CN116527075B - 一种机载vdl模式2航空通信电台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机载VDL模式2航空通信电台，包括机载电台主机及机载天线，航空通信电台与机载CMU连接，接收机载CMU的通信数据并在完成相应处理后发经机载天线发出，同时由机载天线接收来自地面的信号，并在完成相应处理后传输至机载CMU。本发明机载VDL模式2航空通信电台，采用D8PSK数字调制方式以及比特交织、比特扰码、RS编码的传输安全性和信道抗干扰技术，有效解决信道干扰和衰落问题，与地面数据链电台配合工作，实现空地双向高可靠通信；同时数据链能传输管制指挥指令，实现地面管制员对飞机的及时可靠管制指挥通信，可作为传统VHF话音通信的备份手段，且通信速率可达31.5Kbps，具备更高的通信带宽和更强的通信可靠性。

Description

一种机载VDL模式2航空通信电台
技术领域
本发明属于航空通信技术领域，尤其涉及一种机载VDL模式2航空通信电台。
背景技术
航空通信有甚高频、高频、S模式和卫星通信等通信方式，其中使用较广泛的是甚高频通信。目前全球范围内民航主要使用的甚高频通信包括VHF（甚高频）话音通信和ACARS（飞机通信寻址与报告系统）数据链。这两种甚高频通信的特点是发展较早、使用相对简单、应用广泛，但通话质量、传输速率、抗干扰性能等难以满足现代空中交通管理的需要，已成为制约空中交通管理的瓶颈。为此，国际民航组织（ICAO）在《国际民用航空公约》附件10中提出VDL模式2地空通信技术，推动VDL模式2系统的全球规划部署。
VHF话音通信用于飞机与地面台站、飞机与飞机之间的双向模拟语音通信联络，采用单边带模拟调幅方式，工作的频率范围118 MHZ～137MHZ，频率间隔为25KHZ。ACARS数据链用于飞机与地面台站之间的双向数据链通信，采用MSK调制方式，工作频率范围118 MHZ～137MHZ，频率间隔25KHz，通信速率2.4Kbps。VDL模式2数据链采用D8PSK数字调制方式，工作频段118 MHZ～137MHZ，频率间隔25KHz或8.33KHz可配置，通信速率31.5Kbps，是未来空中交通四维航迹运行的核心通信手段，传统的VHF话音通信和ACARS数据链正在向VDL模式2数据链过渡。VDL模式2采用更新的数字调制技术、更高的传输带宽和更可靠的传输质量，可以显著提高航空通信性能；符合ICAO部署的全球航空通信规划，可以满足未来大容量航空通信和全球航班通信互操作性的要求。
现有的航空通信主要采用VHF话音通信和ACARS数据链。随着空中交通容量和流量的增长，传统的模拟VHF话音通信和低速率ACARS数据链越来越不能适应空地通信的需要，主要缺点如下：
（1）VHF话音通信为飞行员与地面管制员之间、不同飞机的飞行员之间提供模拟话音通信，采用传统的模拟调制方式，工作于甚高频段，抗环境干扰能力弱，存在话音中断、语音不清晰、语音理解错误等问题，影响地面管制员对飞机进行及时可靠的管制指挥。
（2）VHF话音通信手段不能进行地空数据传输，通信效率低、资源占用时间长、管制员工作负荷大，在飞行流量较大时或进行指令、数字等复杂信息交换时缺点尤其明显。
（3）ACARS数据链通过飞机与地面台站之间的双向数据通信为空中交通管制和航空公司运行控制提供通信服务，采用MSK调制方式，通信速率2.4Kbps，通信带宽小、通信容量低，存在传输数据种类少、数据更新率低、通信可靠性不足的问题，无法支持大容量航空通信和未来空中交通四维航迹运行的需要。
发明内容
