CN108880657B - 空基中继通信增强***中一种基于技侦技术的变频转发装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种空基中继通信增强***中一种基于技侦技术的变频转发器，目的是利用技侦加变频的思想设计构建了一种空基中继通信增强***。其特征在于：它包括空中信号转发分***和地面信号转发两个分***；其中空中信号转发分***中的变频转发器位于无人机的中继载荷，通过天线对上行信号进行快速搜索与接收，而后将侦收到的VHF信号上变频为L频段的信号，经信号放大后通过天线下行转发；地面信号转发分***中的变频转发器用以接收空中转发的下行信号，通过变频器转发器经下变频转为原波段信号，并经过选频处理后输出到天线进行转发，供附近的超短波通信设备使用。

Description

空基中继通信增强***中一种基于技侦技术的变频转发装置

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种空基中继通信增强***中一种基于技侦技术的变频转发装置。

背景技术

1.1应用背景

随着移动通信技术在国内的不断普及，由于陆上移动基站的设立，在城市、乡镇等人口密集地区，基本实现了移动信号的全覆盖。然而近年来，突发事件频发，恶劣自然灾害的出现对社会稳定和人们的生命安全造成巨大损害，在多次灾难中，基于固定基础设施的通信***和网络以及供电***均遭到了严重破坏，甚至全面瘫痪，在应急救灾的黄金时段里，最低标准的通信链接难以建立，应急救援分队与灾区内部人员沟通不畅，难以辅助决策采取营救措施。此外，我国海上通信网络建设还有待完善，渔船、海监船出海后的通信手段十分有限，一旦出现紧急情况或监测到重要信息，难以第一时间将情况进行反馈。因此，我国针对陆上应急响应通信及海上通信的需求十分迫切。

为了应对上述需求，现实生活中也相继出现了一些针对应急通信的中继对策，例如临时调配分发卫星通信设备、利用无人机进行特定设备的通信中继等。但实际应用情况是:卫星通信对设备的要求十分苛刻，且价格昂贵,难以大量普及；对于现有的无人机通信中继方式而言,无人机上的中继载荷和民间大量使用的对讲机、电台等常用无线通信设备无法联通，通用性较差。鉴于此，本专利面向民间大量现有的超短波设备，基于升空平台，充分考虑收发天线隔离度的问题，利用无线电的侦收与变频转发等技术，在不改变现有终端协议、天线、端口的条件下，提出了变频中继的方案：在空中对区域内的VHF(30M-88MHz)信号进行侦收，经变频器上变频到L频段(1.35G-1.8GHz)下行转发供地面终端进行接收，从而实现超视距条件下的无线通信设备的互联互通，该应用无需改变原有的技术体制，能支持多用户的并发通信，尤其适合无人区、海洋、山地丛林等政府管控及反恐维稳的区域通信需要。

1.2现有技术及其优缺点

1.2.1超短波电台中继相关技术

超短波电台通信***在军用、海上作业等领域广泛应用，用户在利用电台进行通信组网后，即可在一定区域内实现电台信息的收发。电台通信由于无需大量通信基础设施建设，为政府、航空业和军队广泛使用。但是，受制于波长、功率等因素，电台之间的直接通信距离较近，且在传播过程中电波极易受到高山、丛林等地形地貌及天气的影响，通信能力有限。现有的方式通过建立地面固定或升空平台搭载的电台中继及信号放大载荷来增强电台通信能力。就无人机通信中继的方法而言，除无人机的选型外，最核心的技术是中继载荷的设计，当前主要的中继方式主要分为三种：传统中继模式，网络编码中继模式以及物理层网络编码中继模式。在传统中继模式中，中继节点只对信息进存储和转发，并不对信息进行处理。网络编码中继模式的主要思想即中继节点对源节点发送来的信息进行编码映射等操作后再进行转发，其打破了传统通信网络中对于中继节点的定义，使得组播传输达到最大理论传播容量，从而提高通信***吞吐量及通信传输的有效性。在物理层网络编码中继模式中，中继节点将源节点同时发送的叠加信号映射成伽罗华域的数据比特流，把干扰变成了编码操作的一部分。与传统模式相比，该模式信息交换时隙减少一半，网络吞吐量提高一倍。就实际应用而言，上述无人机中继方式存在一定局限性：

(1)错误编码的限制；在直接存储转发的模式中，由于缺乏对转发信息的进行相应的纠错编码和编码调制，这种模式的信息传输效率、频谱利用率及误码率等指标均不及后两种模式，信息吞吐量、时效性、准确性还有待提高。

