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专访新中国第一套流星余迹通信系统参研者刘增基
时间:2018-06-08 10:59:10来源:新闻中心点击:

博物馆藏品故事|探寻星空下的通信秘密

——专访新中国第一套流星余迹通信系统参研者刘增基教授

█学生记者 金艳芝 张傲 张闻功 卢少娟

夜色星空下,当一颗颗流星一闪而过之时,你是否注意到了短暂星耀下隐藏的神秘信息?那一刻,夜幕因流星而闪耀,信息因闪耀而传播。流星在高空烧毁后留下的电离气体柱——流星余迹,便是大自然恩赐给人们用来传递信息的一种秘密神器。

“我毕业于西安军事电信工程学院电信工程专业,1961年7月毕业后留校,组织安排我到一系任教。然后系领导安排我到红星组工作,参与研究流星余迹通信系统”

记  者:请您简要解释一下,什么叫“全双工流星余迹通信系统”。

刘增基:所谓流星余迹通信,就是利用流星在高空大气层烧毁后形成的电离余迹对无线电波的散射作用来传输信息的一种通信工具,这是一种比较隐蔽和可靠的远距离小容量通信手段,主要用于应急通信。

通信系统按照工作方式分为两种,一种是单工,一种是双工。所谓单工,就像对讲机一样,信息的收发不能同时进行。双工就像打电话一样,发话的同时也可以听到,信息的收发可以同时进行。也就是说,在双工方式下信息可以同时双向传输;而单工方式下信息只能单向传输。后来双工发展为两种,一种是全双工,一种是半双工。对无线通信而言,一般通过收发不同频实现全双工,称为频分双工(FDD)。如果收发同频,为了避免自己干扰自己,收发需要分时工作。如果收发能自动分时倒换工作,则称为时分双工(TDD)。

全双工流星余迹通信系统是利用流星余迹对无线电波的散射作用实现远距离通信的。与无线电波传播有关的流星颗粒的质量在10微克至1千克之间,流星射向地球的相对速度为11至72千米/秒,每昼夜约有100亿颗质量大于10微克的流星体射入整个地球大气层。流星颗粒的质量虽小,但动能很大,它们在大气层80到120公里的高度与空气摩擦而烧毁,烧毁后气化电离并发光。这样,在流星划过的路径上就留下一个长度为十几至几十千米的电离气体柱,其电子线密度大于1万亿个电子/米。这就是所谓的流星余迹,其电子密度比周围的电离层大得多。大家知道,电离层是可以反射无线电波的,但频率不可高于某一最大可用频率,所以利用电离层反射只能实现短波(工作频率2~30MHz)远距离通信。而现在利用流星余迹就能够反射或者散射超短波(工作频率30~60MHz)。

为了实现全双工,如前所述,采用频分双工体制。一个点到点的全双工流星余迹通信系统由远离的两端组成。每端的通信设备包括发射机、接收机、发射天线、接收天线、发送终端、接收终端及通信控制器等。发射机的功能是将待发信息编码调制到射频载波上,并将已调的射频信号放大,然后输出具有一定功率的射频信号给发射天线。发射天线将射频信号转换为电磁波向特定的空域辐射。接收天线用来接收流星余迹散射的微弱信号。接收机通过放大、滤波、解调、解码等处理提取出对方所发的信息。两端的四副定向天线的波束要对准位于80~120千米高空的同一区域(称为共同照射区)。仅当在该区域内形成的流星余迹具有合适的取向和足够的电子密度时,才能散射足够强的信号而被系统利用来传输信息。由于流星大小、到达时刻、余迹寿命等的随机性,流星余迹散射信号的强度、出现时刻、持续时间都是随机的,而且大部分流星的持续时间都小于1秒,所以流星余迹通信系统的基本工作方式是“间歇突发”。系统(至少有一端)要不断地发射探测信号(或称探询指令),以发现随时可能出现的可用流星余迹。一旦发现了可用信号,要立即启动双向信息传输,以充分利用那短暂的流星余迹持续时间。为了在短时间内传输足够数量的信息(报文、数据、符号),就需要实现高速突发传输。通信控制器的主要作用就是实现这一突发传输的控制功能,包括可用流星余迹的探测、突发传输的启停、传输速率的控制以及传输差错的控制等。而发送终端和接收终端的主要功能是信息输入和输出速率的转换,这利用缓冲存储器实现。

 

图1 全双工流星余迹通信系统组成

记者:您当年在学校学的是什么专业?后来又如何开始研究流星余迹通信系统?

刘增基:我毕业于西安军事电信工程学院电信工程专业,1961年7月毕业后留校,组织安排我到一系任教。然后系领导安排我到红星组工作,参与研究流星余迹通信系统,这与我学的专业是完全对口的。红星组的第一任组长是杨千里同志,但在61年暑假后他被调回二系,后来西军电分家,他们又去了重庆。红星组的第二任组长是吴海洋同志,所以我基本上是在吴海洋的领导下进行工作的。

“为了减小工业干扰,西安的试验站设在沙井村,北京站开始设在佟家坟,后来搬迁到南苑机场附近,都是市郊区的农村环境”

记  者:据您了解,当时开始研制这套系统的原因是什么?

刘增基:总的来说,有两方面原因吧。一是有需求。当时在国内缺少可靠的远距离通信手段,特别是偏远地区,一旦发生突发事件,情报不能及时传达到中央,就会延误突发事件处理的时机。例如,在1959年西藏的一些反动分子叛乱,由于当时通信手段落后,有部分人得以叛逃到了国外。面对国内远距离通信的迫切需求,通信主管部门的领导人王诤、孙俊人等极力主张研制流星余迹通信系统。在这种形势下,中国人民解放军军事电信工程学院(简称西军电,是西安电子科技大学的前身)开始了流星余迹通信系统的研究。

二是有可能。1957年国际上发表了一系列有关流星余迹通信系统的科技论文,包括流星余迹物理特性、传播规律及通信系统的研究成果。在通信系统方面比较著名的就有加拿大的JANET系统。但当时国内的远距离通信的主要手段是靠短波从电离层的反射,其可靠性较差,无法满足远距离通信的需求。国际上在散射通信方面(包括流星余迹散射、电离层散射和对流层散射)的基础性研究成果给我们提供了参考。

记  者:有了这两方面的需求,但当时是否具有研制的条件呢?

