姜廣順 王亞雷 余碩 王韋/ 軍藍(lán)科技集團(tuán)總公司 北京中捷時(shí)代航空科技有限公司

0 引言

某引進(jìn)裝備的無(wú)線通信設(shè)備主要用于以火力單元為單位的車隊(duì)在行軍途中和停駐地的車與車之間的通信[1]。隨著裝備服役年限的增加，無(wú)線通信設(shè)備的故障率不斷上升，備件消耗量越來(lái)越大，且對(duì)外采購(gòu)困難，已嚴(yán)重影響了該型裝備機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)能力的充分發(fā)揮。受國(guó)際政治、經(jīng)濟(jì)和軍事因素的影響，引進(jìn)裝備器材備件特別是后續(xù)備件的訂貨渠道往往不暢，當(dāng)對(duì)外采購(gòu)備件的供應(yīng)保障模式難以維持武器系統(tǒng)的正常使用要求時(shí)，開展設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化改造成為解決引進(jìn)裝備維修保障問(wèn)題的有效途徑。

1 原無(wú)線通信設(shè)備的組成及工作原理

原無(wú)線通信設(shè)備主要由接收/發(fā)射機(jī)、天線裝置、散熱裝置、外部控制臺(tái)、送/受話放大器等構(gòu)成，原理框圖見圖1。

1）發(fā)射通道：從終端設(shè)備、內(nèi)部通信和交換設(shè)備、送/受話器或其他無(wú)線電設(shè)備來(lái)的調(diào)制信號(hào)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的插頭來(lái)到控制、轉(zhuǎn)換和聯(lián)接部件，在這里根據(jù)工作模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并送至超短波接收激勵(lì)器的調(diào)制輸入端，之后加到頻率合成器中。調(diào)制的高頻信號(hào)從接收激勵(lì)器輸出端送到壓控振蕩器，經(jīng)過(guò)濾波和放大后進(jìn)入功率放大器，放大至要求的電平。接下來(lái)，高頻信號(hào)通過(guò)接收/發(fā)射繼電器觸點(diǎn)送到輔助選擇濾波器，進(jìn)行頻譜的附加濾波，然后經(jīng)過(guò)自動(dòng)匹配裝置進(jìn)入天線裝置，并向空間發(fā)射。

2）接收通道：從天線裝置來(lái)的高頻信號(hào)沿同軸電纜，通過(guò)無(wú)線通信設(shè)備的高頻插頭，經(jīng)自動(dòng)匹配裝置、輔助選擇濾波器，并經(jīng)過(guò)接收/發(fā)射繼電器閉合觸點(diǎn)加入到超短波接收激勵(lì)器，在這里進(jìn)行放大、2 倍頻變換和檢波。經(jīng)過(guò)放大的低頻信號(hào)由此送到控制、轉(zhuǎn)換和聯(lián)接部件，經(jīng)過(guò)電平整形后轉(zhuǎn)接到內(nèi)部通信和交換設(shè)備、數(shù)字通道設(shè)備或輔助無(wú)線電設(shè)備等的插頭電路，提供給不同類型的終端設(shè)備——內(nèi)部通信和交換設(shè)備、送/受話器或者其他無(wú)線電設(shè)備。

2 無(wú)線通信設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化改造

圖1 原無(wú)線通信設(shè)備原理框圖

采用逆向工程方法，通過(guò)系統(tǒng)反設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)原無(wú)線通信設(shè)備的原位功能替換。同時(shí)，根據(jù)用戶需求，利用全球定位系統(tǒng)（GPS）和北斗定位系統(tǒng)（BD）組合導(dǎo)航模式，增加車輛實(shí)時(shí)定位導(dǎo)航、車輛動(dòng)態(tài)監(jiān)控以及輔助指揮調(diào)度等功能，提高火力單元的應(yīng)急機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)能力。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

國(guó)產(chǎn)化無(wú)線通信設(shè)備主要由車載通信天線、通信顯示模塊、GPS/BD 衛(wèi)星接收模塊、手持式送/受話器等組成，組成結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 國(guó)產(chǎn)化無(wú)線通信設(shè)備組成結(jié)構(gòu)框圖

1）通信顯示模塊

通信顯示模塊采用單元化設(shè)計(jì)。單元的劃分原則是：每個(gè)單元功能相對(duì)獨(dú)立，采用統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，便于系統(tǒng)集成和檢測(cè)維護(hù)。通信顯示模塊包括15個(gè)單元：面板控制單元、跳頻單元、頻率合成器單元、音頻單元、收/發(fā)電源、正交調(diào)制單元、收信號(hào)處理單元、調(diào)諧單元、同車濾波器單元、功放單元、低通濾波器單元、PC 電源、PC 主板和顯示單元、基帶I/Q 單元等。通信顯示模塊原理框圖如圖3 所示。

