f3、f4，由于距离远近的关系，在不同频点上接收到的信号功率会有强弱差别，距离越近，功率越强，ATTU会将接收到最大功率的量化值与程序事先设置好的阈值比较，判断是否超出阈值门限，如果超出门限，则判断是否需要重新提出入网请求。

如图8所示，为了对抗复杂的通信环境，让系统具备更好的抗干扰性能，我们需要根据信道特性执行QoS策略，在最恶劣的信道条件下，会在QPSK/8PSK/16QAM中选用解调门限最低的调制方式QPSK，但是在降低解调门限的同时，频谱效率会降低，同时数据率也会降低。

QoS处理流程如图9所示，

不同的调制方式在相同的带宽下，误码率与Eb/N0的对应关系如图10所示，

可见，抗噪声性能排序为QPSK、8PSK、16QAM，QPSK抗干扰性能最好，但传输效率最低，为16QAM的四分之一，GTTS根据当前的信噪比和数据率传输要求，可动态协商改变无线通信的调制方式，保障数据的稳定传输。

分集发射策略；

如图11所示，飞机在飞行过程中常有的动作就是飞行姿态的调整，而随着飞行姿态的调整，天线的覆盖区域也在发生变化，当飞机只有一个收发天线的时候，会出现上中间图片所示的由于天线覆盖区域变化导致的信号中断的情况；所以本系统的飞机上配备了方向的两个独立的天线以及两个独立的收发通道，就算出现较大的飞行姿态调整，依然会有一根天线的覆盖区域能到达接收基站，以此解决由飞行姿态调整带来的信号变弱或者中断的问题。

综上所述，ATTU采用双收双发的双天线设计，可以有效扩大信号覆盖范围，增加系统稳定性。

时统设计与工程实现；

C波段网络收发器时间同步主要采用以下几种时统方式：

北斗/GPS双模授时；

通过UM220-IIIL双模高性能授时模块，接收卫星信号。实现设备时间同步。

IEEE1588授时；

C波段网络收发器通过解析IEEE1588时间同步协议,实现设备时间同步。

IRIG-B授时；

C波段网络收发器通过解析IRG-B时间码,实现设备时间同步。

系统具体设计；

飞行试验C波段网络收发系统由如下几个部分组成；

1、机载端遥测遥控单元（ATTU）：由机载端C波段宽带网络收发器和机载端C波段功率放大器组成，具有入网、退网、参数设置、状态检测等功能。

2、地面基站式遥测遥控单元（GTTS）：由地面端C波段宽带网络收发器和基站式C波段功率放大器组成，具有数据传输功能：TDD双工数据传输、状态检测、参数设置等功能。

ATTU单元的设计

ATTU单元包含C波段宽带网络收发器和机载端C波段功率放大器。C波段网络收发器通过外部数据接口（千兆网口或者RS422接口）接收机载数据，而后将机载数据通过模拟信号下行链路发送至GTTS单元；机载天线接收上行链路模拟信号至功率放大器，而后模拟信号经过放大后输出至C波段宽带网络收发器。C波段宽带网络收发器对射频信号进行解调。将解调后的数字遥控信号通过外部数据接口（千兆网口或者RS422接口）输出至机载数据处理设备。展示了ATTU单元链路。

GTTS单元的设计；

GTTS单元包含由地面端C波段宽带网络收发器和基站式C波段功率放大器。地面端C波段宽带网络收发器通过外部数据接口（千兆网口或者RS422接口）接收地面设备数据，而后将地面数据通过模拟信号上行链路发送至ATTU单元；地面天线接收下行链路模拟信号至功率放大器，而后模拟信号经过放大后输出至地面端C波段宽带网络收发器。C波段宽带网络收发器对射频信号进行解调。将解调后的数字遥控信号通过外部数据接口（千兆网口或者RS422接口）输出至地面数据处理设备。展示了GTTS单元链路。

收发通信功能设计；

试飞数据发送/接收通信功能，是本次系统研制的核心功能之一。该项功能主要是通过机载C波段网络收发器、机载功放、机载天线、地面天线、地面功放、地面C波段网络收发器等设备协同实现的，功能实现的逻辑框架图如图12所示。

