CN116192263B - 同步双路光纤调制解调器及航空管制信号传输系统和方法 - Google Patents

同步双路光纤调制解调器及航空管制信号传输系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及航空管制通信技术领域，尤其涉及一种同步双路光纤调制解调器及航空管制信号传输系统和方法。光纤调制解调器的接口模块连接外部设备并向信号保护模块发送/接收飞行数据信号和时钟信号，信号保护模块在输入信号过大时断开输入回路；光纤通信处理模块包括电平转换模块和两个光纤模块，电平转换模块将飞行数据信号和时钟信号进行电平转换后传入光纤模块，由光纤模块进行电信号与光信号之间的转换；信号指示模块指示电源通断情况和光路通断情况。本发明的光纤调制解调器设置两路信号传输线路和光电信号转换模块，能同时传输飞行数据和时钟信号，使得收发双方能基于同一时钟，实现飞行数据的同步传输，确保了信号传输的可靠性。

Description

同步双路光纤调制解调器及航空管制信号传输系统和方法
技术领域
本发明涉及航空管制通信技术领域，尤其涉及一种同步双路光纤调制解调器及应用该光纤调制解调器的航空管制信号传输系统和方法。
背景技术
在航空管制（简称空管）领域，需要利用雷达、通信、导航和监控等技术对飞机飞行活动进行监视和控制，保证飞行安全。空管雷达为地面雷达，用来接收飞机返回的信号，雷达信号经过计算机处理后，传输给航管中心，供交通管制使用。
在进行雷达信号传输时，传统方式是通过电缆传输电信号。由于雷达通常安装在地势特殊的地方，位置比较偏远，在采用电缆传输过程中存在地电位差干扰、雷击、电磁干扰等问题，导致信号质量严重下降；同时，采用电信号传输还存在次信道风险，容易被监听，导致信息泄密。这对于航空领域来说，是极大的隐患。因此，如何保证信号从雷达到航管中心的长距离安全运输成为亟待解决的问题。
光纤通信因其传输频带宽、传输损耗低、通信容量大、可靠性高等优点，在电信领域被广泛应用于长距离信号传输。要实现光纤通信首先需要进行光的调制和解调，因此，光纤调制解调器是实现光纤通信的关键器件。由于民航航空管制多采用的是二次雷达，需考虑雷达信号格式匹配和时钟配对模式，空管二次雷达录取的点迹、航迹信号采用HDLC协议通过同步串口传送给传输设备，经传输设备输出至远端的自动化系统。与普通的异步串口不同，同步HDLC串口除了数据信号外，收发双方必须采用同一时钟，才能确保信号传输的可靠性。如果时钟不一致，会造成丢帧，产生丢点、丢扇区、信号不能接收等现象。电信领域应用的单路异步光纤调制解调器只有一条传输线路，只能传输数据，不能提供时钟信号，无法达到航空领域的要求。
发明内容
为克服上述光纤调制解调器的缺陷，使其能应用于航空管制领域，实现雷达信号的长距离安全传输，本发明设计了一种同步双路光纤调制解调器，能将从雷达获取的时钟信号和飞行数据一起调制后传输给航管中心，确保了收发双方时钟信号的统一，进而确保信号传输的可靠性。
一种同步双路光纤调制解调器，包括电源模块、信号指示模块、信号保护模块、光纤通信处理模块和接口模块，
所述接口模块用于实现光纤调制解调器与外部设备的连接，该模块包括两组发送端和接收端，与信号保护模块连接，用于向信号保护模块发送/接收飞行数据信号和时钟信号；
所述信号保护模块包括静电保护二极管和自恢复保险丝，用于在输入信号过大时断开输入回路，保护光纤通信处理模块；
所述光纤通信处理模块包括电平转换模块和两个光纤模块，所述电平转换模块的两组发送端和接收端与信号保护模块连接，另两组发送端和接收端分别与两个光纤模块的接收端和发送端对应连接，分别与其传输飞行数据信号和时钟信号；电平转换模块将飞行数据信号和时钟信号进行电压转换，以适应计算机和光纤模块不同的电压要求；两个光纤模块分别用于飞行数据信号、时钟信号的电信号与光信号之间的转换，并设有光纤连接端，从而实现航空雷达信号的光纤传输；
所述信号指示模块连接电源以及电平转换模块与两个光纤模块的连接端，用于指示电源通断情况以及电平转换模块与光纤模块的信号传输情况；
所述电源模块用于为电平转换模块、光纤模块供电。
进一步，所述电源模块包括电源保护电路和滤波电路，所述电源保护电路一端通过电源转换插头与220V电源连接，中间并联有气体防雷管和瞬变电压抑制二极管，用于防雷击和电源突变，另一端经滤波电路滤除杂波后输出VCC电源。
进一步，所述滤波电路包括共模电感和滤波电容，所述共模电感用于过滤电源保护电路中的电磁干扰信号。
进一步，所述光纤模块设有光路指示端，所述信号指示模块与两个光纤模块的光路指示端连接，用于指示光路是否连通。
优选的，所述接口模块为RJ45接口，通过RJ45接口连接光纤调制解调器和计算机，传输雷达信号。