刘增基:一种新的通信系统的研发一般要经历需求调查和国内外发展现状的调查分析、方案论证和设计、样机制作、试验验证等阶段。系统设计是否正确,是否达到使用部门提出的性能指标,必须通过实际试验来检验。通信系统的试验分为室内联合试验和野外通信试验。由于流星的发生率(单位时间内出现的可用流星数目)既随昼夜、季节变化,又存在随机变化,所以野外试验往往需要经历相当长的时间。

我是1961年的暑假到达试验站的。1960年期间,在学校的统一组织和领导下,通过西军电师生(其中就有我的许多同学)和实习工厂职工的共同奋战,自行研制出一套流星余迹通信试验设备,并且于60年底在北京与西安之间建立了一条试验线路。为了减小工业干扰,西安的试验站设在沙井村,北京站开始设在佟家坟,后来搬迁到南苑机场附近,都是市郊区的农村环境。为了尽快上马,北京站的设备和人员都是安置在几个棉帐篷里。西安站利用原有的几间旧瓦房作为中心机房(安放接收机和控制终端设备),临时搭建了一个8平方米左右的“窝棚”作为发射机房。每个站的两个菱形天线架在农田里,每个天线要占地4个篮球场那么大。为了避免本站的大功率发射机干扰自己的高灵敏度接收机,收发的工作频率间隔设定为4MHz,收发天线在垂直于通信路径的方向上分开配置,而且相距200米以上。

“这套在1965年研制成功的基于电子管分立元件的全双工流星余迹通信系统的代号取名为HX-101A,HX代表红星,101表示主要承研单位101研究室,A代表第一代”

记  者:20世纪60年代初正是国家比较困难的时期,科研环境、设备配置等方面曾经受到哪些影响?

刘增基:测量仪器缺少。当时全校有一个仪器室,最好的示波器的频率响应只有5MHz。试验中我们用的主要仪器是低频示波器、真空管电压表、万用表等。

在参试人员方面,除了技术总负责人杨千里同志是讲师以外,其余都是教员,还有一批来自通信团的战士。在1961年,我到沙井村试验站开始工作的时候,那里只有吴海洋和我两位教员(我还在见习期),其余都是战士。那时在北京也只有三位教员和多名战士。所以最大的困难还是缺人才。

说了这么多不利条件之后,现在让我来谈谈有利条件。第一,当时我们都是解放军的一员,粮食供应是确保的,吃饱饭不存在问题;第二,我们都年轻,有学习和奋斗精神;第三,领导重视,大力支持(欧阳文院长就去试验站多次)。由于有这些有利条件,在1961至1962年,全国执行中共中央“调整、巩固、充实、提高”八字方针的大气候下,大跃进期间盲目上马的许多项目都下马了,而这个项目还是坚持下来了。除了上级领导重视以外,对于该项目的坚持干下去,当时一系主管科研工作的参谋丁如琏和红星组组长吴海洋同志起了关键作用。后来在成功完成了流星余迹通信系统的研制任务之后,丁如琏成为全国工业学大庆标兵,吴海洋当选为全国人大代表,都是受之无愧的。

记  者:请您简要回忆一下,60年代初期,研发团队是如何工作的呢?

刘增基:我初到试验站后,一边学习和消化资料,一边参加试验工作,维修试验设备,观察流星信号和实际通信效果。从1961年至62年北京至西安单向传输试验报文的效果来看,一是通信量较少,二是差错率高(几乎每次流星末尾都有若干个字符出错)。为了有更多的机会进行观察,我们往往在凌晨1~7点试验。经过一段时间的反复观察之后,我开始认识到差错的主要原因,写了一篇文章,题目是“流星余迹通信体系中的控制设备及迟延分析”,后来发表在《电子学报》上。但当时还没有想出解决此问题的有效方法。

1962年暑假期间,系里请胡征教授和樊昌信老师(当时的职称是讲师)到沙井村试验站调研和指导工作。樊老师在那里蹲点了一周时间。针对当时的情况,他们建议,还是从基础抓起,我们一致同意。于是着手准备流星余迹传播规律的研究。胡征老师给了我一本关于统计数学的英文书。我很快读完了这本书。按照该书提供的数理统计方法,我用了一周时间写出了“流星余迹前向散射传播测试方案”,确定了需要测试的项目、每个项目的测试方法、所需的设备、数据记录及整理的方法等。经过樊老师审阅和修改后就定下来了。接着就开展准备工作。遇到的第一个问题是用如何记录流星余迹散射信号。首先要从接收机中引出接收信号强度指示(RSSI)信号,这很容易就做到了。然后我们想到利用心电图记录仪来记录RSSI信号。当时的心电图记录仪是单线的,频率响应可到20Hz,完全满足要求。另外,又从学校物资处的库房里找到几台旧的电子计数器,经过修理用来自动记录每小时流星信号超过特定门限电平的次数(即流星信号发生率)。通过人工分析心电图记录仪纸带上记录下来的原始波形,我们可以得到流星信号的间隔时间分布、持续时间分布、峰值振幅分布、信号发生率、工作比(可用时间百分数)及其与门限电平的关系等一系列反映传播规律的统计结果。

为了全面掌握传播规律,决定在1963年进行一年的测试。而在这之前,要进行一个月左右的预备性试验和测试,以检验各项测试设备和测试方法是否符合要求。在1962年的11月和12月期间,我们开展了预备性的传播测试工作。由北京站连续发送受单音频调制的射频载波信号(40MHz附近),西安站连续接收和记录。在那段时间,有几天正巧遇上了流星雨(狮子座流星雨等),一个个大流星接踵而来,每个持续时间都长达几十秒,让我们兴奋不已。

图2 流星余迹散射接收信号强度随时间变化的记录样品

1963年,我们对流星余迹的传播规律进行了一年的测试研究。除了设备(主要是发射机)故障时间以外,都连续开机发射和接收。所有原始记录都保存下来,通过人工分析得到厚厚一本“流星余迹前向散射传播测试资料”。1962至63年期间,为了加强研究力量,从系里陆续调来缪锦标、荣彰涛、张震、包洲等教员。63年的传播测试及资料分析工作,主要是在张震老师的主持下通过多位战士的坚持不懈的努力完成的。与此同时,我们在酝酿一个完整的流星余迹全双工通信系统的方案。吴海洋负责总体和终端设备,我参与总体研究侧重负责信道和通信控制、荣彰涛负责天线、缪锦标负责发射机。包洲老师来得稍晚,也参与总体及通信控制的研究。

记  者:当时科研环境、配置等方面都比较落后,那如何解决这些问题呢?