遥测网络数据发送和接收功能实现的具体数据流程

ATTU到GTTS的数据流程：

1、来自机载网络接口设备的数据经网口送入机载网络收发器；

2、将数据送入数字信号处理单元，进行编码、组帧、调制、波形成型，形成数字IQ信号；

3、数字IQ经由双通道DAC变成模拟IQ；

4、经上变频器将基带信号频谱搬移至C波段；

5、经功放功率放大后送入无线链路；

6、地面天线接收ATTU发出的无线信号，经功放模块的LNA放大后送入下变频器；

7、下变频器将C波段信号变为模拟基带信号；

8、双通道ADC对模拟基带进行采样，得到数字IQ，并送入数字信号处理单元；

9、数字信号处理单元完成同步、译码、解帧，得到用户数据；

10、用户数据经由以太网端口发往地面网络接口设备。

GTTS到ATTU的数据流程：

1、来自地面网络设备的数据经网络接口发送到地面网络收发器；

2、将数据送入数字信号处理单元，进行编码、组帧、调制、波形成型，形成数字IQ信号；

3、数字IQ经由双通道DAC变成模拟IQ；

4、经上变频器将基带信号频谱搬移至C波段；

5、经功放功率放大后送入无线链路；

6、机载天线接收ATTU发出的无线信号，经功放模块的LNA放大后送入下变频器；

7、下变频器将C波段信号变为模拟基带信号；

8、双通道ADC对模拟基带进行采样，得到数字IQ，并送入数字信号处理单元；

9、数字信号处理单元完成同步、译码、解帧，得到用户数据；

10、用户数据经由以太网端口发往机载网络接口设备。

空地网络时间同步设计；

针对空地设备同步问题，系统包含了一种由地面C波段网络收发器发起的同步周期修正机制，即地面基站Slot内的上行数据帧，在完成向机载C波段网络收发器传输控制数据的同时，兼做周期同步修正时标，空地收发器仅需在两次修正期间内保持短期相对稳定即可，因为这一周期仅为若干毫秒，因此即使采用较低稳定度时钟，如此短暂时间内也完全可以认为时钟是充分稳定的，从而可靠地满足了TDMA Slot的精度要求（us级）。同时，TDMA协议设计还预留了保护间隔，即空中无线信号传播时延补偿（对应50Km最大167us）和各种处理时延（收发切换、硬件处理时延和软件处理时延，总量小于50us）的补偿量。

IEEE1588实现方案；

经过技术了解和方案对比，并考虑实现性能和可靠性，IEEE1588协议的实现采用在RF收发器网络前端嵌入成熟专业板卡的方法实现，通过IEEE1588协议板卡可以自主实现板卡间自身时钟的时间及时间单位、频率和相位同步，并为收发器内部系统提供1PPS输出方式的时钟修正。

IEEE1588板卡选用时间同步设备专业开发商的高性能双网口IEEE1588板卡，是一种高精度授时系统核心板卡，支持IEEE1588-2008协议。板卡采用独立FPGA实现，硬件时间戳分辨率5ns，具有流量预测模型消除网络突发流量对授时精度的影响，背靠背授时精度优于50ns，支持web界面设定PTP参数，可选择主钟模式(Master)/从钟模式(Slave)、E2E/P2P、单播/组播等多种参数设置。

IRIG-B实现方案；

IRIG-B同步方式目前存在两种，分别为IRIG-B（DC）和IRIG-B（AC），IRIG-B（AC）为调制后的B码，IRIG-B（DC）为未调制的B码，IRIG-B（DC）码的接口通常采用TTL接口或RS422接口，C波段宽带网络收发器具有RS422接口，故在此我们将采用IRIG-B（DC）码模式，地面C波段宽带网络收发器通过RS422接口地面端与IRIG-B发生器相连获取时间码，通过双向无线链路将时间码发送到机载上，再由机载C波段宽带网络收发器经过解调后通过RS422接口发送给机载端IRIG-B（DC）接收器，最终实现空地链路的全网同步功能。

时间同步周期修正机制还包括时间同步周期修正的准确性检验步骤，所述准确性检验步骤如下：

将IEEE1588实现方式作为常用时间同步周期修正机制，将IRIG-B实现方式作为检验时间同步周期修正机制；

获取所述常用时间同步周期修正机制下的第一时间同步周期修正结果，获取所述检验时间同步周期修正机制下的第二时间同步周期修正结果；

将所述第一时间同步周期修正结果与所述第二时间同步周期修正结果进行比较判断，得到所述第一时间同步周期修正结果与所述第二时间同步周期修正结果之间的实时偏差值；

获取所述第一时间同步周期修正结果与所述第二时间同步周期修正结果之间偏差值的偏差阈值范围；

将所述实时偏差值与所述偏差阈值范围进行比较判断，若所述实时偏差值落在偏差阈值范围内，则判断第一时间同步周期修正结果正常，否则，判断第一时间同步周期修正结果异常；

当判断第一时间同步周期修正结果异常时，进行时间同步周期修正结果选取步骤，具体如下，

第一时间同步周期修正结果正确性判断：

获取IEEE1588实现方式下板卡间自身时钟的时间及时间单位、频率和相位同步的所有历史数据和对应的第一时间同步周期修正结果的所有历史数据；

将板卡间自身时钟的时间及时间单位、频率和相位同步的所有历史数据作为输入量，将对应的第一时间同步周期修正结果的所有历史数据作为输出量，从而得到第一时间同步周期修正结果预测模型；

将板卡间自身时钟的时间及时间单位、频率和相位同步的实时数据作为输入量，输入至所述第一时间同步周期修正结果预测模型，从而输出一个第一时间同步周期修正结果预测量；

将所述第一时间同步周期修正结果预测量与实时的所述第一时间同步周期修正结果进行比较判断；

第二时间同步周期修正结果正确性判断：

获取IRIG-B实现方式下RIG-B（DC）和IRIG-B（AC）的所有历史数据和对应的第二时间同步周期修正结果的所有历史数据；

将RIG-B（DC）和IRIG-B（AC）的所有历史数据作为输入量，将对应的第二时间同步周期修正结果的所有历史数据作为输出量，从而得到第二时间同步周期修正结果预测模型；

将RIG-B（DC）和IRIG-B（AC）的实时数据作为输入量，输入至所述第二时间同步周期修正结果预测模型，从而输出一个第二时间同步周期修正结果预测量；

将所述第二时间同步周期修正结果预测量与实时的所述第二时间同步周期修正结果进行比较判断；

选取步骤：

若所述第一时间同步周期修正结果预测量与实时的所述第一时间同步周期修正结果匹配，且所述第二时间同步周期修正结果预测量与实时的所述第二时间同步周期修正结果不匹配，则，以所述第一时间同步周期修正结果为准；

