第1章 民航飞机通信技术概述
1.1 民航飞机通信技术发展历程
1.1.1 民航通信历史
20世纪的第一次世界大战，飞机作为一种战争工具进入世界舞台。第一次世界大战后，大量的军用飞机由军事用途转变为商业用途，专门运输人员和货物的航空公司开始成立。航空公司拥有多架飞机后，地面人员就需要经常与空中的飞行员进行通信，飞机通信技术就此开始发展起来。
早期的地空通信曾经使用目视的方法，例如，灯光、旗帜(模仿自航海用的旗语)，甚至于篝火(*早的夜航通信手段)，但采用这些方法进行地空通信显然是远远无法满足航空业快速发展的需求。随着20 世纪初无线电通信技术的广泛应用和推广，无线电通信技术开始被应用在飞机上。早期采用莫尔斯电码进行通信，这是在飞机上*早的数据通信方式。当时在飞机驾驶舱内需要配备一名专职的报务员来收发电报，后来随着无线电模拟调制技术的发展，飞机逐步开始采用模拟语音通信，并取代了莫尔斯电码通信。语音通信简单来说就是对话来实现双方的通信交流；数据通信传输的是文字、图片等信息，如同手机上发送的短信。
模拟通信技术直观且易于实现，但存在保密性差、抗干扰能力弱等缺点，而且这些缺点难以克服。近30 年来，随着计算机和网络技术的发展和成熟，数字通信技术在越来越多领域逐步取代了模拟通信技术。数字通信技术具有频谱利用率高、抗干扰能力强、纠错机制完善、便于采用计算机处理等优点，因此成为现代通信技术的主流。现代民航飞机上，无论是语音通信设备还是数据通信设备，多数设备实现了从模拟通信技术向数字通信技术的转变。
在某些方面，数据通信具有较大的优势，例如，有朋友要告诉你一件非常重要的事情，用语音还是发短信哪个好呢？如果这位朋友说话有浓重的地方口音，要做到准确传递信息基本上是一件让人崩溃的事情。如果这种情况的对话发生在地面航管人员和飞行员之间，则极易造成理解错误，而通过数据通信，一方面可以有信息记录留底备案，另一方面可以避免语种、口音、语言习惯等多种原因造成的沟通误会。
随着民航飞机的数量和载客量不断增加，地面航管人员和航空公司管理人员对于实时掌握飞机中飞机参数的需求越来越多，传统的依靠地面人员与飞行员之间语音对话了解双方状态、实现信息沟通的语音通信方式，使飞行员难以集中精力，在飞行中容易造成飞行安全隐患，即语音通信已无法满足地-空交流需要，数据通信的优势越发凸显。从1987 年起，美国的航空公司开始使用一种甚高频数据链——飞机通信、寻址与报告系统(Aircraft Communications Addressing and Reporting System， ACARS)，从此现代数据通信业务在民航地-空通信中发挥着越来越重要的作用，ACARS 在飞机上自动生成数据信息并自动发送给地面接收站，信息经地面中继站传送到航空公司的计算机系统保留和分析，该系统目前已广泛应用在我国的各航空公司。
1.1.2 民航通信现状与下一代通信体系
机载早期通信模式是独立系统通过专用连接线完成点到点通信，在20 世纪70 年代随着电子技术和处理器的应用发展到系统总线通信，现在和即将应用的机载网络通信模式属于第三代机载通信。
目前，针对航空移动通信系统需要增强已有的战术与战略移动通信服务性能，以提供更多功能、更加灵活、抗干扰和可靠的服务，针对机内通信需要增强传输数据速率、增强实时性应用。从一定程度上，如ACARS、基于VHF 通信的数据链服务、通用数据链和航空卫星服务作为第二代无线通信、机载通信总线和网络已经开始实施并在填补这个缺口。