刘增基:首先遇到的问题是采用什么样的天线。1960年建立的系统是一套试验样机,一个方向传输控制指令,另一个方向传输报文。为了尽快上马,作为权宜之计,发射和接收天线都采用了菱形天线。菱形天线的增益是比较高的(17dBi),但方向图的付瓣较多,主瓣太尖锐(只有9度左右,而一般17dBi增益的天线,其波束宽度应接近20度),也就是有相当一部分能量发射到不该去的方向了。另外,架设完毕后波束指向(包括方位角和仰角)不能动。而可用流星余迹出现概率最大的空域是位于大圆路径两侧10~20度,离地80~120千米的区域(即所谓流星热区)。因此,如果不能实现可控天线波束的话,天线的水平平面方向图应该覆盖40度左右的范围,而铅垂平面的方向图只要覆盖80~120千米高度的范围就可以了。基于以上想法,我在一次闲聊中建议荣彰涛老师设计一种双层八木天线,通过压缩铅垂方向图来提高天线增益,而且要便于升降和旋转。后来荣老师完成了双层七元八木天线的设计,由校实习工厂制造出来,再经荣老师的精心调试搞成了。该天线安装在可人工升降的铁塔上,可调高度范围约为4至32米,增益13dBi,水平平面波束宽度约30度。共做了四副,每端两副(一收一发)。完成时间大概是1964年的年底。

再一个问题是发射机和接收机的问题。我们需要的是数字通信的设备,而当时数字通信的概念还没有传到中国,可利用的现成无线通信设备(所谓报话机)只能支持电话和人工莫尔斯码电报业务。在这种条件下,我们选择了一种天津712厂生产的超短波电台A130(仿苏联的P-105电台)。其工作频段是36~46MHz,正好合适;调制制度是窄带调频,频偏7~8kHz,其接收部分的通频带宽度是25kHz,支持话音通信;其发射部分输出功率1瓦,可作为发射机的激励器。该电台是成熟产品,工作十分可靠。为了传输快速电报信息(即数字信息),我们将传输码元速率定为2000波特,采用“二相码”的基带码型(后来知道国际上叫Manchester码),使其频谱与话路频带(300~3000Hz)基本吻合。这样,一部A130电台用作接收机,另一部A130电台用作发射机的激励器,而发射机的大功率放大器需要自行研制。缪锦标老师担负了发射机的研制任务。大约在64年的年底由缪老师设计、校实习工厂制造的两台发射机做出来了。该发射机的末级功放采用金属陶瓷管,调谐回路采用真空可变电容器,输出功率分两档,全功率:1千瓦,半功率:500瓦,整机重量(包括电源)估计有300千克。

从调制与解调技术的角度看,当时采用的是连续相位调频,已调信号的包络是恒定的。这种信号形式可以让发射机的功放工作到饱和点。但所用的限幅鉴频的解调方法存在门限效应(相干解调法尚未提出),在解调器输入信噪比低于门限值(约10dB)时输出信噪比迅速恶化。受内部噪声限制的接收机灵敏度为1.5微伏(近似于-104dBm),对于2000波特的传输速率而言,是比较低的。然而这种解调方法潜在的“宽-限-窄”抗脉冲干扰的机制,对于降低来自接收机外部的工业干扰是有用的。

再一个问题是通信控制问题。如前所述,系统需要尽可能充分地利用流星余迹存在的瞬间进行高速的信息传输,因此就存在如何实现通信控制的问题。那时国际上普遍采用的是“门限控制”法,即在接收信噪比低于特定的门限时停止信息传输,让系统处于等待状态,同时不断发送探测信号和存储待发报文;而当检测到信噪比高于门限时要立即进行高速的突发传输。由于在流星余迹生存期的末尾接收信号强度迅速下降,而停止传输有一个过程,存在一定的迟延(包括路径传播迟延和控制指令识别迟延),所以在每次流星末尾往往发生传输差错。当然只要提高门限值就可以减小差错率,但这会缩短了可用时间,而且这样做并不能解决外界干扰引起大量差错的问题。于是我们提出“门限控制与差错控制相结合”的方法。其基本思想是:突发传输的启动仍然保留门限控制,报文传输启动后只要不出现差错就不停止,一旦发现了差错就暂停传输,每次启动后先重传上次停止传输前发送的若干个码组,然后再发新的码组。

为了实现这种控制方法,我们设计了全新的通信控制器。其中的数字逻辑电路都是采用电子管和电阻、电容等分立元件构成的。主要部分是48个双稳态触发器构成的移位寄存器,还有计数器、状态控制电路等。这个通信控制器的外形像一个写字台,内部装上接近一百个插件,每个插件上装一个触发器或若干个门电路。每个插件的大小与一册厚的32开的书本差不多。控制台的面板上有许多指示灯,用来指示各触发器的状态及系统的工作状态,还装上许多按键,用于发送特种符号。