本发明的目的在于：为了克服现有技术问题，公开了一种机载VDL模式2航空通信电台，通过本发明航空通信电台设计，解决了传统VHF话音通信容易受环境干扰、无法传输数据的问题，以及传统ACARS数据链通信速率低、通信可靠性不足的问题。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种机载VDL模式2航空通信电台，所述航空通信电台包括机载电台主机及机载天线，航空通信电台与机载CMU连接，接收机载CMU的通信数据并在完成相应处理后发经机载天线发出，同时由机载天线接收来自地面的信号，并在完成相应处理后传输至机载CMU，
所述机载电台主机包括：射频收发模块和处理控制模块；
其中，所述射频收发模块包括：发射机、接收机和功率开关；发射机接收来自处理控制模块的信号，并在进行相应处理后通过功率开关将射频功率信号从机载天线发出；所述接收机经功率开关接收来自机载天线采集的点频信号，并在进行相应处理后输送至处理控制模块；
所述处理控制模块包括：信号处理单元、数据处理单元、接口转换单元和系统控制单元；
其中，所述信号处理单元包括两个通路，一路为将接收数据处理单元的基带数据进行RS编码、比特交织、比特扰码、差分编码和D8PSK调制处理，生成已调制的中频信号，送给发射机；另一路是将接收机输出的中频信号进行ADC、载波侦听、D8PSK解调、比特解扰、比特解交织、RS译码，生成基带数据，然后送给数据处理单元；
所述数据处理单元与接口转换单元和信号处理单元进行数据交换，用于完成数据缓存、数据抽取、数据打包成帧、数据拆分、数据存取控制处理；
所述接口转换单元被配置为用于实现数据处理单元与机载CMU之间的通信转接，所述系统控制单元被配置为用于进行收发状态控制、功率开关切换、频率参数设置、电源监测、设备健康状态管理。
根据一个优选的实施方式，所述机载电台主机还包括电源模块，所述电源模块由防雷电路、防反接电路、EMI滤波电路、浪涌抑制电路、维持电路、DC/DC转换电路组成。
根据一个优选的实施方式，所述电源模块由机载直流28V作为输入，首先经过防雷、防反处理后进行EMI滤波，然后送到后级浪涌抑制电路进行限幅保护控制，最后通过电压维持电路将直流电压送到4路DC/DC转换电路进行DC/DC变换，经过输出滤波为系统供电，输出24V、5V、3.3V和200V共四组直流电压。
根据一个优选的实施方式，所述发射机通过50欧姆射频接口接收来自处理控制模块已调制的21.4MHz中频信号，进行数字上变频输出118 MHz～137.000 MHz范围内的点频信号，然后进行带通滤波、可控增益放大、功率放大的处理后，并通过功率开关将射频功率信号从机载天线发出。
根据一个优选的实施方式，所述接收机接收来自机载天线的118 MHz～137.000MHz范围内点频信号，进行低噪放大、可控增益衰减、带通滤波、下变频、限幅的处理后，变换为21.4MHz中频，通过50欧姆射频接口送到处理控制模块。
根据一个优选的实施方式，所述功率开关被配置为支持单路接通，在发射时，仅接通发射机与机载天线；在非发射时，仅接通接收机与机载天线。
根据一个优选的实施方式，所述数据处理单元通过离散I/O接口将构造的成帧数据包送给信号处理单元；同时接收信号处理单元的数据进行打包或拆分后送给接口转换单元，实现对下行消息和上行消息的处理。
根据一个优选的实施方式，所述接口转换单元由电平转换电路、驱动电路和隔离电路构成；对外提供1路RS232调试接口、32路离散I/O接口、2路ARINC429数据接口。
根据一个优选的实施方式，所述控制单元被配置为当载波侦听发现信道忙时，控制功率开关处于连接接收机通路状态；仅当载波侦听发现信道闲时且当前需要发射信号，才控制功率开关连接发射机通路状态。
根据一个优选的实施方式，所述处理控制模块被配置为完成下行消息处理、上行消息处理、CSMA机制处理、审计模式处理；当机载电台主机从无线信道接收到上行消息后，经过信道质量检测算法，发送质量检测报告给机载CMU；同时通过预设的上行消息处理机制，进行地址筛选以及 BCS 校验，发送上行消息给机载CMU；进行下行消息处理时，首先机载电台主机收到来自机载CMU的数据传输请求报文，表明飞机有向地面发送的下行消息块；然后机载电台主机通过CSMA检测机制判断信道忙闲状态，若信道属于空闲状态，则在消息块前添加VHF前导，经过信号处理后送给发射机，通过机载天线发射出去。机载电台主机传输消息块后，向机载CMU回复确认消息，告知机载CMU已经发送完消息。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