一种航空管制信号传输系统，包括与空管雷达连接的第一计算机和至少一台位于航管中心的第二计算机，包括至少一组呈对端设置的同步双路光纤调制解调器，每组同步双路光纤调制解调器通过2芯光纤连接，其中一台与第一计算机连接，另外一台与第二计算机连接，将空管雷达接收的飞行数据和时钟信号同步传到航管中心。
一种航空管制信号传输方法，采用上述信号传输系统将空管雷达接收的飞机的飞行数据和卫星时钟信号同步传输到航管中心。
本发明具有以下效果：
1、本发明所述的光纤调制解调器设置两路信号传输线路和光电信号转换模块，能同时传输雷达接收的飞行数据和时钟信号，使得收发双方能基于同一时钟，实现飞行数据的同步传输，确保了信号传输的可靠性。
2、本发明所述的光纤调制解调器具有两组发送端和接收端，可以利用1条2芯光纤实现远程同步信息设备间的点对点单向通信，也可以利用2条2芯光纤实现远程同步信息设备间的点对点双向通信。
3、本发明所述的光纤调制解调器的电源模块设置气体防雷管和共模电感，能实现防雷击功能，解决电磁干扰问题，大大提高了航管雷达数据传输的安全性。
4、本发明所述信号传输系统和方法，利用光纤点对点传输雷达信号，不会被截流监听，能满足航管雷达数据传输的保密性要求。
5、本发明采用RJ45接口与计算机连接，方便快速接线安装。
附图说明
图1是本发明所述的同步双路光纤调制解调器的原理框图；
图2是本发明所述的同步双路光纤调制解调器的接口模块电路图；
图3是本发明所述的同步双路光纤调制解调器的信号保护模块电路图，其中图3中（a）是第一支路电路图，图3中（b）是第二支路电路图；
图4是本发明所述的同步双路光纤调制解调器光纤通信处理模块的电路图，其中图4中（a）是电平转换模块的电路图，图4中（b）是电平转换模块接地电路图，图4中（c）是光纤模块M1的电路图，图4中（d）是光纤模块M1上拉电阻部分电路图，图4中（e）是光纤模块M2的电路图，图4中（f）是光纤模块M2上拉电阻部分电路图；
图5是本发明所述的同步双路光纤调制解调器信号指示模块的电路图，其中图5中（a）是电源和光纤模块M2光路指示模块电路图，图5中（b）是光纤模块M1光路指示模块电路图；
图6是本发明所述的同步双路光纤调制解调器电源模块的电路图；
图7是本发明所述的航空管制信号传输系统的系统架构图；
图中，1、接口模块，2、信号保护模块，3、电平转换模块，4、光纤模块，5、信号指示模块，6、电源模块，7、第一计算机，8、第一同步双路光纤调制解调器，9、光纤，10、第二同步双路光纤调制解调器，11、第二计算机，12、空管雷达。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。
一种应用于航空管制通信领域的同步双路光纤调制解调器，如图1所示，包括电源模块6、接口模块1、信号保护模块2、光纤通信处理模块和信号指示模块5。所述光纤通信处理模块包括电平转换模块3和两个光纤模块4，用来实现飞行数据和时钟信号两路信号的光电转换。所述接口模块1用来连接空管雷达的计算机或航管中心的计算机。接口模块1的两组发送端、接收端与信号保护模块2连接，所述信号保护模块2包括静电保护二极管和自恢复保险丝，可在数据和时钟信号过大时断开电路，从而保护电平转换模块的芯片。数据和时钟信号由电平转换模块进行电压转换，从而适应光纤模块和计算机的电压要求。两个光纤模块4分别用于飞行数据信号、时钟信号的电信号与光信号之间的转换，以便连接光纤，实现航空雷达信号的长距离传输。所述信号指示模块5连接电源以及电平转换模块与两个光纤模块的连接端，用于指示电源通断情况以及电平转换模块与光纤模块的信号传输情况；光纤模块4设有光路指示端，同时与信号指示模块5连接，用来检测与对端的光路通断情况。所述电源模块6用于为电平转换模块、光纤模块供电，电源模块包括电源保护电路和滤波电路，电源保护电路中设置气体防雷管，能实现防雷击功能；滤波电路中设置共模电感，能抗电磁干扰。
图2-6是举例说明一种同步双路光纤调制解调器的具体电路结构，图2-6所示结构仅为了示范说明，并不用来限定本发明的保护范围。本领域技术人员在本发明所述原理基础上所做的设计，均在本发明的保护范围内。
如图2-6所示，所述接口模块1采用RJ45接口RJ1，所述电平转换模块3采用MAX232芯片U1，所述光纤模块4型号为OCM3523-41。如图3所示，所述信号保护模块2包括两个支路，其中图3中（a）是第一支路电路图，第一支路中包含静电保护二极管ESD1和自恢复保险丝F1、F2；图3中（b）是第二支路电路图，第二支路中包含静电保护二极管ESD2和自恢复保险丝F3、F4。图2的RJ45接口RJ1的TX-脚、NC脚、RX-脚、NC脚分别作为两组发送端、接收端，与信号保护模块的四个自恢复保险丝F1、F2、F3、F4的一端连接，用来将从雷达端计算机接收的数据和时钟两路信号传入光纤调制解调器进行电-光转换，或者将远端传来的信号传给航管中心的计算机。RJ45接口RJ1的TX+脚、RX+脚以及另外两个NC脚接地。如图4中（a）所示，自恢复保险丝F1、F2、F3、F4的另一端与MAX232芯片U1的T1OUT脚、R1IN脚、T2OUT脚、R2IN脚连接，信号保护模块对MAX232芯片U1进行过流保护，在RJ45接口输入的信号电流过大时，断开后续电路，防止损坏芯片。