發(fā)送信號(hào)狀態(tài)：從音頻單元送來(lái)的信號(hào)，若為模擬話音信號(hào)，則直接送入頻率合成器環(huán)路，形成已調(diào)信號(hào)；若為數(shù)字信號(hào)（導(dǎo)航定位信號(hào)），則經(jīng)跳頻單元處理，形成基帶信號(hào)和伴隨時(shí)鐘信號(hào)，之后再送到正交調(diào)制器單元。小功率狀態(tài)時(shí)，已調(diào)信號(hào)經(jīng)同車濾波器單元濾除雜波，通過(guò)低電壓供電的功放單元功率放大，再經(jīng)低通濾波器濾除諧波后得到頻率為f0～f1、不小于4W 的信號(hào)，經(jīng)天線發(fā)射出去。大功率狀態(tài)下，只需將低電壓供電的功放級(jí)恢復(fù)正常供電進(jìn)行功率放大，經(jīng)低通濾波器濾除諧波后得到頻率為f0～f1、功率不小于40W的信號(hào)，經(jīng)天線發(fā)射出去。

接收信號(hào)狀態(tài)：天線收到的射頻信號(hào)經(jīng)低通濾波器單元送到接收機(jī)前端調(diào)諧單元。為獲得良好的選擇性，提高信噪比，調(diào)諧單元由結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的共源共柵級(jí)聯(lián)低噪聲、寬動(dòng)態(tài)范圍的射頻放大器組成，并由可控二進(jìn)制電容器組進(jìn)行調(diào)諧。調(diào)諧單元輸出的頻率為f0～f1的射頻信號(hào)，與頻率合成器單元提供的本振信號(hào)混頻后得到中頻信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)晶體濾波器處理，以滿足接收機(jī)選擇性要求，再經(jīng)放大限幅推動(dòng)后送到鑒頻解調(diào)器。解調(diào)信號(hào)經(jīng)靜噪控制電路檢出單音信號(hào)后送給跳頻單元，再經(jīng)音頻放大器和帶通濾波器到達(dá)耳機(jī)或話筒。導(dǎo)航定位信號(hào)送至PC 主板單元，經(jīng)過(guò)處理送到6.4in 顯示屏顯示。

2）衛(wèi)星接收模塊

GPS/BD衛(wèi)星接收模塊由天饋單元、DC/DC 轉(zhuǎn)換單元、低壓差單元、電源管理單元、射頻單元、信號(hào)調(diào)制/解調(diào)單元、氣壓計(jì)傳感器、接收機(jī)處理單元以及用戶接口等組成。衛(wèi)星接收模塊原理框圖如圖4 所示。

圖3 通信顯示模塊原理框圖

圖4 GPS/BD衛(wèi)星接收模塊原理框圖

GPS/BD 天饋單元接收衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)低噪聲放大器濾波、放大；射頻單元完成接收信號(hào)的放大、變頻和自動(dòng)增益控制，二次混頻得到中頻信號(hào)。信號(hào)調(diào)制/解調(diào)單元包括12 個(gè)獨(dú)立的GPS 接收通道和6 個(gè)獨(dú)立的BD 接收通道，能夠同時(shí)跟蹤GPS 和BD 衛(wèi)星信號(hào)，每一個(gè)通道均可完成GPS 或BD 的捕獲、碼跟蹤、載波跟蹤及解擴(kuò)、解調(diào)等功能；接收機(jī)處理單元完成環(huán)路鑒別器和濾波器、數(shù)據(jù)解調(diào)、信噪比測(cè)量、鎖相指示器等功能，完成GPS/BD 數(shù)據(jù)解算，輸出定位信息及系統(tǒng)信息等。根據(jù)GPS/BD 定位數(shù)據(jù)切換狀態(tài)，通過(guò)RS-422 接口向通信顯示模塊傳送信息。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

導(dǎo)航軟件主要由串口通信模塊、衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理模塊、通信數(shù)據(jù)處理模塊、人機(jī)交互模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)處理模塊組成。模塊之間通過(guò)調(diào)用模塊提供的接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)交互。模塊之間的交互關(guān)系如圖5所示。

1）串口通信模塊：完成對(duì)串口的操作，包括串口的配置、打開、關(guān)閉、狀態(tài)取得及數(shù)據(jù)發(fā)送、接收等功能。

2）衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理模塊：通過(guò)串口通信模塊獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并將解析后的數(shù)據(jù)通過(guò)人機(jī)交互模塊顯示；把經(jīng)緯度、速度、高程、角度數(shù)據(jù)信息傳遞給通信數(shù)據(jù)處理模塊，生成新的上報(bào)數(shù)據(jù)。