最后是通信终端的问题。当时的电报终端设备叫做电传打字机(又叫印字电报机),可以发报也可以收报。另外还有一种专用于发报的纸条发报机。这些设备的传输速率都是50波特,采用起止式同步。而我们需要的突发传输速率是2000波特。因此要有一个发送终端,实现低速输入高速输出;要有一个接收终端,实现高速输入低速输出。这种速率转换的功能只得靠存储器来实现。根据当时的设备条件我们选择了磁心存储器,利用磁心被磁化后的剩磁状态来存储二进制信息“0”或“1”。根据使用部门提出的常用报文长度,我们确定每个存储器的容量为100个汉字(每个汉字用4个十进制数码组成,长度为20比特),即2千比特。磁心存储器的缺点是容量小,而且不能边存边取,存满后才能取,取空后才能存。这样,在待发报文正在低速输入存储器期间出现的流星就不能利用;存储器存满以后也要发出告警信号,要立即停止突发传输。为了缓解这一问题,我们仿照人脑的结构,将一个存储器分为两半,各存50个汉字(即1千比特),一半在低速输入时,已存满的另一半可以高速输出;或者一半在高速输入时,已存满的另一半可以低速输出。

所谓磁心实际上是一颗颗黄豆大小的铁氧体磁环。存储容量为1000比特的存储体要用1000个小磁环排成一个矩阵。穿过每个磁环至少有三条相互绝缘的导线,X方向和Y方向的驱动线,还有一条读出线穿过所有的磁环。我曾目睹过技术人员和工人师傅穿磁环,比绣花难上不知多少倍。这样,每部终端由磁心存储体和读写控制逻辑电路、读写信号处理电路等构成,装在一个单门的大机柜里。

在各个问题都有了解决方案的基础上,我们在1964年完成了各分机的设计,并由校工厂完成了加工制造。整个系统包括两端,每端的通信设备有两副双层八木天线、大功率发射机、接收机、控制台、发送终端机柜、接收终端机柜,还有纸条发报机、电传打字机等。经过室内联试,于1965年在北京与西安之间投入野外通信试验并获得成功。经过较长时间的双向通信试验,全天每个方向的平均通信量约为每分钟180字符,汉字的差错率小于千分之一,满足使用要求。需要说明,通信量的统计中扣除了Es层反射的贡献,每年的5到9月份在电离层的E区会不定期地出现电子密度很高的“电子云”,称为Es层,往往持续几十分钟至几十小时,在此期间可以进行连续高速的传输。

这套在1965年研制成功的基于电子管分立元件的全双工流星余迹通信系统的代号取名为HX-101A,HX代表红星,101表示主要承研单位101研究室,A代表第一代。这几个符号就刻在控制台的标识牌上。当然,仍然存在不足之处。作为多年亲身参加这一科研实践活动的一员,我内心并不很满意,更不值得自豪。

“在1960年代,我国的科研基本上处于独立自主,自力更生状态”

记  者:您前面说,在我们做这个系统之前,国外就已经有所研究了。那1965年咱们研制的系统与国外有无不同之处?

刘增基:在通信控制方面,我们提出了“门限控制与差错控制相结合”的方法,既大大减小了突发传输的差错率,又更有效地利用了流星余迹信道。在天线方面,我们设计和实现了更适合流星余迹信道特征的双层八木天线。

在1960年代,我国的科研基本上处于独立自主,自力更生状态。用相对落后的技术手段,去实现先进而复杂的电子信息系统,这就是当时我们的处境。1965年研制成功我国第一套全双工流星余迹通信系统是值得庆幸的,但如果我们当时能掌握更先进的技术,岂不可做得更好。

记  者:咱们第一套系统后来的发展又如何?

刘增基:1966年文化大革命开始,我们的科研工作中断了一段时间。直到1968年,重新开始但仍然时断时续。从1968年到1973年,主要做了控制终端设备小型化的工作,用晶体管分立元件取代电子管分立元件,两个终端大机柜加一个控制台缩小为一个小机柜,发送终端、接收终端、控制器和稳压电源各占一个抽屉。发射机、接收机和天线维持不变。这一套采用晶体管分立元件的流星余迹通信系统取名为HX101B,其电性能与HX101A基本相同。HX101B在1973年通过了六机部组织的技术鉴定。鉴定后决定试生产三套交付使用单位试用。

在试生产前我们又作了改进,解决了一些遗留问题。发射机交给无锡无线电厂生产,在发射机中采用了频率合成技术,显著提高了工作频率的准确度和稳定度。于是形成了第三代,取名为HX101C。这三套设备曾在全国建立了三条不同距离、不同方向的通信线路并进行试用。但由于设备复杂且可靠性不高,使用单位的人员难以掌握,我们的人将通信线路开通撤走后,一旦出故障,往往陷入瘫痪状态。

1975年,为了解决某些时间通信等待时间过长的问题,我们提出采用自适应变速的方法综合利用大小流星余迹和电离层散射的思想。鉴于当时的条件,仅采用了两档速率,高速2400比特/秒,低速75比特/秒。规定:在门限下进行低速传输,在门限上进行高速传输;不论是低速还是高速,都用检错重传(ARQ)的方法进行差错控制;在高速传输过程中,如果发生连续请求重传N次的情况,则转回低速。相应地,研制了新的调制解调设备、新的通信控制器、新的发送终端——采用光电输入的快速纸带发报机、新的接收终端——磁带机,还采用了多台电传打字机用来打印接收报文,天线仍然不变。这套系统取名为HX101D。1976年先后在北京——西安(920千米)、酒泉——阿克苏(1500千米)的无线线路上进行了野外通信试验。通信效果良好,低速基本连续。这套设备的数字电路全部采用国产的小规模集成电路器件,大部分是西安延河无线电厂生产的,一个芯片上一般集成了两个双稳触发器或四个与非门。HX101D型流星余迹与电离层散射通信设备曾获1978年全国科学大会奖。

1978年改革开放以后,技术条件逐步改善,学校引进了微处理器。101研究室在包洲老师的领导下又研制出了HX101E。E型机用微型计算机(当时是用Z80单板机)的技术来实现流星余迹通信的控制和终端功能,克服了存储容量受限的问题,使得系统的通信容量比C型机提高了两到三倍。

“2007年前后,李赞老师的科研团队与天线研究所、6905厂合作研制成功新一代全双工流星余迹通信系统”

记  者:上世纪六七十年代是一个特殊的时期,在那样一个艰难的环境里,是什么力量支持着您和您的同事从事科学研究的呢?