(2)通信体制的限制；不难看出，在第二、第三种模式中，中继载荷均需对接收到的信息进行编码处理，这就意味着载荷设计除需充分考虑中继频段外，还需提前掌握传输的信息协议，否则就无法对接收到的信号进行处理转发，达到提高吞吐量和信息传输速率的目的。这一前提大大限制了中继载荷的扩展应用，载荷一经应用就难以再适用于其他频段或遵循其他信息协议的通信***，通信体制对载荷的限制较大。

(3)覆盖范围的限制；受无人机的飞行高度限制，载荷天线张角小、电波传播路径上遮挡多、信号衰减大、中继载荷对地面的覆盖范围有限，不能保障需求大小区域内的通信。

(4)用户规模的限制；受功率、地形等因素限制，中继载荷支持组网用户规模小。由于升空平台尤其需考虑负重、功率等因素，中继载荷天线体积、信号发射功率均不能设计地过大，因此升空平台的通信中继续航时间有限，无法支持大量组网的通信终端，中继载荷对用户并发通信的支持较弱。

1.2.2技侦相关技术

技侦技术也称为通信侦察技术，其主要任务为电磁频谱检测、敌方通信信号技术参数和内涵情报的获取、对辐射源信号的侧向、定位等，该技术现已广泛地运用于军事电子信息战。为了更好地实现通信侦察，主要涉及三项关键技术：(1)通信信号的快速搜索、截获；(2)通信信号的调制识别；(3)通信信号的高精度测向、定位。

(1)通信信号的快速搜索、截获技术；通信侦察作为非协同方，我们事先不是总能知道道所感兴趣信号的位置,而且也不知道这些信号何时出现,工作在哪个频点或频段,它们混杂在几十个、上百个无用信号或干扰信号中,有些还可能淹没在噪声里,因此,对信号的搜索、截获是通信侦察要解决的首要任务。通常采用的方法主要有：固定门限检测、频率规划和滤波、自适应门限检测方法。

(2)通信信号的调制识别技术；当通过信号搜索、截获技术获取信号后，通信侦察***下一步需要运用信号处理方法根据统计样本对接收的信号调制参数(调制系数、信号带宽、载频、码速率等)进行识别，判断其通信体制、调制方式、信号类型等。目前,通信信号的调制识别技术已应用于实际工程,取得了一定的效果,但如何提高小样本、低信噪比情况下通信信号的调制识别准确率,寻找计算量更小、适应复杂电磁环境、宜于工程化实现、识别性能更好的新识别特征参数和识别方法等,仍是今后很长一段时间内努力的方向。

(3)通信信号的高精度测向、定位技术；最后根据电波的传输特性测算信号的发射方向、位置。主要利用比幅法、相关干涉仪测向法和时差测向法完成定向测量，利用时差定位法、单站定位法等完成信号的定位测量。

发明内容

VHF频段电台通信是利用30MHz～300MHz的超短波频段的电磁波进行的无线电通信，也叫甚高频通信。主要特点是：地面吸收较大和电离层不能反射，只能靠直线方式传输，称为视距传输，在军事应用、航天试验等领域广泛使用。

本发明针对超短波电台设备的通信中继进行设计，载荷位于飞行高度为20KM的长航时无人机上，考虑到天线同频收发将会使得收发信号产生强烈的同频干扰进而影响通信效果，本专利利用技侦加变频的思想设计构建了一种空基中继通信增强***。其主要分为空中信号转发、地面信号转发两个分***，***框架如图1所示。其中空中信号转发分***中的变频转发器位于无人机的中继载荷，通过天线对上行信号进行快速搜索与接收，而后将侦收到的VHF信号上变频为L频段的信号，经信号放大后通过天线下行转发。地面信号转发分***中的变频转发器用以接收空中转发的下行信号，通过地面信号变频转发器经下变频转为原波段信号，并经过选频处理后输出到天线进行转发，供附近的超短波通信设备使用。该分***设备具有尺寸小、功耗低的特点，便于灵活配置使用。

空基中继通信增强***通过将无线信号进行空中侦收、中继、变频转发处理，能支持超过250个用户并发使用，较好解决一定时间范围内、特定区域中由于缺乏地面通信中继***而导致的通信难题，对灾险救援、海上作业、战场无人区、反恐维稳、航天试验等场景下的通信保障具有重大意义。

本发明是这样实现的：

空基中继通信增强***中一种基于技侦技术的变频转发装置，包括空中信号转发分***和地面信号转发分***两个分***；其中空中信号转发分***中的变频转发器位于无人机的中继载荷，通过天线对上行信号进行快速搜索与接收，而后将侦收到的VHF信号上变频为L频段的信号，经信号放大后通过天线下行转发；地面信号转发分***中的变频转发器用以接收空中转发的下行信号，通过变频转发器经下变频转为原波段信号，并经过选频处理后输出到天线进行转发，供附近的超短波通信设备使用。