若所述第一时间同步周期修正结果预测量与实时的所述第一时间同步周期修正结果不匹配，且所述第二时间同步周期修正结果预测量与实时的所述第二时间同步周期修正结果匹配，则，以所述第二时间同步周期修正结果为准；

若所述第一时间同步周期修正结果预测量与实时的所述第一时间同步周期修正结果匹配且所述第二时间同步周期修正结果预测量与实时的所述第二时间同步周期修正结果匹配；若所述第一时间同步周期修正结果预测量与实时的所述第一时间同步周期修正结果不匹配且所述第二时间同步周期修正结果预测量与实时的所述第二时间同步周期修正结果不匹配，则，进行人工核算。

通信制式功能设计；

考虑技术先进性、成熟度和稳定性，设计C波段网络收发器采用经验证的软件无线电方式来实现多种通信制式兼容，采用统一的处理器主控板和FPGA数字基带板实现基本数字基带处理与系统控制，从而实现统一的硬件架构。如图13所示。

通信处理主要包括协议处理、收/发数据处理、调制解调、AGC控制和数模模数接口几部分组成。

数字调制解调设计；

如图14所示，多相位调制是一种带宽效率高的近恒包络调制方式。本设计采用QPSK/8PSK/16QAM四种调制信号体制，以实现不同距离下尽可能高的数据吞吐，基带信号采用升余弦脉冲成形波形。

地面阵面天线的控制；

通过同天线承制单位的协商，地面天线是由33个天线馈源组成的天线阵面，33个馈源接收不同方向过来的无线电波，实现全向接收。

C波段天线每个系统包括两个单刀18掷开关（开关1和开关2），两个开关设计完全一致，对外接口也一致,基带通过多功能接口控制开关通道的切换。

基带通过高低电平控制开关的切换，高电平1（1.55V~5.0V），低电平0（0V~1.20V），两个开关模块的真值表一致，

对于地面端网络收发器来说，在接收时隙到来时，必须知道信号是由哪个天线馈源接收，从而将天线控制开关切到指定的馈源上。

具体的实现方法为：

1、地面端网络收发器通过与天线控制接口相连的TTL控制信号，切换指向指定的天线馈源。

2、在当前馈源作用下，计算基带数字域功率。

3、功率计算完成后，切换控制开关，指向下一个天线馈源，并计算数字域功率。

4、重复切换->功率计算过程，直到33个馈源全部轮循一次。

5、找出数字域功率最大的馈源，并切换开关指向。

由于地面端网络收发器需要在接收信号之前先预选天线馈源，而预选过程需要将所有馈源先轮询以此，必定会带来时间开销，这个开销我们希望越短越好，所以此处有两个问题需要注意，第一是负责馈源之间切换的PIN开关响应速度；第二是计算数字域功率所需要的时间。

经过与天线承制方的沟通，PIN开关时间小于1us，为了留出余量，我们以2us计算，而下行符号率为49.6Msps，符号间隔时间大约等于200ns，根据数字域功率的计算方法：

假设输入信号

经ADC采样后采样序列为

，长度为

的序列平方求和

可等效于数字域功率：

此处，L取值32，即一次数字域功率的计算时间为6.4us，一次开关切换加数字域功率计算的时间开销为6.4+2=8.4us，为了估算方便，一次的时间开销约等于10us，轮询33个馈源所需的总时间开销为330us，这个时间开销相对于80ms的接收时隙来说可以接收。

C波段宽带网络收发器配置管理和控制功能设计；

配置管理和控制功能是C波段宽带网络收发器和遥测网络正常运行的关键因素之一，其功能通过软件实现。软件包括运行于C波段网络收发器（和功率放大器）设备内部、支撑设备自身运行的设备内部控制软件，和运行于设备的外部独立计算机、进行配置管理人机接口（HMI）的设备外部管理软件两大部分，二者运行于不同部位，形成统一的从HMI到设备内部硬件平台操作流程。

C波段宽带网络收发器硬件控制功能；

C波段网络收发器正常工作的必要功能，包括AGC设置、收发切换控制功能和AD/DA配置功能。

模式切换功能；

为满足多模式复用平台、独立工作的设计思想，在管理软件上添加模式选择配置选项，并通知控制软件执行，后者在设备上电启动阶段根据管理软件设置的模式运行对应的调制方式设置。

网络管理代理功能；

由于需要配合遥测网络系统管理软件（管理者）工作，设备需提供网络管理代理功能，由控制软件实现。考虑到通信功能复用，管理软件也被设计为与遥测网络系统管理软件相同的工作体制，从而可以复用控制软件代理功能。

遥测网络管理基于SNMP协议实现，具有如下特点：

管理方式的标准化；

管理单元的可扩展性。

管理数据包括管理请求数据和管理报告数据，前者来自于收发器设备管理软件或遥测网络系统管理软件，后者产生于各被监控管理设备，包括C波段网络收发器和功率放大器的网络管理信息。管理数据网络间通过网络收发器管理专用网口传输，其处理流程与业务数据基本相同，设备内分别通过设备间或模块间管理专用接口（RS422）传输。

