超短波电台透明转发装置设计

田华明，刘云飞，田沿平

（海军航空大学青岛校区，山东青岛 266041）

校波运用实际的语音通话质量来检验无线电信号传输的效果，是对包括从信源、信号发送设备、信号传输路径、电磁干扰、信号接收设备以及信宿全过程信号传输效果的完整检验。飞机起飞之前，地面指挥塔台和机载电台之间必须进行通信校波，以排除电台设备、信号传输路径以及外来干扰等各种相关因素对信号质量的影响，确保对空通信的畅通。超短波是目前主要的对空通信手段，部分机场由于飞机停放位置的限制[1]，塔台与飞机之间往往存在障碍物，而超短波通信存在的直线视距局限，会出现校波不能顺利实施的情况。出现这种情况有两种解决方案，一是将飞机牵引到视距范围内进行校波，增加了飞行准备的工作量，降低了校波的效率；二是通过在合适的地点配置一种转发装置，改变塔台与机载电台之间的信号传输路径，在不改变电台信号调制特性的情况下，实现塔台与飞机之间信号的透明转发，以此实现校波。这种方式，只需要改变转发装置天线的方向[2]，操作简便、校波效率高，是解决校波障碍物的有效方法。

1 系统设计

1.1 功能要求

电台的透明转发装置需具备以下4 项功能：

1）透明转发。在接收到信号源发来的信号后，除了进行滤波、幅度调整外，不作调制特性、工作方式、工作频率等其他任何处理，实现信号的保真转发。在飞行对空通信校波中，为了保障校波信号的真实性，超短波信号的调制特性不能发生改变，必须采用透明转发；

2）自动转发。透明转发装置作为一个相对独立的安装设备，在完成安装后需要具备自动收发转发控制的功能，不需要工作人员的额外操作[3]；

3）双向转发。透明转发装置不仅要转发塔台至机载电台方向的信号，也要转发机载电台至塔台方向的信号；

4）同步转发。透明转发装置在接收到信号的同时，要立即将信号转发出去[4]。

1.2 总体架构

针对超短波视距通信的局限，透明转发系统的结构如图1 所示。

图1 透明转发系统结构

如图1 所示，在外场中如果塔台和机库之间存在地形的限制或者有高大的建筑物，就会使得超短波信号被遮挡隔断，不能实现塔台电台与飞机电台之间的信道直达，无法完成校波。通过转发装置能定向接收塔台发射出来的信号，并将信号定向转发给停机坪的飞机，所以该装置相当于将信号“拐了一个弯”[5]，或者说提供了一条新的无遮挡的信号传播信道，来实现通信。信号在“拐弯”的过程中，要保持频率、调制方式、工作模式不变，实现透明转发才能起到校波的作用。通过转发装置，避免了飞机的牵引工作，简化校波流程，提高飞行准备的效率。为了实现信号的双向转发，转发装置由甲、乙两部电台组成。

2 转发装置设计

2.1 电路模型设计

根据功能要求，透明转发装置电路模型设计如图2 所示。

图2 透明转发装置电路模型设计

图2 中，甲、乙两部电台分别构成两个独立的收发通道，甲电台收到指挥塔台的信号，经过滤波和射频放大，一方面加到乙电台的发射机电路，另一方面经过接收机混频后产生固定中频信号，经过检波得到一个直流控制信号，通过研制的转发控制板自动激发乙电台处于发射状态，将甲电台收到的指挥塔台的信号转发给飞机。乙电台接收飞机信号，转发给指挥塔台的过程与之相似。对于图2 中的设计，需注意以下4 点：

1）图2 中设置甲、乙两部电台，建立互不干扰的收发两个通道，既能接收信号，也能发射信号，所以可以实现“双向转发”的功能[6]；

2）自动转发是设计的重点和难点。因此自动转发的触发信号一定要稳定可靠。对于超外差体制电台，中频信号频率固定、幅度稳定，因此，该设计利用中频信号的检波电压作为“自动转发”的触发信号[7]，提高了控制的可靠性；

3）从图2 可以看出，在整个电路模型设计中，转发的信号不经过电台的调制解调电路，不改变调制特性，实现信号特性保真的“透明转发”功能。

4）为了减少甲、乙两部电台之间收发信号的相互干扰，图2 中的天线必须采用隔离度较好的定向天线[8]，通常隔离度应在30 dB 以上。

从图2 中可以看出，转换控制板是实现“双向转发”和“自动转发”的重要部件，包括收发控制电路和收发转换电路两个部分。

2.2 收发控制电路设计

收发控制电路采用中频信号的检波电压作为触发信号，来实现甲、乙两部电台收发状态的转换，其电路结构如图3 所示。电路中采用了检波电路、直流隔离放大器N1和N2、两个非门D1和D2以及一个与非门D3组成的触发电路[9]。当甲电台接收到信号后，中频信号通过峰值检波器时，输出一个直流电压(0.3 V 左右)到乙电台的发射机控制电路中，作为按键发话(Push-To-Talk，PTT)电平的触发信号，使乙电台从接收守候状态转为发射状态，将甲电台引接的射频信号通过乙电台的发射电路发射出去，从而实现信号的转发。乙电台收到信号再从甲电台转发出去的过程则与之相反。电路中，甲直流电压信号通过一个非门和与非门闭锁甲发射电路，目的是当甲、乙两部电台同时收到信号时，甲电台收到的信号优先从乙电台的发射电路发射出去，满足塔台指挥信号优先传输的原则。