如上所述的空中信号转发分***中的变频转发器分为天线与通信处理两个部分：天线对地面设备发出的通信信号进行侦收与转频处理后的透明转发；变频转发器完成信号的变频、放大和转发，分为选频放大、频率变换、本振网络、功放等多个子单元；遥测遥控模块是地面对无人机的飞行控制模块；其中，选频放大模块对侦收到的电波进行滤波和放大，随后将其提供给频率变换单元；频率变换模块负责将选频后的电波上变频到L频段，本振网络则负责产生本振频率信号，功放模块负责最后将变频后的信号进行放大后经天线下行转发。

如上所述的空中信号转发分***中的变频转发器配备电源接口、通信接口、射频接口和1pps接口；电源接口内置电池，支持外部供电及电池充电；通信接口用于连接数据线，支持本地参数配置；射频接口用于连接天线；1pps接口用于内部时钟同步。

如上所述的空中信号转发分***中的变频转发器首先利用上行信号接收天线对用户设备发射上来的信号进行侦收；而后，侦收到的信号依次经过选频放大模块、变频模块，和功放模块；其中，选频放大模块对侦收到的信号进行选频和低噪声放大：首先利用选频放大模块中的限幅器对接收的电波进行衰减自控，得到位于30M-88MHz频段的且平稳功率的信号并利用低噪声放大器进行第一次放大；随后，采用5阶LC滤波器进行选频，抑制带外干扰信号；滤波后的信号以及经检波器二次提取的有用信号经自动电平控制器件后得到稳定的电平；最后信号经选频放大模块中的放大器进行二次放大并传至变频模块；

在变频模块中，经选频放大后的电波完成了上变频：首先利用串行***设备接口器件和时钟器件确保来自控制器信息的连续传输；为了更好地滤除混频带来的多余杂散分量，变频模块中的变频器将处理后的信号转换为更高频段的信号，得到纯净的载波信号；处理后的电波经腔体滤波器滤波选频后再由放大器放大，最后通过LC低通滤波器得到所需载波；

在功放模块中，载波信号通过功率放大器放大：首先由陷波滤波器滤去传输过程中产生的杂波，而后利用ALC器件稳定电平并传至功率放大器；由于当前通用的通信设备发射的信号相对带宽较宽，信号传播期间空间链路损耗不尽相同，故随后利用均衡器对不同频率的信号进行弥补；最后，处理后的信号与功放模块中的检波器提取的有用信号经腔体滤波器滤波选频后通过天线辐射出去。

如上所述的地面信号转发分***中的变频转发器分为天线与变频转发器两个部分；天线对升空平台变频后的信号进行接收与频率恢复后的转发；变频转发器完成信号的选频放大及变频转发，分为选频放大、频率变换、本振网络、ALC放大子单元，选频放大与频率变换单元完成对侦收到的电波的滤波和变频，ALC放大单元用于保证在输入信号变化时，维持功率放大器基本稳定。

如上所述的地面信号转发分***中的变频转发器配备电源接口、通信接口、射频接口和1pps接口；电源接口内置电池，支持外部供电及电池充电；通信接口用于连接数据线，支持本地参数配置；射频接口用于连接天线；1pps接口用于内部时钟同步。

如上所述的地面信号转发分***中的变频转发器首先利用下行信号接收天线对升空平台转发的信号进行接收，并通过腔体滤波器滤去带外信号，之后将去除带外信号后的接收信号依次经过选频放大模块、变频模块，和功放模块。其中，选频放大模块先对接收到的信号进行选频和低噪声放大：首先通过选频放大模块中的低噪声放大器对信号进行第一次低噪放大，随后由ALC器件对放大信号的电平进行自动控制，最后再由放大器二次放大传输给变频模块；

变频模块对选频放大模块及主控模块传来的控制信号进行变频处理：控制器信号通过SPI器件与时钟器件实现对控制信息的连续传输，并与经选频放大模块处理过的信号一同传输给变频器；变频器将传输过来的信号进行下变频，得到干净的VHF频率的载波并经放大器放大，最后通过LC低通滤波器进行滤波处理；

功放模块对变频后的信号进行功率放大：首先通过ALC器件对信号实现自动电平控制并由放大器一次放大；随后由功放模块中的均衡器对不同频率的信号进行功率弥补而后二次放大，考虑到变频转发器此时的中频要比本振频率高，最后采用5阶LC滤波器抑制混频带来干扰成分，并将信号利用天线发送出去。