3）通信數(shù)據(jù)處理模塊：負(fù)責(zé)通信數(shù)據(jù)的接收、解析及數(shù)據(jù)的生成、發(fā)送；根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理模塊解析的定位數(shù)據(jù)，生成并發(fā)送上報(bào)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括本設(shè)備的經(jīng)緯度、速度、高程、角度、車輛ID 等信息；通過(guò)串口通信模塊取得并解析通信數(shù)據(jù)，通過(guò)人機(jī)交互界面在地圖上顯示其他設(shè)備信息。

4）人機(jī)交互模塊：完成用戶對(duì)行軍導(dǎo)航軟件的操作及行軍導(dǎo)航軟件對(duì)用戶操作結(jié)果的顯示，同時(shí)顯示當(dāng)前設(shè)備的狀態(tài)信息等，實(shí)時(shí)檢測(cè)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)線程及通信數(shù)據(jù)發(fā)送線程的運(yùn)行狀態(tài)。

5）數(shù)據(jù)庫(kù)處理模塊：對(duì)由人機(jī)交互模塊編輯的諸如車輛信息數(shù)據(jù)、用戶信息數(shù)據(jù)、用戶組信息數(shù)據(jù)、U 盤數(shù)據(jù)、軟件功能信息等進(jìn)行存儲(chǔ)、刪除、修改、讀取等操作。數(shù)據(jù)庫(kù)采用MS SQL 2000作為數(shù)據(jù)的關(guān)系存儲(chǔ)。使用配置文件方式進(jìn)行地圖以及樣式顯示等的配置。

2.3 解決的主要問(wèn)題

1）頻率合成器的研制：頻率合成器是國(guó)產(chǎn)化無(wú)線通信設(shè)備的核心部件之一，系統(tǒng)的工作頻率為f0～f1，信道帶寬為25kHz。采用小數(shù)分頻技術(shù)，借助輔助捕獲電路改善環(huán)路捕獲時(shí)間，用變帶寬法加速鎖定，直接從晶體振蕩器上進(jìn)行調(diào)制，使頻率合成器的輸出頻譜、換頻時(shí)間達(dá)到了要求的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2）電磁兼容性設(shè)計(jì)：通信顯示單元的接收機(jī)前端采用高性能選頻濾波器，在25kHz 帶外對(duì)其他干擾信號(hào)具有很強(qiáng)的衰減能力，使接收機(jī)具有良好的雙音選擇性。無(wú)線通信單元采用前端共址濾波器濾除帶外雜散波和底部噪聲，采用大功率諧波濾波器濾除諧波，降低了發(fā)射信號(hào)底部噪聲和諧波分量，使發(fā)射時(shí)連接電纜上的信號(hào)輻射滿足CE102、RE103、RS103 的要求，不影響其他設(shè)備的正常工作。

3）無(wú)中心自組網(wǎng)：開發(fā)的無(wú)中心自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可使車輛編隊(duì)在行進(jìn)過(guò)程中和在駐扎地不借助其他設(shè)備快速自組織成無(wú)中心集群通信網(wǎng)絡(luò)，通信網(wǎng)絡(luò)中任何一個(gè)或多個(gè)終端被破壞都不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常工作，提高了抗摧毀能力。

3 性能測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室及野外環(huán)境下對(duì)國(guó)產(chǎn)化無(wú)線通信設(shè)備進(jìn)行了性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，發(fā)送功率、模擬靈敏度、數(shù)字靈敏度、通信距離、功耗等主要性能指標(biāo)均優(yōu)于原設(shè)備；擴(kuò)展的車輛實(shí)時(shí)定位導(dǎo)航、車輛動(dòng)態(tài)監(jiān)控和輔助指揮調(diào)度功能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。國(guó)產(chǎn)化無(wú)線通信設(shè)備與原設(shè)備性能指標(biāo)對(duì)比測(cè)試結(jié)果見表1。

圖5 模塊交互關(guān)系圖

4 結(jié)束語(yǔ)

引進(jìn)裝備（設(shè)備）的備件國(guó)產(chǎn)化是一個(gè)反設(shè)計(jì)過(guò)程，只有全面掌握原備件的功能、性能指標(biāo)要求，輸入、輸出信號(hào)及與其他部分的電氣接口關(guān)系，才有可能設(shè)計(jì)出滿足要求的國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)和裝機(jī)試用，檢驗(yàn)國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性、可靠性和與系統(tǒng)的適配性問(wèn)題[1]。

目前，設(shè)計(jì)的國(guó)產(chǎn)化無(wú)線通信設(shè)備已通過(guò)設(shè)計(jì)鑒定，并在部隊(duì)和工廠裝備修理中得到推廣使用。該設(shè)備能夠滿足引進(jìn)裝備的正常使用要求，使用維護(hù)簡(jiǎn)便，可靠性高[2]。

表1 性能指標(biāo)測(cè)試對(duì)比表