本发明的有益效果：
本发明机载VDL模式2航空通信电台，采用D8PSK数字调制方式以及比特交织、比特扰码、RS编码的传输安全性和信道抗干扰技术，有效解决信道干扰和衰落问题，与地面数据链电台配合工作，实现空地双向高可靠通信。同时数据链能传输管制指挥指令，实现地面管制员对飞机的及时可靠管制指挥通信，可作为传统VHF话音通信的备份手段。
并且，通过采用D8PSK数字调制方式以及比特交织、比特扰码、RS编码的传输安全性和信道抗干扰技术，通信速率可达31.5Kbps，具备更高的通信带宽和更强的通信可靠性，可以替代ACARS通信手段并显著提升航空通信性能。
附图说明
图1是VDL模式2航空通信系统工作原理图；
图2是本发明机载电台主机的模块组成图；
图3是本发明电源模块组成图；
图4是本发明上下行消息处理流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。
实施例1：
参考图1至图4所示，图中示出了一种机载VDL模式2航空通信电台，所述航空通信电台包括机载电台主机及机载天线，航空通信电台与机载CMU（通信管理单元）连接，接收机载CMU的通信数据并在完成相应处理后发经机载天线发出，同时由机载天线接收来自地面的信号，并在完成相应处理后传输至机载CMU。在CMU屏幕上进行显示并提示飞行员进一步的操作。
优选地，所述机载电台主机包括：射频收发模块、处理控制模块和电源模块。
优选地，所述射频收发模块包括：发射机、接收机和功率开关。
发射机接收来自处理控制模块的信号，并在进行相应处理后通过功率开关将射频功率信号从机载天线发出。所述接收机经功率开关接收来自机载天线采集的点频信号，并在进行相应处理后输送至处理控制模块。
进一步地，所述发射机通过50欧姆射频接口接收来自处理控制模块已调制的21.4MHz中频信号，进行数字上变频输出118 MHz～137.000 MHz范围内的点频信号，然后进行带通滤波、可控增益放大、功率放大的处理后，并通过功率开关将射频功率信号从机载天线发出。
进一步地，所述接收机接收来自机载天线的118 MHz～137.000 MHz范围内点频信号，进行低噪放大、可控增益衰减、带通滤波、下变频、限幅的处理后，变换为21.4MHz中频，通过50欧姆射频接口送到处理控制模块。
进一步地，所述功率开关被配置为支持单路接通，在发射时，仅接通发射机与机载天线；在非发射时（即接收状态），仅接通接收机与机载天线。
优选地，所述处理控制模块包括：信号处理单元、数据处理单元、接口转换单元和系统控制单元。
优选地，信号处理单元以FPGA、ADC芯片为核心。所述信号处理单元包括两个通路。一路为通过离散I/O接口接收数据处理单元的基带数据，将接收的基带数据进行RS（255，249）编码、比特交织、比特扰码、差分编码和D8PSK调制处理，生成已调制的21.4MHz中频信号，送给发射机。另一路是将接收机输出的中频信号进行ADC、载波侦听、D8PSK解调、比特解扰、比特解交织、RS（255，249）译码，生成基带数据，然后通过离散I/O接口送给数据处理单元。
本发明机载VDL模式2航空通信电台，采用D8PSK数字调制方式以及比特交织、比特扰码、RS编码的传输安全性和信道抗干扰技术，有效解决信道干扰和衰落问题，与地面数据链电台配合工作，实现空地双向高可靠通信。同时数据链能传输管制指挥指令，实现地面管制员对飞机的及时可靠管制指挥通信，可作为传统VHF话音通信的备份手段。