鉴于第三代航空通信系统的技术已经成熟，并且使用的设备成本也在不断降低，未来几年，在当前部分老旧系统导致信息传输拥塞、饱和问题以及在新技术、新体系的可实现性的驱动下，将看到航空通信系统的革新变化。此外，很明显航空通信体系需要合理化的系统、接口、模块等设计，以简化长期使用的整套装备更新模式，提高系统开放性和可扩展性。同时，航空移动通信的伙伴——公共移动通信，已经完成了第三代系统并已经计划向第四代和认知无线电发展，航空通信在新技术、新体制的应用和部署上处于落后状态，但也有优势条件，航空移动通信的发展可受益于移动通信的经验，甚至可以利用公共移动通信技术发展的教训。通过对现有基于先进移动通信标准的模块无线电装备进行移植，并部署到新的航空移动通信中，可以促成航空移动通信的跨越式发展。航空机载通信网络同样受益于现代公共互联网的应用技术。当然，应用到航空通信系统中的技术移植需要考虑应用系统的环境和具体需求，这与其他工业应用是类似的。
1.2 民航飞机通信的基础知识
民航通信是空中运输中信息、指令传输的统称，用于完成消息、文字、情报、指令、图像等信息的传输和交换，完成航空通信所需的一切技术设备和传输媒介统称为民航通信系统。按照民航通信传输交换的范围可分为外环通信和内环通信。外环通信是指飞行器与其他通信终端的信息传输，通常采用无线通信传输方式，可分为空空、空地和空天通信；内环通信是指机载设备内部的信息交换，通常使用有线通信模式，借助电缆、光纤等媒介实现信息传输，主要分为总线模式和网络模式。按照通信过程中传输的信息类型又可分为模拟通信系统和数字通信系统。采用模拟通信方式传输信息的通信系统称为模拟通信系统，包括HF COMM 和VHF COMM 系统。而用数字信号作为载体来传输信息的通信方式称为数字通信系统，包括ACARS、机载数据总线通信等。
1.2.1 民航飞机模拟通信系统模型
图1.1 所示为模拟通信系统模型。从通信系统的信源输出的电信号称为基带信号，在模拟通信系统中，信源输出的为模拟系带信号，基带信号通常是含有直流分量和频率很低的电信号，不适合远距离传输，因此信号需要经过调制。调制是指用基带信号去控制另一作为载体的信号(载波信号)，让载波的某一参数(幅值、频率、相位等)按前值变化。信号调制中通常以一个较高频率的正弦信号作为载波信号，模拟通信系统中常用的调制方式有调幅(AM)、调频(FM)、调相(PM)等。如图1.1 所示，框图中画出了基带信号采用调幅方式在模拟通信系统中传输时信号波形变化情况。模拟基带信号和载波信号在调制器中实现调制，经过调制器调制后输出的信号称为已调信号。已调信号有三个基本特性：一是携带有信息，二是适合在信道中传输，三是频谱具有带通性质，且中心频率远离零频。经过调幅调制的已调信号为调幅信号，经过调频调制的已调信号为调频信号。已调信号需要经过解调才能将载波和基带信号分离，还原出基带信号，解调是调制的逆过程。典型的调幅信号调制器为乘法器，解调器为包络检波，例如，民航飞机上VHF COMM 系统为采用调幅调制方式的模拟通信系统。
图1.1 采用调幅调制方式的模拟通信系统模型
基带信号用光波作为载波进行调制，通过光纤作为传输介质，可以实现光纤通信。光纤信道具有传输频带宽、抗干扰能力强和信号衰减小等优点，远优于电缆、电磁波等信道，现在已成为通信领域主要信道传输方式。将基带信号经过调制，“搬移”到较高频率的载波上，在电磁波信道中传输，信号频率较高，则收发双方所需要的天线尺寸较小，维护和使用成本低。在电缆信道中传输，因为电阻具有高通频率特性，即在一定范围内，频率越高，其阻抗越低，所以远距离传输的信号衰减较小。
在模拟通信系统中常用的载波是正弦波，通信系统中传输的信号为电信号，一般采用时域分析和频域分析来理解、描述与分析电信号。时域分析法研究的是电信号的电压或电流随时间变化的情况；频域分析法研究的是电信号的电压或电流等参数在频域中的分布情况，电信号在频域上可以分为基带信号和频带信号(已调信号)。图1.2 所示为对调幅和调频信号进行时域分析的信号波形，图1.3 为对调幅和调频信号进行频谱分析的波形。
1.2.2 民航飞机数字通信系统模型