图4中（a）是电平转换模块的电路图，图4中（b）是电平转换模块接地电路图，图4中（c）是光纤模块M1的电路图，图4中（d）是光纤模块M1上拉电阻部分电路图，图4中（e）是光纤模块M2的电路图，图4中（f）是光纤模块M2上拉电阻部分电路图。MAX232芯片U1的VCC脚接VCC电源，GND脚接地，VCC电源经电容C8接地。MAX232芯片U1的R1OUT脚、T1IN脚作为一组发送端、接收端与光纤模块M2的TD+脚、RD+脚连接，可以传输飞行数据信号，飞行数据信号通过光纤模块M2进行光电转换。MAX232芯片U1的R2OUT脚、T2IN脚作为另一组发送端、接收端与光纤模块M1的TD+脚、RD+脚连接，可以传输时钟信号，时钟信号通过光纤模块M1进行光电转换。光纤模块M1、M2的VCCT脚、VCCR脚经LC滤波电路接VCC电源，GNDR脚、GNDT脚接地，SD脚作为光路指示端SDB、SDA，在与对端的光路连通时，输出高电平信号，光纤模块M1、M2的RD+脚为开漏输出，通过上拉电阻R9或R8接VCC电源。光纤模块带有光纤接头，实现与光纤的连接。
如图5所示，所述信号指示模块5包括两部分，其中图5中（a）是电源和光纤模块M2光路指示模块电路图，图5中（b）是光纤模块M1光路指示模块电路图。图5中（a）中发光二极管LED3阳极连接VCC电源，阴极通过电阻R1接地，当VCC电源正常时，发光二极管LED3长亮。发光二极管LED4的阳极连接光纤模块M2的光路指示端SDA，阴极经电阻R2接地，在光路连通时，光路指示端SDA输出高电平，发光二极管LED4长亮，表明光路是通的。图5中（b）中发光二极管LED5的阳极连接光纤模块M1的光路指示端SDB，阴极经电阻R5接地，指示另一路光纤连通情况。图5中（a）中发光二极管LED1的阳极与光纤模块M2的光路指示端SDA连接，阴极经肖特基二极管D1、电阻R3、R4连接光纤模块M2与MAX232芯片U1的两个连接端TDA、RDA，利用两个二极管构建TDA、RDA的逻辑或以及与SDA之间的逻辑与关系，用来指示两者之间的信号收发情况，当光路连通、光路指示端SDA输出高电平，同时光纤模块M2与MAX232芯片U1之间接收或发出信号时（TDA或RDA输出高电平），发光二极管LED1长亮。图中5（b）中发光二极管LED2分别连接光纤模块M1的光路指示端SDB及与MAX232芯片U1的两个连接端TDB、RDB，指示两者之间的信号收发情况。
如图6所示，所述电源模块6包括电源保护电路和滤波电路，电源保护电路包括气体防雷管G1、自恢复保险丝RF1、瞬变电压抑制二极管TVS1、电容C1和压敏电阻RV1，电源保护电路一端通过电源转换插头与220V交流电源连接，转换为5V直流电源，之后并联气体防雷管G1、瞬变电压抑制二极管TVS1、电容C1，气体防雷管G1对电路进行防雷保护，瞬变电压抑制二极管TVS1能抑制电源突变。电源保护电路末端并联共模电感L1和电容C2、C3，滤除杂波后，输出VCC电源，供其他模块使用。
应用上述光纤调制解调器布设的航空管制信号传输系统，如图7所示，结构如下：与空管雷达12连接的第一计算机7处放置第一同步双路光纤调制解调器8，第一计算机7通过RJ45接口与第一同步双路光纤调制解调器8通讯。根据航管中心用户使用的第二计算机11的数量设置多个第二同步双路光纤调制解调器10，并且通过RJ45接口实现通讯连接。第一同步双路光纤调制解调器的数量与第二同步双路光纤调制解调器的数量一致，两者通过光纤9一一对应连接，实现光纤通讯。空管雷达获取的飞行数据与时钟信号一起传入第一同步双路光纤调制解调器，将电信号转换为光信号后，通过2芯光纤传到对端的第二同步双路光纤调制解调器，再转换为电信号后，传到用户的计算机中，供其使用。同步双路光纤调制解调器外部有四个光纤接口，两个分别作为数据和时钟的输入端子，另外两个分别作为数据和时钟的输出端子，与2芯光纤连接。在连接光纤时，可以是一根2芯光纤，进行单向通讯，也可以是两根光纤，进行双向通讯，使用时根据需要选择。
上述结构实现了飞行数据和时钟信号的同步传输，既能利用光纤实现飞行数据的长距离传输，还能保证传输的可靠性，防止泄密。同时，利用信号指示模块可以实时检测电源、光路连通以及信号收发的情况。