并且，通过采用D8PSK数字调制方式以及比特交织、比特扰码、RS编码的传输安全性和信道抗干扰技术，通信速率可达31.5Kbps，具备更高的通信带宽和更强的通信可靠性，可以替代ACARS通信手段并显著提升航空通信性能。
优选地，数据处理单元以DSP、RAM、FLASH芯片为核心。数据处理单元与接口转换单元和信号处理单元进行数据交换，用于完成数据缓存、数据抽取、数据打包成帧、数据拆分、数据存取控制处理。
数据处理单元通过离散I/O接口将新构造的成帧数据包送给信号处理单元，同时接收信号处理单元的数据进行打包或拆分后送给接口转换单元，实现对下行消息和上行消息的处理。
优选地，接口转换单元被配置为用于实现数据处理单元与机载CMU之间的通信转接。
进一步地，所述接口转换单元由电平转换电路、驱动电路和隔离电路构成；对外提供1路RS232调试接口、32路离散I/O接口、2路ARINC429数据接口。32路离散I/O接口中的4路布置于前面板，其中3路用于显示设备状态、控制状态和天线状态，1路用于控制设备处于工作状态或自检状态。
优选地，所述系统控制单元被配置为用于进行收发状态控制、功率开关切换、频率参数设置、电源监测、设备健康状态管理。
进一步地，所述控制单元被配置为当载波侦听发现信道忙时，控制功率开关处于连接接收机通路状态；仅当载波侦听发现信道闲时且当前需要发射信号，才控制功率开关连接发射机通路状态。
优选地，所述电源模块由防雷电路、防反接电路、EMI滤波电路、浪涌抑制电路、维持电路、DC/DC转换电路组成。
进一步地，所述电源模块由机载直流28V作为输入，首先经过防雷、防反处理后进行EMI滤波，然后送到后级浪涌抑制电路进行限幅保护控制，最后通过电压维持电路将直流电压送到4路DC/DC转换电路进行DC/DC变换，经过输出滤波为系统供电，输出24V、5V、3.3V和200V共四组直流电压。
参考图4所示，本发明还公开了上下行消息处理流程。处理控制模块负责核心信息的处理，包括下行消息处理、上行消息处理、CSMA机制处理、审计模式等。
机载电台主机从无线信道接收到上行消息后，经过信道质量检测算法，发送质量检测报告给机载CMU；同时通过上行消息处理机制，进行地址筛选以及 BCS 校验，发送上行消息给机载CMU。
机载电台主机在进行下行消息处理之前，必须保证机载与地面的工作参数一致。首先机载电台主机收到来自机载CMU的数据传输请求报文，表明飞机有向地面发送的下行消息块。然后机载电台主机通过CSMA检测机制判断信道忙闲状态，若信道属于空闲状态，则在消息块前添加VHF前导，经过信号处理后送给发射机，通过机载天线发射出去。机载电台主机传输消息块后，向机载CMU回复确认消息，告知机载CMU已经发送完消息。
本发明机载VDL模式2航空通信电台具备更高带宽的地空数据传输能力，支持数字化ATC（空中交通管制）和AOC（航空公司运行控制）应用，显著提升空中交通的安全性和效率。且所述机载VDL模式2航空通信电台符合ATN（航空电信网）规范，可以融入到ATN网络中，能够支持未来四维航迹运行应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机载VDL模式2航空通信电台，所述航空通信电台包括机载电台主机及机载天线，航空通信电台与机载CMU连接，接收机载CMU的通信数据并在完成相应处理后发经机载天线发出，同时由机载天线接收来自地面的信号，并在完成相应处理后传输至机载CMU，
其特征在于，
所述机载电台主机包括：射频收发模块和处理控制模块；
其中，所述射频收发模块包括：发射机、接收机和功率开关；发射机接收来自处理控制模块的信号，并在进行相应处理后通过功率开关将射频功率信号从机载天线发出；所述接收机经功率开关接收来自机载天线采集的点频信号，并在进行相应处理后输送至处理控制模块；
所述处理控制模块包括：信号处理单元、数据处理单元、接口转换单元和系统控制单元；