下面对遥测网络系统管理和控制功能的平台选型原则、开发原则、运行平台、环境及数据处理流程等做概要描述。

设备内部控制软件支撑平台选型；

软件运行支撑平台采用嵌入式实时Linux系统，具有如下几个突出的优势：

开放源码，软件资源丰富；

内核功能强大，性能高效、稳定，支持多任务；

完善的网络通讯机制；

周边硬件设备支持丰富；

体积功能可定制；

已通过长期产品级验证。

为进一步提高现有Linux实时性能，本方案在多个方面对其进行了改进，包括改进定时器队列的管理、在层间数据传递的方式上采用一次拷贝技术和紧急数据预留缓冲，以及在差错控制方面采用减小重传延时来提高数据传输的实时性能等。通过这些改进，并运行于较高性能的处理器平台之上，在数据处理的实时性方面可以获得进一步的提高。

达到高速数据处理速度和多线程处理功能，设计采用高性能双核ARM Cortex-A9处理器平台。

控制软件开发原则；

软件开发过程开发参照GJB2786-1996规范，采用模块化方式，所提供的各管理功能模块可以很方便地进行升级、扩展和更新。

机载双通道功率放大器；

根据现有的应用场景，机载功率通放大器为双道收发设计，其安装方式为把功放安装在天线端口附近，这既保证发射机输出功率能最大化到达天线端口；又能保证接收信号经过最小衰减进入高增益LNA，使噪声系数降至最低。

图15为双通道功率放大器结构示意图；

外部接口主要分为3类，共计8个物理接插件接口。按功能分为：

电源接口：采用机载设备专用连接器，电流承受能力大于30A，用于机载电源输入；

射频信号接口：采用6个SMA类型连接器，分别连接机载C波段收发器和机载基站天线；

功放管理接口：采用J30J系列连接器，用于工作前功放配置和工作中的状态监控。

地面单通道功率放大器；

根据现有的应用场景，地面功率放大器为单通道收发设计，其安装方式为把功放安装在天线端口附近，这既保证发射机输出功率能最大化到达天线端口；又能保证接收信号经过最小衰减进入高增益LNA，使噪声系数降至最低。

图16为地面单通道功率放大器的结构示意图；

外部接口主要分为3类，共计5个物理接插件接口。按功能分为：

电源接口：采用机载设备专用连接器，电流承受能力大于30A，用于地面电源输入；

射频信号接口：采用4个SMA类型连接器，分别连接机载C波段收发器和机载基站天线；

功放管理接口：采用J30J系列连接器，用于工作前功放配置和工作中的状态监控。

工作温度适应性设计；

系统中的硬件设备工作温度适应性设计主要从以下几个方面进行处理：

所有器件均选用军工级（-40℃~70℃工作范围）、低功耗的器件；

设备内部发热量较大的器件，采用固体导冷的方式，将发热量较大器件的散热装置连接到设备外壳；

在设备设计时，将发热量较大的器件与易老化器件进行隔离（包括物理隔离和距离隔离）；

设备外壳连接部分，采用凹凸型结构进行安装，并采用凝固胶对连接处进行密封，防止灰尘等引起散热不良等情况；

设备采用鳞片散热方式进行撒热，避免使用风扇散热带来的故障；

设备进行充分的高低温测试（测试时间不少于国军标要求），以验证设备的工作温度范围。

振动适应性设计；

系统中的硬件设备通过以下几种方式进行振动适应性设计：

设备内部安装采用刚度较强的不锈钢固定，对于重量较重的部件（如CPU部件、电源部件等），增加减振器降低振动；

PCB采取了限位、加紧装置，减少了PCB电连接边受振、受冲击后产生的相对位移和变形，电路板的固定采用锲形锁紧夹进行固定，减少共振发生几率；

在设备四周和顶部均留有固定点，并尽量保证固定点的中心与机箱中心重合，减少共谐振动发生几率；

设备的相关按钮、连接器采用国军标要求进行配置；

设备的固有频率设计在30Hz~70Hz之间，并尽量靠近30Hz；

在机柜设置电缆固定装置，减少电缆插座和电连接点所受的振动应力；

采用元器件固有频率较高的元器件。

电磁兼容性设计；

系统中的硬件设备的PCB板，通过布线的保证电磁兼容性设计的措施如下：

1）板内导线；

使用10层PCB板（从顶层到底层）：信号层、地层、信号层、地层、信号层、电源层、信号层、电源层、地层、信号层；

将敏感信号的布在地层与地层或者地层和电源层之间；

电源层和地层应使用粗线，不要使用50Ω布线规则；

保持PCB地线层返回路径宽而短；

应该使用利用地层返回铜线的电缆连接两个系统的地层；

使用多过孔(至少两个)连接到电源层(线)和地层(线)，表面贴电容可以直接焊接到过孔焊盘以减少线头。

2）板上导线；

微波传输线和带状线都有较好性能；

微波传输线的优点：一般有更高的差分阻抗、不需要额外的过孔；

带状线在信号间提供了更好的屏蔽。

3）差分线；

使用与传输媒质的差分阻抗和终端电阻相匹配的受控阻抗线，并且使差分线对离开集成芯片后立刻尽可能地相互靠近（距离小于10mm），这样能减少反射并能确保耦合到的噪声为共模噪声；