刘增基:就我个人而言,主要有这么一些因素吧。一是作为接受过西军电传统教育的人,有着强烈的事业心,不太计较个人得失,真的想为国家做点贡献;二是凭借自己的良心,是国家培养了我们,我们应该为祖国为人民服务,虚度年华,总是觉得过意不去!另外,也出于对科学技术的兴趣,有了问题总要想方设法去解决,始终不满足现状。

记  者:进入新世纪后,我校在相关领域有哪些研究进展?

刘增基:在人造地球卫星出现以后,流星余迹通信系统的地位和作用明显下降。这是因为在地球赤道上空35800千米的同步卫星,它辐射的无线电波可以覆盖地球表面的三分之一,利用三颗这样的卫星就可以覆盖全球,卫星通信不仅通信距离远,而且是面覆盖,可以在广大区域内组网,既可以构成国际通信网,也可以构成国内通信网。

但卫星通信也存在不足。卫星通信系统建设的成本高,在现代技术条件下,卫星转发器的抗干扰性和抗毁性不强。所以,进入二十一世纪又有了启用流星余迹通信的特殊需求。同时,随着编码调制技术、超大规模集成电路技术和计算机技术的发展,流星余迹通信系统又有了提升的空间。在上级主管部门的支持下,我们学校又开展了新一代流星余迹通信系统的基础性研究。在2002年前后ISN国家重点实验室的金力军老师等开展了关键技术的预先研究。西电还派出多名博士生赴南极考察,与日本某大学合作研究极区的流星余迹传播规律和通信试验情况。因同步卫星的电波不能覆盖极区,在那里远距离的通信只能依靠短波电离层反射通信和流星余迹散射通信。2007年前后,李赞老师的科研团队与天线研究所、6905厂合作研制成功新一代全双工流星余迹通信系统。该系统的主要特点有:(1)设计并实现了基于大规模集成电路(ADC、DSP、ARM等)的软件无线电平台,便于实现不同速率的多种编码、调制方式;(2)设计并实现了新的链路通信协议和具有多档速率的自适应变速通信体制;(3)在射频部分采用了双工滤波器,从而使收发天线之间的间距缩小到50米、收发的频率间隔缩小到1MHz左右。该系统在国内多条南北取向的线路上完成了野外通信试验。在发射功率300瓦的条件下,获得与HX-101C相当的通信性能。

图3 新一代流星余迹通信系统设备(外形图),现存于西安电子科技大学博物馆

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博物馆藏品故事|探寻星空下的通信秘密

——专访新中国第一套流星余迹通信系统参研者刘增基教授

█学生记者 金艳芝 张傲 张闻功 卢少娟

夜色星空下,当一颗颗流星一闪而过之时,你是否注意到了短暂星耀下隐藏的神秘信息?那一刻,夜幕因流星而闪耀,信息因闪耀而传播。流星在高空烧毁后留下的电离气体柱——流星余迹,便是大自然恩赐给人们用来传递信息的一种秘密神器。

“我毕业于西安军事电信工程学院电信工程专业,1961年7月毕业后留校,组织安排我到一系任教。然后系领导安排我到红星组工作,参与研究流星余迹通信系统”

记  者:请您简要解释一下,什么叫“全双工流星余迹通信系统”。

刘增基:所谓流星余迹通信,就是利用流星在高空大气层烧毁后形成的电离余迹对无线电波的散射作用来传输信息的一种通信工具,这是一种比较隐蔽和可靠的远距离小容量通信手段,主要用于应急通信。

通信系统按照工作方式分为两种,一种是单工,一种是双工。所谓单工,就像对讲机一样,信息的收发不能同时进行。双工就像打电话一样,发话的同时也可以听到,信息的收发可以同时进行。也就是说,在双工方式下信息可以同时双向传输;而单工方式下信息只能单向传输。后来双工发展为两种,一种是全双工,一种是半双工。对无线通信而言,一般通过收发不同频实现全双工,称为频分双工(FDD)。如果收发同频,为了避免自己干扰自己,收发需要分时工作。如果收发能自动分时倒换工作,则称为时分双工(TDD)。

全双工流星余迹通信系统是利用流星余迹对无线电波的散射作用实现远距离通信的。与无线电波传播有关的流星颗粒的质量在10微克至1千克之间,流星射向地球的相对速度为11至72千米/秒,每昼夜约有100亿颗质量大于10微克的流星体射入整个地球大气层。流星颗粒的质量虽小,但动能很大,它们在大气层80到120公里的高度与空气摩擦而烧毁,烧毁后气化电离并发光。这样,在流星划过的路径上就留下一个长度为十几至几十千米的电离气体柱,其电子线密度大于1万亿个电子/米。这就是所谓的流星余迹,其电子密度比周围的电离层大得多。大家知道,电离层是可以反射无线电波的,但频率不可高于某一最大可用频率,所以利用电离层反射只能实现短波(工作频率2~30MHz)远距离通信。而现在利用流星余迹就能够反射或者散射超短波(工作频率30~60MHz)。