本发明的有益效果是：

(1)基于技侦的变频转发设计，解决了跨区域用户并发通信的问题

本发明提出基于技侦的变频转发设计，实现了区域内同一频段多种设备信号的侦收以及多用户的并发通信。传统的升空平台中继往往是将一个相同通信体制的设备作为载荷升入空中，利用天线对限定的地面用户信号进行接收和转发，能实现点对点和少量的多点中继。本专利设计了位于20Km飞行高度无人机上的变频转发的中继载荷，首先对同一频段的所有信号进行侦收和变频处理，而后利用转发器和天线进行透明转发。无需掌握地面终端的通信体制、通信协议，***能实现多种设备、半径50KM覆盖范围、超250个用户并发使用，提升了中继通信能力。

(2)空中异频转发的设计，解决了天线隔离度的问题

本发明提出在空中平台搭载中继载荷对地面台发射的信号进行中继和转发，受限于升空平台的搭载能力，载荷对VHF信号的直接转发将会存在严重的同频干扰，收发天线的隔离度问题难以解决。专利提出异频转发的设计方案，解决了天线隔离度的难题。

(3)地面变频转发的设计，解决了通信体制难以变更的问题

经过多年的发展，根据实际情况，各个地区、各种领域的通信体制基本已经固化，短时间内难以对已有的通信设备进行大规模更新。专利对地面变频转发器的设计，使得用户无需对已有设备进行大规模替换，无需改变通信设备的使用习惯，只需增加一个小巧、便携的地面设备，就可以支持多台超短波通信设备的超视距通信，有效地解决了通信体制难以变更的难题。

附图说明

图1是本发明的空基中继通信增强***中一种基于技侦技术的变频转发装置的***框架图；

图2是本发明的空基中继通信增强***中一种基于技侦技术的变频转发装置的***功能框图；

图3是本发明的空基中继通信增强***中一种基于技侦技术的变频转发装置的空中信号变频转发器设计框架；

图4是本发明的空基中继通信增强***中一种基于技侦技术的变频转发装置的空中信号变频转发器研制框图；

图5是本发明的空基中继通信增强***中一种基于技侦技术的变频转发装置的空中信号变频转发器的信号处理流程图；

图6是本发明的空基中继通信增强***中一种基于技侦技术的变频转发装置的地面信号变频转发器设计框架；

图7是本发明的空基中继通信增强***中一种基于技侦技术的变频转发装置的地面信号变频转发器研制框图；

图8是本发明的空基中继通信增强***中一种基于技侦技术的变频转发装置的地面信号变频转发器的信号处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步描述。

本方案采用空中平台侦收、转发信号的方式，实现在缺乏基站等通信中继设施的灾后区域、远离陆地的海面、战时无人区，以及其他拥有较多高山、丛林等特殊地形下通信设备之间的互通互联。

通信保障开始后，无人机将从后方起飞，前往指定区域进行VHF频段(30M-88MHz)信号的侦收与转发。专利设计采用飞行高度达20KM的长航时无人机，这个飞行高度属于平流层、天气状况优良、几乎无风，适合无人机长时间停留，同时地面电台与无人机之间基本没有遮挡、天线仰角大，但电波传播路损相对大，故只能保障地面大发射功率(50W)的超短波设备首发需求。考虑到收发天线的隔离度影响，本专利将空中中继器设计成基于技侦思想的异频转发的工作模式，空中载荷天线可以对同一频段的多种型号的电台信号进行侦收，随后利用变频转发设备将收到的VHF频段信号变频到另L频段(1.35G-1.8GHz)。上述设计方式将确保空中中继载荷能通过一根天线完成信号的收发，保证收发信号间无互扰。由于下行信号频率与地面设备不匹配，故需在地面超短波电台附近，再增加一个变频转发器，将L波段的频率再转变到VHF工作频段，而后转发至附件的一个或一组超短波电台。由于地面信号变频转发器到超短波电台的距离很近，该设备的发射功率、收发天线尺寸均可设计的较小，成为一个伴随超短波电台的信号增强器。基于以上设计思想，即可在不改动通信体制前提下，实现一定区域内、超视距条件下超短波通信设备的互联互通，其工作原理如图2所示。