使差分线对的长度相互匹配以减少信号扭曲，防止引起信号间的相位差而导致电磁辐射；

不要仅仅依赖自动布线功能，而应仔细修改以实现差分阻抗匹配并实现差分线的隔离；

量减少过孔和其它会引起线路不连续性的因素；

避免将导致阻值不连续性的90°走线，使用圆弧或45°折线来代替；

在差分线对内，两条线之间的距离应尽可能短，以保持接收器的共模抑制能力。在印制板上，两条差分线之间的距离应尽可能保持一致，以避免差分阻抗的不连续性。

4）终端；

使用终端电阻实现对差分传输线的最大匹配，阻值一般在90～130Ω之间，系统也需要此终端电阻来产生正常工作的差分电压；

使用精度1～2%的表面贴电阻跨接在差分线上，必要时也可使用两个阻值各为50Ω的电阻，并在中间通过一个电容接地，以滤去共模噪声。

5）屏蔽层；

所有硬件设备均采用铝合金外壳作为第一层防护；

硬件设备敏感器件电路部分采用结构分腔的方式，采用铣洗的加工工艺，直接将整块铝合金洗出腔体，保证整体连接的电位平衡。

系统的EMC的防护措施如下：

采用一点接地的方式，将所有模块的地连接在一起并通过连接线与大地相连，保证所有设备之间的等电位特性；

硬件设备采用铝合金外壳作为防护层，所有硬件设备均使用无风扇设计，降低风扇带来的EMI干扰；

系统的连接电缆采用满足国军标要求的内外层双屏蔽、低损耗特种电缆，保证信号在传输过程中具备良好的EMC防护能力。

防水、防霉及盐雾适应性设计；

硬件设备中PCB的防水、防霉及盐雾适应性主要采取以下工艺进行设计：

所有PCB的三防漆防护措施在测试、检验并彻底清洗干净后进行；

使用的毛刷要保持清洁，不得用于其他作业；

涂覆层要透明，并且均匀覆盖PCB板和元件，色泽和稠度均匀一致；

刷三防漆工艺步骤为：刷A面—>表干—>刷B面—>室温固化；

喷涂厚度：0.2mm+0.05mm;

喷涂时应在温度不低于16℃和相对湿度低于75%的环境下进行；

喷涂前需要再60℃的环境下对PCB烘干40分钟，在烘箱中趁热取出时喷涂；

喷涂时不应有滴露，刷涂平整；

在不允许喷涂三防漆的地方，使用美纹纸遮盖保护；

系统的防水、防霉及盐雾适应性主要采取以下工艺进行设计：

设备外壳采用铝合金材料，并使用表面氧化处理，增加表面抗盐雾能力；

设备外壳底漆喷涂H53-33锌黄环氧，表面漆喷防盐雾桔红色，增加设备的防盐雾能力；

配置5%浓度的NaCl溶液，在盐雾箱中进行充分实验，以验证设备抗盐雾能力；

设备外壳直接的连接处，采用凹凸结构设计，并使用凝固胶密封，增加设备的防水能力和在湿度环境下的工作能力；

系统中的连接电缆采用双层屏蔽电缆，并在外层套防水套。

软件功能组成；

机载端软件主要实现以下功能：

1）网络通信功能；

ATTU使用TCP/IP网络通信实现数据传输，机载端作为网络通信的服务端，数据采集系统连接到机载端系统，并将数据发送给机载端系统；

2）无线通信功能；

ATTU与GTTS建立无线通信连接，并进行双向数据交互。

3）数据发送功能；

ATTU与GTTS的通信链路正常的情况下，向地面端发送数据。

地面端软件主要实现以下功能：

1）网络通信功能；

GTTS使用TCP/IP网络通信实，通过地埋电缆与交换机相连，与地面控制大厅的网络服务器形成局域网，网络服务器端可经由GTTS跟ATTU完成数据交互、参数配置、状态查询等；

2）无线通信功能；

GTTS与ATTU建立无线通信连接，并进行双向数据交互。

软件模块结构设计；

软件模块结构设计遵循业务层次分离、功能封装、模块间低耦合的思路和原则，以使软件易实现、易排错和易维护，能够更好保障软件的质量。

各模块以及模块之间的关系说明如下：

通信服务模块：负责与数据采集系统的通信过程，保障通信的可靠性，并对数据缓存模块输出业务数据；

数据采集模块：接收采集试飞数据，并转入数据发送模块；

无线通信模块：实现与地面端的可靠数据传输和链路检测功能；

数据发送模块：调用无线通信模块实现数据发送过程。

机载设备部署与连线设计；

安装部署与连线要求：

功率放大器应尽可能接近机载天线部署安装，功率放大器与机载天线之间连线尽可能使用较低损耗射频馈缆和高质量射频接头，根据舱内实际安装环境，最大限度缩短该射频馈缆长度，以便尽可能降低信号插损，原则上射频馈缆长度应小于2米；

如舱内安装空间允许，建议机载网络收发器设备、功放设备使用螺栓联接方式，统一固定安装于机载设备专用安装托盘之上，以便最大限度缩短各射频馈缆长度和信号线长度，降低信号插损；

机载设备和网络收发器根据需求和舱内实际情况部署，使用5类以上高质量屏蔽双绞线连接，建议长度控制在50米内；

机载天线使用铆钉联接方式，安装于机首/机尾或机背/机腹等舱外合适位置；

28VDC电源线建议采用带屏蔽耐高温电源线。

地面设备物理部署和连线设计；

天线部分：

收发器和功放等设备，使用螺钉联接方式，固定安装到天线立柱内壁上或外挂防水箱内，并作适当防水处理。

地面天线控制室：

天线立柱内过汇流环引出的两条5类双绞线引入地面天线控制室；

其中一条通过RJ45接口接入室内以太交换机接口，从而接入地面天线控制室局域网，作为管理数据通道；

另一条通过RJ45接口接入网络保密机后接入天线控制室局域网；如果没有网络保密机设备，则通过RJ45接口接入地面天线控制室以太交换机接口，从而接入地面天线控制室局域网，作为遥测数据通道。