为了实现全双工,如前所述,采用频分双工体制。一个点到点的全双工流星余迹通信系统由远离的两端组成。每端的通信设备包括发射机、接收机、发射天线、接收天线、发送终端、接收终端及通信控制器等。发射机的功能是将待发信息编码调制到射频载波上,并将已调的射频信号放大,然后输出具有一定功率的射频信号给发射天线。发射天线将射频信号转换为电磁波向特定的空域辐射。接收天线用来接收流星余迹散射的微弱信号。接收机通过放大、滤波、解调、解码等处理提取出对方所发的信息。两端的四副定向天线的波束要对准位于80~120千米高空的同一区域(称为共同照射区)。仅当在该区域内形成的流星余迹具有合适的取向和足够的电子密度时,才能散射足够强的信号而被系统利用来传输信息。由于流星大小、到达时刻、余迹寿命等的随机性,流星余迹散射信号的强度、出现时刻、持续时间都是随机的,而且大部分流星的持续时间都小于1秒,所以流星余迹通信系统的基本工作方式是“间歇突发”。系统(至少有一端)要不断地发射探测信号(或称探询指令),以发现随时可能出现的可用流星余迹。一旦发现了可用信号,要立即启动双向信息传输,以充分利用那短暂的流星余迹持续时间。为了在短时间内传输足够数量的信息(报文、数据、符号),就需要实现高速突发传输。通信控制器的主要作用就是实现这一突发传输的控制功能,包括可用流星余迹的探测、突发传输的启停、传输速率的控制以及传输差错的控制等。而发送终端和接收终端的主要功能是信息输入和输出速率的转换,这利用缓冲存储器实现。

 

图1 全双工流星余迹通信系统组成

记者:您当年在学校学的是什么专业?后来又如何开始研究流星余迹通信系统?

刘增基:我毕业于西安军事电信工程学院电信工程专业,1961年7月毕业后留校,组织安排我到一系任教。然后系领导安排我到红星组工作,参与研究流星余迹通信系统,这与我学的专业是完全对口的。红星组的第一任组长是杨千里同志,但在61年暑假后他被调回二系,后来西军电分家,他们又去了重庆。红星组的第二任组长是吴海洋同志,所以我基本上是在吴海洋的领导下进行工作的。

“为了减小工业干扰,西安的试验站设在沙井村,北京站开始设在佟家坟,后来搬迁到南苑机场附近,都是市郊区的农村环境”

记  者:据您了解,当时开始研制这套系统的原因是什么?

刘增基:总的来说,有两方面原因吧。一是有需求。当时在国内缺少可靠的远距离通信手段,特别是偏远地区,一旦发生突发事件,情报不能及时传达到中央,就会延误突发事件处理的时机。例如,在1959年西藏的一些反动分子叛乱,由于当时通信手段落后,有部分人得以叛逃到了国外。面对国内远距离通信的迫切需求,通信主管部门的领导人王诤、孙俊人等极力主张研制流星余迹通信系统。在这种形势下,中国人民解放军军事电信工程学院(简称西军电,是西安电子科技大学的前身)开始了流星余迹通信系统的研究。

二是有可能。1957年国际上发表了一系列有关流星余迹通信系统的科技论文,包括流星余迹物理特性、传播规律及通信系统的研究成果。在通信系统方面比较著名的就有加拿大的JANET系统。但当时国内的远距离通信的主要手段是靠短波从电离层的反射,其可靠性较差,无法满足远距离通信的需求。国际上在散射通信方面(包括流星余迹散射、电离层散射和对流层散射)的基础性研究成果给我们提供了参考。

记  者:有了这两方面的需求,但当时是否具有研制的条件呢?

刘增基:一种新的通信系统的研发一般要经历需求调查和国内外发展现状的调查分析、方案论证和设计、样机制作、试验验证等阶段。系统设计是否正确,是否达到使用部门提出的性能指标,必须通过实际试验来检验。通信系统的试验分为室内联合试验和野外通信试验。由于流星的发生率(单位时间内出现的可用流星数目)既随昼夜、季节变化,又存在随机变化,所以野外试验往往需要经历相当长的时间。

我是1961年的暑假到达试验站的。1960年期间,在学校的统一组织和领导下,通过西军电师生(其中就有我的许多同学)和实习工厂职工的共同奋战,自行研制出一套流星余迹通信试验设备,并且于60年底在北京与西安之间建立了一条试验线路。为了减小工业干扰,西安的试验站设在沙井村,北京站开始设在佟家坟,后来搬迁到南苑机场附近,都是市郊区的农村环境。为了尽快上马,北京站的设备和人员都是安置在几个棉帐篷里。西安站利用原有的几间旧瓦房作为中心机房(安放接收机和控制终端设备),临时搭建了一个8平方米左右的“窝棚”作为发射机房。每个站的两个菱形天线架在农田里,每个天线要占地4个篮球场那么大。为了避免本站的大功率发射机干扰自己的高灵敏度接收机,收发的工作频率间隔设定为4MHz,收发天线在垂直于通信路径的方向上分开配置,而且相距200米以上。

“这套在1965年研制成功的基于电子管分立元件的全双工流星余迹通信系统的代号取名为HX-101A,HX代表红星,101表示主要承研单位101研究室,A代表第一代”

记  者:20世纪60年代初正是国家比较困难的时期,科研环境、设备配置等方面曾经受到哪些影响?

刘增基:测量仪器缺少。当时全校有一个仪器室,最好的示波器的频率响应只有5MHz。试验中我们用的主要仪器是低频示波器、真空管电压表、万用表等。

在参试人员方面,除了技术总负责人杨千里同志是讲师以外,其余都是教员,还有一批来自通信团的战士。在1961年,我到沙井村试验站开始工作的时候,那里只有吴海洋和我两位教员(我还在见习期),其余都是战士。那时在北京也只有三位教员和多名战士。所以最大的困难还是缺人才。

说了这么多不利条件之后,现在让我来谈谈有利条件。第一,当时我们都是解放军的一员,粮食供应是确保的,吃饱饭不存在问题;第二,我们都年轻,有学习和奋斗精神;第三,领导重视,大力支持(欧阳文院长就去试验站多次)。由于有这些有利条件,在1961至1962年,全国执行中共中央“调整、巩固、充实、提高”八字方针的大气候下,大跃进期间盲目上马的许多项目都下马了,而这个项目还是坚持下来了。除了上级领导重视以外,对于该项目的坚持干下去,当时一系主管科研工作的参谋丁如琏和红星组组长吴海洋同志起了关键作用。后来在成功完成了流星余迹通信系统的研制任务之后,丁如琏成为全国工业学大庆标兵,吴海洋当选为全国人大代表,都是受之无愧的。

记  者:请您简要回忆一下,60年代初期,研发团队是如何工作的呢?