图3 控制电路原理图

2.3 收发转换电路的设计

由于电台工作在半双工状态，因此，转发装置也应工作在半双工状态，才能使发射和接收与电台协同起来。在半双工状态，收发是不能同时进行的，必须进行收发转换电路的设计，甲电台PTT 收发转换电路原理图如图4 所示。

图4 甲电台PTT收发转换电路原理图

图4 中，当甲电台接收到信号时，检波后的直流控制信号通过D101和N101组成的电平转换电路，N101集电极开路门(OC 门)开启，将超短波电台的PTT 发射信号拉成低电平，并通过D102的单向控制送入乙电台的电压比较器N102中，N102输出为低电平“0”，监控单元的计算机检测到“0”后，判断PTT 信号处于低电平，触发继电器D103启动[10]，将功放到天线的路线导通，使乙电台处于发射状态，将来自甲电台接收的信号发射出去，实现了图2 中“甲电台接收、乙电台转发”的过程。“乙电台接收、甲电台转发”的过程与之相似。通过收发转换电路，控制电路送来的直流检波信号完成电台收发状态的自动转换。

3 基于Proteus控制电路的仿真设计

仿真采用Proteus 电路元器件级仿真软件。Proteus 的仿真界面可视化效果好、操作简便、元器件库十分丰富，而且可以将仿真后的电路进行封装，设计印刷成PCB 电路板，直接用于产品的开发，缩短产品的开发周期[11]。

3.1 建立仿真模型

根据前面讲述的收发转换控制原理和电台中频信号的特点，直接截取峰值检波器上+0.3 V 的输出电压，使用Button 按钮来控制是否接通。在Proteus仿真中，用LED 灯来观察相应发射支路是否导通，由于PTT 信号是低电平有效，所以在LED 灯前加了一个反相器[12]来方便观察，即LED 灯亮则代表支路导通，灯灭则代表不导通，仿真模型如图5 所示。

图5 控制电路的Proteus仿真模型

3.2 仿真的过程及验证

根据半双工工作机理和透明转发的要求，对下列4 种情况进行仿真。

1）甲、乙两电台无接收信号情况的仿真

当甲、乙两电台均无接收信号时，甲、乙两接收支路均无0.3 V 的直流检波电压，两个LED 灯均处于熄灭状态，表明两发射支路均未导通，两部电台都不能进入发射状态，即为图5 所代表的初始状态，符合设计要求。

2）甲电台接收信号，乙电台转发情况的仿真

甲电台接收信号时，甲接收支路的0.3 V 检波电压通过Button 按钮加入到电路中，仿真设计和实验数据如图6 所示。

图6 中，U6(D)探针的显示结果是SLO 低电平，U5(Q)探针的显示结果是SHI 高电平，该结果表明乙电台PTT 信号有效，而甲电台无PTT 信号，所以乙发射支路导通LED 灯D3点亮[13]，将信号发射出去，甲电台发射支路不导通，LED 灯D4不亮，符合“甲接收乙转发”的设计要求。

图6 甲电台接收信号过程仿真

3）乙电台接收信号，甲电台转发情况的仿真

乙电台接收信号时，乙接收支路的0.3 V 检波电压通过Button 按钮加入到电路中，仿真设计和实验数据如图7 所示。

图7 乙电台接收信号过程仿真

图7中U6(D)探针的显示结果是SHI高电平，U5(Q)探针的显示结果是SLO 低电平，该结果表明甲电台PTT 信号有效，而乙电台无PTT 信号，所以甲发射支路导通LED 灯D4点亮，即将信号发射出去，乙电台发射支路不导通，LED 灯D3不亮，符合“乙接收甲转发”设计要求。

4）两电台同时接收到信号，甲电台信号优先转发情况的仿真

优先电路设计的关键部分是非门U3、U4和与非门U5的逻辑关系[14]。如图8 所示，当两电台同时接收到信号时，甲、乙接收支路的0.3 V 检波电压通过Button 按钮加入到电路中，但由于U4对U5输出逻辑信号的控制，乙发射支路导通LED 灯D3点亮，甲电台发射支路不导通，LED 灯D4不亮，符合“甲电台信号优先转发”的设计要求。

图8 两电台同时接收到信号过程仿真

通过以上仿真表明，控制电路的工作机理符合转发工作流程的要求，为透明转发装置的研制提供了理论和实验支撑。

4 结束语

透明转发就是要实现在不改变信号调制特性的情况下，通过转发装置的设计和定向天线的使用，改变信号的传输路径，实现信号保真、可靠传输，提高信号传输的质量和效率。文中通过分析超短波电台通信校波的需求和半双工电台的工作特点，对转发装置的功能模型、工作流程和控制电路进行了设计[15]，采用Proteus 软件对电路工作机理进行仿真，能够较好地实现透明转发的要求，为透明转发装置的研发提供了理论和实验支撑。为了提高透明转发装置的使用效果，在机场实际应用中，要根据塔台与机库之间的地理位置和地形特点，合理选择透明转发装置的安装位置，适当提高天线的高度，以避开障碍物的影响。为了减少转发装置中两部电台之间的相互干扰，转发装置的天线应当采用隔离度较好的定向天线[16]。通过透明转发装置的设计，为部分净空条件不好的机场提供通信校波的解决方案，减轻了机务人员的工作强度，提高了校波的效率。