地面控制大厅：

现有地埋光纤已将地面控制大厅内部局域网与地面天线控制室局域网互联。

SST测试计算机、遥测网络管理计算机、测试演示用计算机、大屏幕控制计算机等大厅其他相关测试设备均接入大厅内部局域网，并与天线控制室局域网形成统一网络。

综上，C波段网络收发系统，给出了机载遥测遥控单元、地面基站式遥测遥控单元的设计方案解决了空地实时高速数传的难题。目前，该系统已经布置在某飞行试验研究所，并投入使用。经飞行检验表明：系统和原机设备交联关系正确，不影响原机设备的正常工作，系统功能正常，性能指标满足设计要求，为后续飞行数据的深化应用奠定了扎实基础。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于时分双工的C波段网络收发系统，其特征在于，包括机载端遥测遥控单元，所述机载端遥测遥控单元包括机载端C波段宽带网络收发器和机载端C波段功率放大器，具有入网、退网、参数设置、状态检测功能；

其中，机载端C波段网络收发器通过外部数据接口接收机载数据，而后将机载数据通过模拟信号下行链路发送至地面基站式遥测遥控单元；机载天线接收上行链路模拟信号至机载端C波段功率放大器，而后模拟信号经过放大后输出至机载端C波段宽带网络收发器；机载端C波段宽带网络收发器对射频信号进行解调；将解调后的数字遥控信号通过外部数据接口输出至机载数据处理设备；

还包括地面基站式遥测遥控单元，所述地面基站式遥测遥控单元由地面端C波段宽带网络收发器和基站式C波段功率放大器组成，具有TDD双工数据传输、状态检测、参数设置功能；

其中，地面端C波段宽带网络收发器通过外部数据接口接收地面设备数据，而后将地面数据通过模拟信号上行链路发送至机载端遥测遥控单元；地面天线接收下行链路模拟信号至基站式C波段功率放大器，而后模拟信号经过放大后输出至地面端C波段宽带网络收发器；地面端C波段宽带网络收发器对射频信号进行解调；将解调后的数字遥控信号通过外部数据接口输出至地面数据处理设备；

其中，数据收发的具体流程如下；

从所述机载端遥测遥控单元到所述地面基站式遥测遥控单元：

1、来自机载网络接口设备的数据经网口送入机载端C波段宽带网络收发器；

2、将数据送入数字信号处理单元，进行编码、组帧、调制、波形成型，形成数字IQ信号；

3、数字IQ信号经由双通道DAC变成模拟IQ信号；

4、模拟IQ信号经上变频器将其频谱搬移至C波段；

5、然后经功放功率放大后送入无线链路；

6、地面天线接收机载端遥测遥控单元发出的无线信号，经功放模块的LNA放大后送入下变频器；

7、下变频器将C波段信号变为模拟基带信号；

8、双通道ADC对模拟基带信号进行采样，得到数字IQ信号，并送入数字信号处理单元；

9、数字信号处理单元完成同步、译码、解帧，得到用户数据；

10、用户数据经由以太网端口发往地面网络接口设备；

从所述地面基站式遥测遥控单元到所述机载端遥测遥控单元：

1、来自地面网络设备的数据经网络接口发送到地面端C波段宽带网络收发器；

2、将数据送入数字信号处理单元，进行编码、组帧、调制、波形成型，形成数字IQ信号；

3、数字IQ信号经由双通道DAC变成模拟IQ信号；

4、模拟IQ信号经上变频器将其频谱搬移至C波段；

5、经功放功率放大后送入无线链路；

6、机载天线接收地面基站式遥测遥控单元发出的无线信号，经功放模块的LNA放大后送入下变频器；

7、下变频器将C波段信号变为模拟基带信号；

8、双通道ADC对模拟基带信号进行采样，得到数字IQ信号，并送入数字信号处理单元；

9、数字信号处理单元完成同步、译码、解帧，得到用户数据；

10、用户数据经由以太网端口发往机载网络接口设备；

所述机载端遥测遥控单元与所述地面基站式遥测遥控单元之间设置有时间同步周期修正机制，即，地面基站Slot内的上行数据帧，在完成向机载端C波段宽带网络收发器传输控制数据的同时，兼做周期同步修正时标，空地收发器仅需在两次修正期间内保持短期时间同步即可，同时，TDMA协议设计还预留了保护间隔，即空中无线信号传播时延补偿和各种处理时延的补偿量；

其中，所述时间同步周期修正机制有两种；

其一为IEEE1588实现方式：

IEEE1588实现方式采用在收发器网络前端嵌入板卡，通过IEEE1588协议板卡可以自主实现板卡间自身时钟的时间及时间单位、频率和相位同步，并为收发器内部系统提供1PPS输出方式的时钟修正；IEEE1588板卡选用时间同步设备的高性能双网口IEEE1588板卡，是授时系统核心板卡，支持IEEE1588-2008协议；板卡采用独立FPGA实现，硬件时间戳分辨率5ns，具有流量预测模型消除网络突发流量对授时精度的影响，背靠背授时精度优于50ns，支持web界面设定PTP参数，可选择主钟模式/从钟模式、E2E/P2P、单播/组播多种参数设置；