刘增基:我初到试验站后,一边学习和消化资料,一边参加试验工作,维修试验设备,观察流星信号和实际通信效果。从1961年至62年北京至西安单向传输试验报文的效果来看,一是通信量较少,二是差错率高(几乎每次流星末尾都有若干个字符出错)。为了有更多的机会进行观察,我们往往在凌晨1~7点试验。经过一段时间的反复观察之后,我开始认识到差错的主要原因,写了一篇文章,题目是“流星余迹通信体系中的控制设备及迟延分析”,后来发表在《电子学报》上。但当时还没有想出解决此问题的有效方法。

1962年暑假期间,系里请胡征教授和樊昌信老师(当时的职称是讲师)到沙井村试验站调研和指导工作。樊老师在那里蹲点了一周时间。针对当时的情况,他们建议,还是从基础抓起,我们一致同意。于是着手准备流星余迹传播规律的研究。胡征老师给了我一本关于统计数学的英文书。我很快读完了这本书。按照该书提供的数理统计方法,我用了一周时间写出了“流星余迹前向散射传播测试方案”,确定了需要测试的项目、每个项目的测试方法、所需的设备、数据记录及整理的方法等。经过樊老师审阅和修改后就定下来了。接着就开展准备工作。遇到的第一个问题是用如何记录流星余迹散射信号。首先要从接收机中引出接收信号强度指示(RSSI)信号,这很容易就做到了。然后我们想到利用心电图记录仪来记录RSSI信号。当时的心电图记录仪是单线的,频率响应可到20Hz,完全满足要求。另外,又从学校物资处的库房里找到几台旧的电子计数器,经过修理用来自动记录每小时流星信号超过特定门限电平的次数(即流星信号发生率)。通过人工分析心电图记录仪纸带上记录下来的原始波形,我们可以得到流星信号的间隔时间分布、持续时间分布、峰值振幅分布、信号发生率、工作比(可用时间百分数)及其与门限电平的关系等一系列反映传播规律的统计结果。

为了全面掌握传播规律,决定在1963年进行一年的测试。而在这之前,要进行一个月左右的预备性试验和测试,以检验各项测试设备和测试方法是否符合要求。在1962年的11月和12月期间,我们开展了预备性的传播测试工作。由北京站连续发送受单音频调制的射频载波信号(40MHz附近),西安站连续接收和记录。在那段时间,有几天正巧遇上了流星雨(狮子座流星雨等),一个个大流星接踵而来,每个持续时间都长达几十秒,让我们兴奋不已。

图2 流星余迹散射接收信号强度随时间变化的记录样品

1963年,我们对流星余迹的传播规律进行了一年的测试研究。除了设备(主要是发射机)故障时间以外,都连续开机发射和接收。所有原始记录都保存下来,通过人工分析得到厚厚一本“流星余迹前向散射传播测试资料”。1962至63年期间,为了加强研究力量,从系里陆续调来缪锦标、荣彰涛、张震、包洲等教员。63年的传播测试及资料分析工作,主要是在张震老师的主持下通过多位战士的坚持不懈的努力完成的。与此同时,我们在酝酿一个完整的流星余迹全双工通信系统的方案。吴海洋负责总体和终端设备,我参与总体研究侧重负责信道和通信控制、荣彰涛负责天线、缪锦标负责发射机。包洲老师来得稍晚,也参与总体及通信控制的研究。

记  者:当时科研环境、配置等方面都比较落后,那如何解决这些问题呢?

刘增基:首先遇到的问题是采用什么样的天线。1960年建立的系统是一套试验样机,一个方向传输控制指令,另一个方向传输报文。为了尽快上马,作为权宜之计,发射和接收天线都采用了菱形天线。菱形天线的增益是比较高的(17dBi),但方向图的付瓣较多,主瓣太尖锐(只有9度左右,而一般17dBi增益的天线,其波束宽度应接近20度),也就是有相当一部分能量发射到不该去的方向了。另外,架设完毕后波束指向(包括方位角和仰角)不能动。而可用流星余迹出现概率最大的空域是位于大圆路径两侧10~20度,离地80~120千米的区域(即所谓流星热区)。因此,如果不能实现可控天线波束的话,天线的水平平面方向图应该覆盖40度左右的范围,而铅垂平面的方向图只要覆盖80~120千米高度的范围就可以了。基于以上想法,我在一次闲聊中建议荣彰涛老师设计一种双层八木天线,通过压缩铅垂方向图来提高天线增益,而且要便于升降和旋转。后来荣老师完成了双层七元八木天线的设计,由校实习工厂制造出来,再经荣老师的精心调试搞成了。该天线安装在可人工升降的铁塔上,可调高度范围约为4至32米,增益13dBi,水平平面波束宽度约30度。共做了四副,每端两副(一收一发)。完成时间大概是1964年的年底。

再一个问题是发射机和接收机的问题。我们需要的是数字通信的设备,而当时数字通信的概念还没有传到中国,可利用的现成无线通信设备(所谓报话机)只能支持电话和人工莫尔斯码电报业务。在这种条件下,我们选择了一种天津712厂生产的超短波电台A130(仿苏联的P-105电台)。其工作频段是36~46MHz,正好合适;调制制度是窄带调频,频偏7~8kHz,其接收部分的通频带宽度是25kHz,支持话音通信;其发射部分输出功率1瓦,可作为发射机的激励器。该电台是成熟产品,工作十分可靠。为了传输快速电报信息(即数字信息),我们将传输码元速率定为2000波特,采用“二相码”的基带码型(后来知道国际上叫Manchester码),使其频谱与话路频带(300~3000Hz)基本吻合。这样,一部A130电台用作接收机,另一部A130电台用作发射机的激励器,而发射机的大功率放大器需要自行研制。缪锦标老师担负了发射机的研制任务。大约在64年的年底由缪老师设计、校实习工厂制造的两台发射机做出来了。该发射机的末级功放采用金属陶瓷管,调谐回路采用真空可变电容器,输出功率分两档,全功率:1千瓦,半功率:500瓦,整机重量(包括电源)估计有300千克。