1.空中信号转发分***的主要目标就是将用户台发射的VHF频段的电波信号经过变频转换为L频段电波信号,经过放大后通过天线发射出去，该分***需搭载于无人机上。

(1)空中信号变频转发器设计

空中信号转发分***主要分为天线与通信处理两个部分：天线主要对地面设备发出的通信信号进行侦收与转频处理后的透明转发；变频转发器主要完成信号的变频、放大和转发，分为选频放大、频率变换、本振网络、功率放大等多个子单元；遥测遥控模块主要是地面对无人机的飞行控制模块。其中，选频放大单元主要对侦收到的电波进行滤波和放大，随后将其提供给频率变换单元。频率变换单元负责将选频后的电波上变频到L频段，本振网络则负责产生本振频率信号，功率放大单元负责最后将变频后的信号进行放大后经天线下行转发。作为本专利的重要特点，变频转发器在对侦收的电波信号进行处理过程中，无需掌握传播信号所遵循的信息协议，这也就意味着该模块对电波的处理过程中省去了通常信号转换前协议解析的过程，从而极大增强了本***今后对各类***的通信中继、保障能力，本分***的变频转发器设计框架如图3所示。

(2)空中信号变频转发器接口

空中信号变频转发器的主要接口如表1所示：

表1 空中信号变频转发器主要接口表

序号	名称	功能及说明	类型
				1	电源接口	内置电池，支持外部供电及电池充电	不小于+28V/3A
2	通信接口	支持本地参数配置	支持USB或RS-232
				3	射频接口	输入天线及输出天线接口	SMA 50ohm
4	1pps接口	用于内部时钟同步,外部提供	SMA 50ohm

(3)变频转发器研制方案

根据分***的功能需求，专利对分***的研制方案进行了详细设计，选定了各功能单元中的具体电子器件，研制框图如图4所示。

***开始工作后，空中信号转发分***首先利用上行信号接收天线对用户设备发射上来的信号进行侦收。而后，选频放大模块对侦收到的信号进行选频和低噪声放大：首先利用限幅器对接收的电波进行衰减自控，得到位于30M-88MHz频段的且较为平稳功率的信号并利用低噪声放大器(LNA)进行第一次放大。随后，采用5阶LC滤波器进行选频，抑制带外干扰信号。滤波后的信号以及经检波器二次提取的有用信号经自动电平控制(ALC)器件后得到较为稳定的电平。最后信号经放大器进行二次放大并传至变频模块。

在变频模块中，经选频放大后的电波完成了上变频：首先利用串行***设备接口(SPI)器件和时钟器件确保来自控制器信息的连续传输。为了更好地滤除混频带来的多余杂散分量，变频器将处理后的信号转换为更高频段的信号，得到纯净的载波信号。处理后的电波经腔体滤波器滤波选频后再由放大器放大，最后通过LC低通滤波器得到所需载波。

在功放模块中，载波信号通过功率放大器放大：首先由陷波滤波器滤去传输过程中产生的杂波，而后利用ALC器件稳定电平并传至功率放大器。由于当前通用的通信设备发射的信号相对带宽较宽，信号传播期间空间链路损耗不尽相同，故随后利用均衡器对不同频率的信号进行弥补。最后，处理后的信号与检波器提取的有用信号经腔体滤波器滤波选频后通过天线辐射出去。空中信号转发分***的信号处理流程如图5所示。

2.地面信号转发分***的主要目标就是将空中平台转发的下行信号变频到VHF频段，而后经过选频处理后输出到转发天线，提供给距离该分***装置10m范围内的通信设备使用。该设备需具有微型化，低功耗特点，便于灵活携带与配置使用。

(1)地面信号变频转发器设计

地面信号转发分***主要分为天线与变频转发器两个部分：天线主要对升空平台变频后的信号进行接收与频率恢复后的转发；变频转发器主要完成信号的选频放大及变频转发，与空中信号转发分***类似，本分***分为选频放大、频率变换、本振网络、ALC放大等多个子单元，选频放大与频率变换单元主要完成对侦收到的电波的滤波和变频，ALC放大单元主要用于保证在输入信号变化较大时，维持功率放大器基本稳定。本分***在变频转发的过程中与无需掌握信息协议，实现了信号的透明转发。此外，地面信号转发分***装置还配有显示屏和按键，地面用户可以通过设备获取当前整个***的运转信息，并能根据需求对地面分***进行频点切换等动态配置。本分***的变频转发器的设计框架如图6所示。

(2)地面信号变频转发器接口

地面信号变频转发器的主要接口如表2所示：

表2 地面信号变频转发器主要接口表

序号	名称	功能及说明	类型
				1	电源接口	外部供电与内部电池充电	不小于7.4V/2A
2	通信接口	支持远程配置	支持USB或RS-232
				3	射频接口	输入天线及输出天线接口	SMA 50ohm
4	1pps接口	用于内部时钟同步,外部提供	SMA 50ohm