其二为IRIG-B实现方式：

IRIG-B同步方式存在两种，分别为IRIG-B（DC）和IRIG-B（AC），IRIG-B（AC）为调制后的B码，IRIG-B（DC）为未调制的B码，IRIG-B（DC）码的接口采用TTL接口或RS422接口，机载端C波段宽带网络收发器具有RS422接口，采用IRIG-B（DC）码模式，地面端C波段宽带网络收发器通过RS422接口与IRIG-B（DC）发生器相连获取时间码，通过双向无线链路将时间码发送到机载端遥测遥控单元上，再由机载端C波段宽带网络收发器经过解调后通过RS422接口发送给机载端IRIG-B（DC）接收器，最终实现空地链路的全网同步功能；

时间同步周期修正机制还包括时间同步周期修正的准确性检验步骤，所述准确性检验步骤如下：

将IEEE1588实现方式作为常用时间同步周期修正机制，将IRIG-B实现方式作为检验时间同步周期修正机制；

获取所述常用时间同步周期修正机制下的第一时间同步周期修正结果，获取所述检验时间同步周期修正机制下的第二时间同步周期修正结果；

将所述第一时间同步周期修正结果与所述第二时间同步周期修正结果进行比较判断，得到所述第一时间同步周期修正结果与所述第二时间同步周期修正结果之间的实时偏差值；

获取所述第一时间同步周期修正结果与所述第二时间同步周期修正结果之间偏差值的偏差阈值范围；

将所述实时偏差值与所述偏差阈值范围进行比较判断，若所述实时偏差值落在偏差阈值范围内，则判断第一时间同步周期修正结果正常，否则，判断第一时间同步周期修正结果异常；

当判断第一时间同步周期修正结果异常时，进行时间同步周期修正结果选取步骤，具体如下，

第一时间同步周期修正结果正确性判断：

获取IEEE1588实现方式下板卡间自身时钟的时间及时间单位、频率和相位同步的所有历史数据和对应的第一时间同步周期修正结果的所有历史数据；

将板卡间自身时钟的时间及时间单位、频率和相位同步的所有历史数据作为输入量，将对应的第一时间同步周期修正结果的所有历史数据作为输出量，从而得到第一时间同步周期修正结果预测模型；

将板卡间自身时钟的时间及时间单位、频率和相位同步的实时数据作为输入量，输入至所述第一时间同步周期修正结果预测模型，从而输出一个第一时间同步周期修正结果预测量；

将所述第一时间同步周期修正结果预测量与实时的所述第一时间同步周期修正结果进行比较判断；

第二时间同步周期修正结果正确性判断：

获取IRIG-B实现方式下IRIG-B（DC）的所有历史数据和对应的第二时间同步周期修正结果的所有历史数据；

将IRIG-B（DC）的所有历史数据作为输入量，将对应的第二时间同步周期修正结果的所有历史数据作为输出量，从而得到第二时间同步周期修正结果预测模型；

将IRIG-B（DC）的实时数据作为输入量，输入至所述第二时间同步周期修正结果预测模型，从而输出一个第二时间同步周期修正结果预测量；

将所述第二时间同步周期修正结果预测量与实时的所述第二时间同步周期修正结果进行比较判断；

选取步骤：

若所述第一时间同步周期修正结果预测量与实时的所述第一时间同步周期修正结果匹配，且所述第二时间同步周期修正结果预测量与实时的所述第二时间同步周期修正结果不匹配，则，以所述第一时间同步周期修正结果为准；

若所述第一时间同步周期修正结果预测量与实时的所述第一时间同步周期修正结果不匹配，且所述第二时间同步周期修正结果预测量与实时的所述第二时间同步周期修正结果匹配，则，以所述第二时间同步周期修正结果为准；

若所述第一时间同步周期修正结果预测量与实时的所述第一时间同步周期修正结果匹配且所述第二时间同步周期修正结果预测量与实时的所述第二时间同步周期修正结果匹配；若所述第一时间同步周期修正结果预测量与实时的所述第一时间同步周期修正结果不匹配且所述第二时间同步周期修正结果预测量与实时的所述第二时间同步周期修正结果不匹配；则，进行人工核算。

2.根据权利要求1所述的一种基于时分双工的C波段网络收发系统，其特征在于，所述机载端C波段宽带网络收发器采用软件无线电方式，并采用统一的处理器主控板和FPGA数字基带板；

其通信处理包括协议处理、收/发数据处理、调制解调、AGC控制和数模模数接口，其中，所述调制解调具体为：

采用带宽效率高的近恒包络调制方式，即采用QPSK/8PSK/16QAM调制信号体制，基带信号采用升余弦脉冲成形波形。

3.根据权利要求2所述的一种基于时分双工的C波段网络收发系统，其特征在于，所述地面天线的控制方法为：

地面天线是由33个天线馈源组成的天线阵面，33个馈源接收不同方向过来的无线电波；

地面天线每个系统包括两个单刀18掷开关，两个开关完全一致，对外接口也一致,基带通过多功能接口控制开关通道的切换；

基带通过高低电平控制开关的切换，其中高电平1，低电平0；

地面端C波段宽带网络收发器在接收时隙时，判断对应地面天线馈源接收信号，从而将地面天线控制开关切到指定的馈源上；

具体的实现方法为：

1、地面端C波段宽带网络收发器通过与天线控制接口相连的TTL控制信号，切换指向指定的天线馈源；

2、在当前馈源作用下，计算基带数字域功率；

3、功率计算完成后，切换控制开关，指向下一个天线馈源，并计算数字域功率；

4、重复以上功率计算过程，直到33个馈源全部轮循一次；

5、找出数字域功率最大的馈源，并切换开关指向该最大的馈源；

地面端C波段宽带网络收发器需在接收信号之前先预选天线馈源，且预选过程需要将所有馈源先轮询一次并产生时间开销，所述时间开销有两个特性，第一是负责馈源之间切换的PIN开关响应速度；第二是计算数字域功率所需要的时间；其中，