模拟通信技术代表着通信技术的过去，数字通信技术代表着通信技术的未来。计算机技术和互联网技术的发展促进了数字通信技术的发展。数字信号是指电压、电流等电信号参数在幅度上和时间上都是离散的信号，例如，现代计算机中使用的二进制信号就是典型的数字信号。由于计算机技术是现代民航通信数字化、网络化的基础，因此数字通信一般指传输二进制数字信号0 和1 的通信方式，图1.4 给出了数字通信系统模型。
图1.2 模拟调幅、调频信号的时域分析波形
图1.3 模拟调幅、调频信号的频域分析频谱
图1.4 数字通信系统模型
1. 模型简介
与模拟通信系统相比，数字通信系统增加了信源编码器和信道编码器，以及信源解码器和信道解码器等功能模块，这是数字通信特有的功能。下面简要介绍各功能模块的功用。
1)信源
产生基带信号，包括模拟信号和数字信号，例如，民航飞机通信系统中的信源是HF COMM 系统、VHF COMM 系统。
2)信源编码
信源基带信号需要转换成数字信号0 和1 才能在数字信号中传输，将模拟信号转换为用0 和1 表示的数字量的过程称为模数(A/D)转换，模数转换是信源编码的功用之一。信源编码的第二个作用就是将模数转换后的数字信号0 和1 组合成可识别的字符，例如，信源基带信号转换成一串二进制数字“0110001001001”，如果这串数字没有进行编码，没有任何意义；根据某种编码规则编码后，将有不同的含义。在民航飞机通信系统中，常见的十进制数的编码有二-十进制编码(8421BCD 码)、BNR 码、格雷码、五中取二码等，如表1.1 所示。
表1.1 民航飞机通信系统中常见的十进制编码规则
结合表1.1 可以看出，同一串“011001010010101110011”，同样要通过编码来表达0～9 这十进制数，如果采用BCD 编码，接收端得到的数字为“652573”，而采用典型格雷码编码，接收端得到的数字为“463652”，得到完全不同的含义。这个例子也间接反映出数字通信的保密性好，如果无法知道信号的编码规则，即使能接收全部的二进制数字串，也很难理解码中的含义。
3)信道编码
信道编码是为了对抗信道中的噪声和衰减，通过增加冗余，如校验码、监督码等，来提高抗干扰能力以及纠错能力，即解决信息码元进入信道传输的格式以及数字通信的可靠性问题。信息发送端对拟传输的信息码元按一定规则(通信双方为准确有效地进行信息传输所约定的通信协议)加入一些冗余码(校验码)，形成数据字，数据字经过信道编码后通过信道传输，接收端按照约定好的规则，从数据字中提取信息码元，并进行检错甚至纠错。
4)信道
无论是模拟通信系统还是数字通信系统，信道都一样分为有线信道(如电缆、光纤)和无线信道(如电磁波)两种。
2. 数字调制
数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的频带信号。数字调制的主要作用就是提高信号在信道上传输的效率，达到远距离传输的目的。民航飞机的ACARS，通过机载三号甚高频VHF-3 通信收发机将ACARS 报文发送到地面台前，就需要数字基带信号形式的报文调制到甚高频载波上才能发送出去。基本的数字调制方式有幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)，在数字通信系统中使用*多的是PSK。
3. 差错控制编码
数字信号在信道中传输时由于噪声干扰容易造成数字信号传输差错，为此在信号发送端需要安装差错控制编码装置，在接收端需安装解码装置。差错控制编码是为了改善数字通信系统的误码性能而使用的编码方法。在发送端，人为地在信息码流中加入一些“多余”的监督码，并使这些监督码与信息码发生某种确定关系。在接收端，则利用这种关系去校验所接收的码是否发生了错码以及错码可能的位置，从而达到发现错码或纠正错码的目的。
在信道中常见的错误有3种。
(
展开