(3)分***研制方案

根据分***的功能需求，专利对分***的研制方案进行了详细设计，选定了具体的电子器件，研制框图如图7所示。

***开始工作后，地面信号转发分***首先利用下行信号接收天线对升空平台转发的信号进行接收，并通过腔体滤波器滤去带外信号，选频放大模块而后对接收到的信号进行选频和低噪声放大：首先通过低噪声放大器(LNA)对信号进行第一次低噪放大，随后由ALC器件对放大信号的电平进行自动控制，最后再由放大器二次放大传输给变频模块。

变频模块主要对选频放大模块及主控模块传来的控制信号进行变频处理：控制器信号通过SPI器件与时钟器件实现对控制信息的连续传输，并与经选频放大模块处理过的信号一同传输给变频器。变频器将传输过来的信号进行下变频，得到干净的VHF频率的载波并经放大器放大，最后通过LC低通滤波器进行滤波处理。

功放模块对变频后的信号进行功率放大：首先通过ALC器件对信号实现自动电平控制并由放大器一次放大。随后由均衡器对不同频率的信号进行功率弥补而后二次放大，考虑到变频转发器此时的中频要比本振频率高很多，最后采用5阶LC滤波器抑制混频带来干扰成分，并将信号利用天线发送出去。地面信号转发分***的信号处理流程如图8所示。

3.***指标

3.1用户特性指标

根据得到的用户参数信息进行分析计算,地面终端最大发射功率为50W(47dBm)，无人机高度为20Km，地面覆盖半径为50Km，终端工作频段在30-88M之间，上变频后的频段在L波段(1.35G-1.8G之间选取)。为了对技术产品进行仿真验证，利用***指标预算做链路计算：分别取VHF通信频段下限(30MHz)与上限(88MHz)，L通信频段上限(1.8GHz)，分别计算以上极值频率在最远(53.85KM)、最近(20KM)距离时电波的链路损耗，结合两种转发器对于不同频段电波的增益，进而得到到达空中信号转发分***(V-L转发器)与地面信号转发分***(L-V转发器)的入口电平、输出功率以及链路的载噪比(C/N)(其中V-L转发器的噪声系数(NF)设为5dB，L-V转发器的NF设为3dB，载波带宽设为25KHz)，可分别得到各转发设备的用户特性：：

通过数据计算与整理，可得出空中信号变频转发器分别在最近距离和最远距离下的用户特性，如表3所示。

表3 空中信号变频转发器用户特性表

同理，地面信号变频转发器用户特性表如表4所示。

表4 地面信号变频转发器用户特性表

通过给定的用户发射功率及应用场景的链路损耗进行预算，首先论证了链路设计满足用户最小接收电平要求，且整条链路信号最差情况下的输入C/N值为10.69dB。假定用户终端NF为3dB，也可以满足FM电台需要的解调门限(模拟：12.5K带宽对应解调门限4dB，25K带宽对应解调门限7dB)。根据对应用场景及链路损耗的运算，可以得到了两个转发器基本的增益，功率，NF等指标要求，为***的指标设计提供依据。

3.2.性能指标

3.2.1空中信号转发分***

(1)基本指标

根据应用场景及指标预算，空中信号变频转发器的基本指标要求如表5所示：

表5 空中信号变频转发器基本指标表

项目	值	单位
			转发器ALC电平	25	dBm
转发器增益(88MHz)	75	dB
			转发器增益(30MHz)	66	dB
转发器输出功率	16～25	dBm
			均衡器补偿	9	dB
噪声系数	5	dB
			接收频率范围	30～88	MHz
转发频率范围	1.35～1.80	GHz
			转发频率步进	1	MHz
频率精度	0.01	ppm
			转发器高度要求	20	Km
功耗	50	W
			尺寸	300*200*50	mm
重量(不含天线)	8	Kg

(2)功放功率指标

空中信号转发分***中的变频转发器主要完成VHF频段电波的侦收变频以及VHF频段电波的转发。相较于下行转发链路，上行链路的损耗较小，接收机的指标比较容易实现。故专利主要考虑该转发器经过变频后可支撑的用户数，支持的并发用户数量越多，则转发器的功放功率越大。空中信号变频转发器需要装载至无人机上，由于无人机的续航能力有限，专利对变频转发器的功放功率的选择进行了计算。

选用50W功放，根据自由空间电波传输路损公式，水平距离取50KM，无人机高度为20KM，算得最远距离路损105.96dB，用户台发射功率按47dBm(50w)进行估算：功放输出功率最小值为16.4dBm，此时整条转发链路C/N为10.69dB；IM3是通过干扰落到地面最远距离的能量小于等于底噪确定的，近处干扰大，远处干扰较小为了减少非线性器件所引起的交调干扰，使地面用户台获得较好的话音效果，结合IP3的理论及工程经验，得到IM3>-31dBc。按照IM3限制条件以及，决定了并发用户数最多为250个，最大功率输出为40.37dBm，漏极功耗为54.56W，50W功放功率的用户量估算结果如表6。