其中，所述信号处理单元包括两个通路，一路为将接收数据处理单元的基带数据进行RS编码、比特交织、比特扰码、差分编码和D8PSK调制处理，生成已调制的中频信号，送给发射机；另一路是将接收机输出的中频信号进行ADC、载波侦听、D8PSK解调、比特解扰、比特解交织、RS译码，生成基带数据，然后送给数据处理单元；
所述数据处理单元与接口转换单元和信号处理单元进行数据交换，用于完成数据缓存、数据抽取、数据打包成帧、数据拆分、数据存取控制处理；
所述接口转换单元被配置为用于实现数据处理单元与机载CMU之间的通信转接，所述系统控制单元被配置为用于进行收发状态控制、功率开关切换、频率参数设置、电源监测、设备健康状态管理。
2.如权利要求1所述的机载VDL模式2航空通信电台，其特征在于，所述机载电台主机还包括电源模块，所述电源模块由防雷电路、防反接电路、EMI滤波电路、浪涌抑制电路、维持电路、DC/DC转换电路组成。
3.如权利要求2所述的机载VDL模式2航空通信电台，其特征在于，所述电源模块由机载直流28V作为输入，首先经过防雷、防反处理后进行EMI滤波，然后送到后级浪涌抑制电路进行限幅保护控制，最后通过电压维持电路将直流电压送到4路DC/DC转换电路进行DC/DC变换，经过输出滤波为系统供电，输出24V、5V、3.3V和200V共四组直流电压。
4.如权利要求1所述的机载VDL模式2航空通信电台，其特征在于，所述发射机通过50欧姆射频接口接收来自处理控制模块已调制的21.4MHz中频信号，进行数字上变频输出118MHz～137.000 MHz范围内的点频信号，然后进行带通滤波、可控增益放大、功率放大的处理后，并通过功率开关将射频功率信号从机载天线发出。
5.如权利要求1所述的机载VDL模式2航空通信电台，其特征在于，所述接收机接收来自机载天线的118 MHz～137.000 MHz范围内点频信号，进行低噪放大、可控增益衰减、带通滤波、下变频、限幅的处理后，变换为21.4MHz中频，通过50欧姆射频接口送到处理控制模块。
6.如权利要求1所述的机载VDL模式2航空通信电台，其特征在于，所述功率开关被配置为支持单路接通，在发射时，仅接通发射机与机载天线；在非发射时，仅接通接收机与机载天线。
7.如权利要求1所述的机载VDL模式2航空通信电台，其特征在于，所述数据处理单元通过离散I/O接口将构造的成帧数据包送给信号处理单元；同时接收信号处理单元的数据进行打包或拆分后送给接口转换单元，实现对下行消息和上行消息的处理。
8.如权利要求1所述的机载VDL模式2航空通信电台，其特征在于，所述接口转换单元由电平转换电路、驱动电路和隔离电路构成；对外提供1路RS232调试接口、32路离散I/O接口、2路ARINC429数据接口。
9.如权利要求1所述的机载VDL模式2航空通信电台，其特征在于，所述控制单元被配置为当载波侦听发现信道忙时，控制功率开关处于连接接收机通路状态；仅当载波侦听发现信道闲时且当前需要发射信号，才控制功率开关连接发射机通路状态。
10.如权利要求1所述的机载VDL模式2航空通信电台，其特征在于，所述处理控制模块被配置为完成下行消息处理、上行消息处理、CSMA机制处理、审计模式处理；
当机载电台主机从无线信道接收到上行消息后，经过信道质量检测算法，发送质量检测报告给机载CMU；同时通过预设的上行消息处理机制，进行地址筛选以及 BCS 校验，发送上行消息给机载CMU；
进行下行消息处理时，首先机载电台主机收到来自机载CMU的数据传输请求报文，表明飞机有向地面发送的下行消息块；然后机载电台主机通过CSMA检测机制判断信道忙闲状态，若信道属于空闲状态，则在消息块前添加VHF前导，经过信号处理后送给发射机，通过机载天线发射出去，机载电台主机传输消息块后，向机载CMU回复确认消息，告知机载CMU已经发送完消息。
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