Claims (5)

1.一种同步双路光纤调制解调器，包括电源模块、信号指示模块、信号保护模块、光纤通信处理模块和接口模块，其特征在于：
所述接口模块用于实现光纤调制解调器与外部设备的连接，该模块包括两组发送端和接收端，与信号保护模块连接，用于向信号保护模块发送/接收飞行数据信号和时钟信号；
所述信号保护模块包括静电保护二极管和自恢复保险丝，用于在输入信号过大时断开输入回路，保护光纤通信处理模块；
所述光纤通信处理模块包括电平转换模块和两个光纤模块，所述电平转换模块的两组发送端和接收端与信号保护模块连接，另两组发送端和接收端分别与两个光纤模块的接收端和发送端对应连接，分别与其传输飞行数据信号和时钟信号；电平转换模块将飞行数据信号和时钟信号进行电压转换，以适应计算机和光纤模块不同的电压要求；两个光纤模块分别用于飞行数据信号、时钟信号的电信号与光信号之间的转换，并设有光纤连接端，从而实现航空雷达信号的光纤传输；
所述信号指示模块连接电源以及电平转换模块与两个光纤模块的连接端，用于指示电源通断情况以及电平转换模块与光纤模块的信号传输情况；
所述电源模块用于为电平转换模块、光纤模块供电，包括电源保护电路和滤波电路，所述电源保护电路一端通过电源转换插头与220V电源连接，中间并联有气体防雷管和瞬变电压抑制二极管，用于防雷击和电源突变，另一端经滤波电路滤除杂波后输出VCC电源；
所述光纤模块设有光路指示端，所述信号指示模块与两个光纤模块的光路指示端连接，用于指示光路是否连通。
2.根据权利要求1所述的同步双路光纤调制解调器，其特征在于：所述滤波电路包括共模电感和滤波电容，所述共模电感用于过滤电源保护电路中的电磁干扰信号。
3.根据权利要求1所述的同步双路光纤调制解调器，其特征在于：所述接口模块为RJ45接口，通过RJ45接口连接光纤调制解调器和计算机，传输雷达信号。
4.一种航空管制信号传输系统，包括与空管雷达连接的第一计算机和至少一台位于航管中心的第二计算机，其特征在于：包括至少一组呈对端设置的权利要求1-3任一项所述的同步双路光纤调制解调器，每组同步双路光纤调制解调器通过2芯光纤连接，其中一台与第一计算机连接，另外一台与第二计算机连接，将空管雷达接收的飞行数据和时钟信号同步传到航管中心。
5.一种航空管制信号传输方法，其特征在于：采用权利要求4所述的信号传输系统将空管雷达接收的飞机的飞行数据和卫星时钟信号同步传输到航管中心。
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光电跟踪设备数字视频图像信息光纤传输系统设计;韩红霞;司国良;曹立华;耿爱辉;孙航;;光学精密工程(第05期);全文 *

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CN116192263A (zh) 2023-05-30

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