表6 50W功放功率的用户量估算

综合考虑长航时无人机的续航能力和交调干扰等因素，专利选择了50W的作为空中信号转发分***的功放功率，当地面台发射功率为50W时可以同时对250个用户并发通信进行支持。

3.2.2地面信号转发分***

(1)基本指标

根据应用场景及指标预算，地面信号变频转发器的基本指标要求如表7所示：

表7 地面信号变频转发器基本指标表

项目	值	单位
			转发器ALC电平	10	dBm
均衡器	9	dB
			转发器增益(1.8GHz)	61	dB
转发器增益(1.35GHz)	71	dB
			转发器离用户的距离	<10	m
接收频率范围	1.35～1.80	GHz
			接收频率调节步进	1	MHz
频率精度	0.01	ppm
			转发频率范围	30～88	MHz
功耗	5	W
			尺寸	150*100*40	mm
重量(不含天线)	1	Kg

(2)功放功率指标

地面信号转发分***中的变频转发器需要完成两项主要任务：L频段电波的接收与变频，VHF频段电波的转发。由于地面信号转发分***体积小，且与超短波通信设备附近较近(<10m)，变频转发的功率能设计地较小且容易实现。该转发器的重点在于其对L频段电波的接收灵敏度，考虑最差条件下空中信号转发器的信号强度与该频段(1.8GHz，53.85KM)电波传播路损为132.7dB，经链路计算得：地面变频器接收机的灵敏度需要达到-116.3dBm；由于用户台的接收灵敏度为-113dBm，传播距离小于10m，功放频率为5W即可达到收发要求。

本发明基于技侦的变频转发设计，解决了跨区域用户并发通信的问题。通过提出基于技侦的变频转发设计，实现了区域内同一频段多种设备信号的侦收以及多用户的并发通信。传统的升空平台中继往往是将一个相同通信体制的设备作为载荷升入空中，利用天线对限定的地面用户信号进行接收和转发，能实现点对点和少量的多点中继。本专利设计了位于20Km飞行高度无人机上的变频转发的中继载荷，首先对同一频段的所有信号进行侦收和变频处理，而后利用转发器和天线进行透明转发。无需掌握地面终端的通信体制、通信协议，***能实现多种设备、半径50KM覆盖范围、超250个用户并发使用，提升了中继通信能力。

本发明基于空中异频转发的设计，解决了天线隔离度的问题。通过提出在空中平台搭载中继载荷对地面台发射的信号进行中继和转发，受限于升空平台的搭载能力，载荷对VHF信号的直接转发将会存在严重的同频干扰，收发天线的隔离度问题难以解决。专利提出异频转发的设计方案，解决了天线隔离度的难题。

本发明基于地面变频转发的设计，解决了通信体制难以变更的问题。经过多年的发展，根据实际情况，各个地区、各种领域的通信体制基本已经固化，短时间内难以对已有的通信设备进行大规模更新。专利对地面变频转发器的设计，使得用户无需对已有设备进行大规模替换，无需改变通信设备的使用习惯，只需增加一个小巧、便携的地面设备，就可以支持多台超短波通信设备的超视距通信，有效地解决了通信体制难以变更的难题。

上面结合实施例对本发明的实施方法作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明说明书中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (5)

1.空基中继通信增强***中一种基于技侦技术的变频转发装置，其特征在于：它包括空中信号转发分***和地面信号转发分***两个分***；其中空中信号转发分***中的变频转发器位于无人机上，通过空中信号转发分***中的变频转发器的上行信号接收天线对上行信号进行快速搜索与接收，而后将侦收到的VHF信号上变频为L频段的信号，经信号放大后通过空中信号转发分***中的变频转发器的下行信号转发天线下行转发；地面信号转发分***中的变频转发器，通过下行信号接收天线接收空中转发的下行信号，经下变频转为原波段信号，并经过选频处理后输出到地面信号变频转发器的设备信号转发天线进行转发，供附近的超短波通信设备使用；

所述的空中信号转发分***中的变频转发器分为天线与变频转发单元两个部分：空中信号转发分***中的变频转发器的上行信号接收天线对地面通信终端发出的通信信号进行侦收；变频转发单元负责通信处理，完成信号的变频、放大和转发，分为选频放大模块、频率变换模块、本振网络、功放模块，及遥测遥控模块；遥测遥控模块是地面对无人机的飞行控制模块；其中，选频放大模块对侦收到的电波进行滤波和放大，随后将其提供给频率变换模块；频率变换模块负责将选频后的电波上变频到L频段，本振网络模块则负责产生本振频率信号，功放模块负责最后将变频后的信号进行放大后经空中信号转发分***中的变频转发器的下行信号转发天线下行转发；