PIN开关时间以2us计算，下行符号率为49.6Msps，符号间隔时间等于200ns，根据数字域功率的计算方法：

假设输入信号

经ADC采样后采样序列为

，长度为

的序列平方求和

可等效于数字域功率：

上式中，L取值32，即一次数字域功率的计算时间为6.4us，一次开关切换加数字域功率计算的时间开销为6.4+2=8.4us，若时间开销等于10us，轮询33个馈源所需的总时间开销为330us。

4.根据权利要求3所述的一种基于时分双工的C波段网络收发系统，其特征在于，所述机载端C波段宽带网络收发器的配置管理如下：

配置管理通过软件实现；软件包括运行于机载端C波段宽带网络收发器和机载端C波段宽带功率放大器设备内部、支撑设备自身运行的设备内部控制软件和运行于设备的外部独立计算机、进行配置管理人机接口的设备外部管理软件；

其中，所述机载端C波段宽带网络收发器还包括硬件控制；

1）所述机载端C波段网络收发器包括AGC设置、收发切换控制和AD/DA配置；

2）模式切换功能；

在管理软件上添加模式选择配置选项，并通知控制软件执行，后者在设备上电启动阶段根据管理软件设置的模式运行对应的调制方式设置；

3）网络管理代理功能；

网络管理代理由控制软件实现；为了实现通信功能复用，管理软件也被设计为与遥测网络系统管理软件相同的工作体制，从而复用控制软件代理功能；

4）遥测网络管理基于SNMP协议实现，具有如下特点：

管理方式的标准化；

管理单元的可扩展性；

其中，管理数据包括管理请求数据和管理报告数据，前者来自于收发器设备管理软件或遥测网络系统管理软件，后者产生于各被监控管理设备，包括机载端C波段宽带网络收发器和机载端C波段宽带功率放大器的网络管理信息；管理数据在网络间通过网络收发器管理专用网口传输，其处理流程与业务数据相同，设备内分别通过设备间或模块间管理专用接口传输；

遥测网络系统管理和控制具体如下；

1）设备内部控制软件支撑平台选型；

软件运行支撑平台采用嵌入式实时Linux系统，具体为：

包括改进定时器队列的管理、在层间数据传递的方式上采用一次拷贝技术和紧急数据预留缓冲，以及在差错控制方面采用控制重传延时；采用双核ARM Cortex-A9处理器平台；

2）控制软件开发原则；

软件开发过程参照GJB2786-1996规范，采用模块化方式，所提供的各管理功能模块可进行升级、扩展和更新；

3）软件开发运行环境；

控制软件开发环境：基于ARM-Linux环境调试和交叉编译，内核版本3.14以上；

控制软件运行环境：嵌入式RT-Linux，内核版本3.0.1；

设备管理方式：基于标准SNMPv2协议，通过C/S方式实现设备配置和运行监控。

5.根据权利要求4所述的一种基于时分双工的C波段网络收发系统，其特征在于，所述机载端C波段功率放大器采用机载双通道功率放大器，即，采用双道收发设计，其安装方式为把功放安装在天线端口附近，既保证发射机输出功率能最大化到达天线端口；又能保证接收信号经过最小衰减进入高增益LNA；

其外部接口分为3类，共计8个物理接插件接口；按功能分为：

电源接口：采用机载设备专用连接器，电流承受能力大于30A，用于机载电源输入；

射频信号接口：采用6个SMA类型连接器，分别连接机载端C波段宽带网络收发器和机载基站天线；

功放管理接口：采用J30J系列连接器，用于工作前功放配置和工作中的状态监控；

所述基站式C波段功率放大器采用地面单通道功率放大器，即，采用单通道收发设计，其安装方式为把功放安装在天线端口附近，这既保证发射机输出功率能最大化到达天线端口；又能保证接收信号经过最小衰减进入高增益LNA；

其外部接口主要分为3类，共计5个物理接插件接口；按功能分为：

电源接口：采用机载设备专用连接器，电流承受能力大于30A，用于地面电源输入；

射频信号接口：采用4个SMA类型连接器，分别连接机载端C波段宽带网络收发器和机载基站天线；

功放管理接口：采用J30J系列连接器，用于工作前功放配置和工作中的状态监控。

6.根据权利要求5所述的一种基于时分双工的C波段网络收发系统，其特征在于，还包括对所述C波段网络收发系统的硬件设备工作温度的适应性设计，具体为：

设备内部的器件采用固体导冷的方式，将散热装置连接到设备外壳；

在设备设计时，将发热的器件与易老化器件进行隔离；

设备外壳连接部分，采用凹凸型结构进行安装，并采用凝固胶对连接处进行密封；

设备采用鳞片散热方式进行散热；

设备进行高低温测试，以验证设备的工作温度范围。

7.根据权利要求6所述的一种基于时分双工的C波段网络收发系统，其特征在于，还包括对所述C波段网络收发系统的硬件设备振动适应性设计，具体为：

设备内部安装采用不锈钢固定,并设置减振器；

PCB采取了限位、加紧装置，电路板的固定采用锲形锁紧夹进行固定；

在设备四周和顶部均留有固定点，并保证固定点的中心与机箱中心重合；

设备的固有频率设置在30Hz-70Hz之间；

在机柜设置电缆固定装置。

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