所述的空中信号转发分***中的变频转发器首先利用上行信号接收天线对地面设备发出的通信信号进行侦收；而后，侦收到的信号依次经过选频放大模块、频率变换模块，和功放模块；其中，选频放大模块对侦收到的信号进行选频和低噪声放大：首先利用选频放大模块中的限幅器对接收的电波进行衰减自控，得到位于30M-88MHz频段的且平稳功率的信号并利用低噪声放大器进行第一次放大；随后，采用5阶LC滤波器进行选频，抑制带外干扰信号；滤波后的信号以及经检波器二次提取的有用信号经自动电平控制器件后得到稳定的电平；最后信号经选频放大模块中的放大器进行二次放大并传至频率变换模块；

在频率变换模块中，经选频放大后的电波完成了上变频：首先利用串行***设备接口器件和时钟器件确保来自控制器信息的连续传输；为了更好地滤除混频带来的多余杂散分量，频率变换模块中的变频器将处理后的信号转换为更高频段的信号，得到纯净的L频率的载波信号；处理后的电波经频率变换模块中的腔体滤波器滤波选频后再由放大器放大，最后通过LC低通滤波器得到所需载波；在功放模块中，载波信号通过功率放大器放大：首先由陷波滤波器滤去传输过程中产生的杂波，而后利用ALC器件稳定电平并传至功率放大器；最后，处理后的信号与功放模块中的检波器提取的有用信号经功放模块中的腔体滤波器滤波选频后通过空中信号变频转发器的下行信号转发天线辐射出去；

ALC指自动电平控制。

2.根据权利要求1所述的空基中继通信增强***中一种基于技侦技术的变频转发装置，其特征在于：所述的空中信号转发分***中的变频转发器配备电源接口、通信接口、射频接口和1pps接口；电源接口内置电池，支持外部供电及电池充电；通信接口用于连接数据线，支持本地参数配置；射频接口用于连接天线；1pps接口用于内部时钟同步。

3.根据权利要求1所述的空基中继通信增强***中一种基于技侦技术的变频转发装置，其特征在于：所述的地面信号转发分***中的变频转发器分为天线与变频转发单元两个部分；地面信号变频转发器的下行信号接收天线对升空平台变频后的信号进行接收；变频转发单元完成信号的选频放大及变频转发，分为选频放大模块、频率变换模块、本振网络、ALC放大模块，选频放大模块与频率变换模块完成对侦收到的电波的滤波和变频，ALC放大模块用于保证在输入信号变化时，维持功率放大器基本稳定。

4.根据权利要求3所述的空基中继通信增强***中一种基于技侦技术的变频转发装置，其特征在于：所述的地面信号转发分***中的变频转发器配备电源接口、通信接口、射频接口和1pps接口；电源接口内置电池，支持外部供电及电池充电；通信接口用于连接数据线，支持本地参数配置；射频接口用于连接天线；1pps接口用于内部时钟同步。

5.根据权利要求4所述的空基中继通信增强***中一种基于技侦技术的变频转发装置，其特征在于：所述的地面信号转发分***中的变频转发器首先利用下行信号接收天线对升空平台转发的信号进行接收，并通过腔体滤波器滤去带外信号，之后将去除带外信号后的接收信号依次经过选频放大模块、频率变换模块，和功放模块；其中，选频放大模块而后对接收到的信号进行选频和低噪声放大：首先通过选频放大模块中的低噪声放大器对信号进行第一次低噪放大，随后由ALC器件对放大信号的电平进行自动控制，最后再由放大器二次放大传输给频率变换模块；

频率变换模块对选频放大模块及主控模块传来的控制信号进行变频处理：控制器信号通过SPI器件与时钟器件实现对控制信息的连续传输，并与经选频放大模块处理过的信号一同传输给变频器；变频器将传输过来的信号进行下变频，得到干净的VHF频率的载波并经放大器放大，最后通过LC低通滤波器进行滤波处理；

功放模块对变频后的信号进行功率放大：首先通过ALC器件对信号实现自动电平控制并由放大器一次放大；随后由功放模块中的均衡器对不同频率的信号进行功率弥补而后二次放大，最后采用5阶LC滤波器抑制混频带来干扰成分，并将信号利用地面信号变频转发器的设备信号转发天线发送出去；

SPI指串行外设接口。

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