从调制与解调技术的角度看,当时采用的是连续相位调频,已调信号的包络是恒定的。这种信号形式可以让发射机的功放工作到饱和点。但所用的限幅鉴频的解调方法存在门限效应(相干解调法尚未提出),在解调器输入信噪比低于门限值(约10dB)时输出信噪比迅速恶化。受内部噪声限制的接收机灵敏度为1.5微伏(近似于-104dBm),对于2000波特的传输速率而言,是比较低的。然而这种解调方法潜在的“宽-限-窄”抗脉冲干扰的机制,对于降低来自接收机外部的工业干扰是有用的。

再一个问题是通信控制问题。如前所述,系统需要尽可能充分地利用流星余迹存在的瞬间进行高速的信息传输,因此就存在如何实现通信控制的问题。那时国际上普遍采用的是“门限控制”法,即在接收信噪比低于特定的门限时停止信息传输,让系统处于等待状态,同时不断发送探测信号和存储待发报文;而当检测到信噪比高于门限时要立即进行高速的突发传输。由于在流星余迹生存期的末尾接收信号强度迅速下降,而停止传输有一个过程,存在一定的迟延(包括路径传播迟延和控制指令识别迟延),所以在每次流星末尾往往发生传输差错。当然只要提高门限值就可以减小差错率,但这会缩短了可用时间,而且这样做并不能解决外界干扰引起大量差错的问题。于是我们提出“门限控制与差错控制相结合”的方法。其基本思想是:突发传输的启动仍然保留门限控制,报文传输启动后只要不出现差错就不停止,一旦发现了差错就暂停传输,每次启动后先重传上次停止传输前发送的若干个码组,然后再发新的码组。

为了实现这种控制方法,我们设计了全新的通信控制器。其中的数字逻辑电路都是采用电子管和电阻、电容等分立元件构成的。主要部分是48个双稳态触发器构成的移位寄存器,还有计数器、状态控制电路等。这个通信控制器的外形像一个写字台,内部装上接近一百个插件,每个插件上装一个触发器或若干个门电路。每个插件的大小与一册厚的32开的书本差不多。控制台的面板上有许多指示灯,用来指示各触发器的状态及系统的工作状态,还装上许多按键,用于发送特种符号。

最后是通信终端的问题。当时的电报终端设备叫做电传打字机(又叫印字电报机),可以发报也可以收报。另外还有一种专用于发报的纸条发报机。这些设备的传输速率都是50波特,采用起止式同步。而我们需要的突发传输速率是2000波特。因此要有一个发送终端,实现低速输入高速输出;要有一个接收终端,实现高速输入低速输出。这种速率转换的功能只得靠存储器来实现。根据当时的设备条件我们选择了磁心存储器,利用磁心被磁化后的剩磁状态来存储二进制信息“0”或“1”。根据使用部门提出的常用报文长度,我们确定每个存储器的容量为100个汉字(每个汉字用4个十进制数码组成,长度为20比特),即2千比特。磁心存储器的缺点是容量小,而且不能边存边取,存满后才能取,取空后才能存。这样,在待发报文正在低速输入存储器期间出现的流星就不能利用;存储器存满以后也要发出告警信号,要立即停止突发传输。为了缓解这一问题,我们仿照人脑的结构,将一个存储器分为两半,各存50个汉字(即1千比特),一半在低速输入时,已存满的另一半可以高速输出;或者一半在高速输入时,已存满的另一半可以低速输出。

所谓磁心实际上是一颗颗黄豆大小的铁氧体磁环。存储容量为1000比特的存储体要用1000个小磁环排成一个矩阵。穿过每个磁环至少有三条相互绝缘的导线,X方向和Y方向的驱动线,还有一条读出线穿过所有的磁环。我曾目睹过技术人员和工人师傅穿磁环,比绣花难上不知多少倍。这样,每部终端由磁心存储体和读写控制逻辑电路、读写信号处理电路等构成,装在一个单门的大机柜里。

在各个问题都有了解决方案的基础上,我们在1964年完成了各分机的设计,并由校工厂完成了加工制造。整个系统包括两端,每端的通信设备有两副双层八木天线、大功率发射机、接收机、控制台、发送终端机柜、接收终端机柜,还有纸条发报机、电传打字机等。经过室内联试,于1965年在北京与西安之间投入野外通信试验并获得成功。经过较长时间的双向通信试验,全天每个方向的平均通信量约为每分钟180字符,汉字的差错率小于千分之一,满足使用要求。需要说明,通信量的统计中扣除了Es层反射的贡献,每年的5到9月份在电离层的E区会不定期地出现电子密度很高的“电子云”,称为Es层,往往持续几十分钟至几十小时,在此期间可以进行连续高速的传输。

这套在1965年研制成功的基于电子管分立元件的全双工流星余迹通信系统的代号取名为HX-101A,HX代表红星,101表示主要承研单位101研究室,A代表第一代。这几个符号就刻在控制台的标识牌上。当然,仍然存在不足之处。作为多年亲身参加这一科研实践活动的一员,我内心并不很满意,更不值得自豪。

“在1960年代,我国的科研基本上处于独立自主,自力更生状态”

记  者:您前面说,在我们做这个系统之前,国外就已经有所研究了。那1965年咱们研制的系统与国外有无不同之处?

刘增基:在通信控制方面,我们提出了“门限控制与差错控制相结合”的方法,既大大减小了突发传输的差错率,又更有效地利用了流星余迹信道。在天线方面,我们设计和实现了更适合流星余迹信道特征的双层八木天线。

在1960年代,我国的科研基本上处于独立自主,自力更生状态。用相对落后的技术手段,去实现先进而复杂的电子信息系统,这就是当时我们的处境。1965年研制成功我国第一套全双工流星余迹通信系统是值得庆幸的,但如果我们当时能掌握更先进的技术,岂不可做得更好。

记  者:咱们第一套系统后来的发展又如何?

刘增基:1966年文化大革命开始,我们的科研工作中断了一段时间。直到1968年,重新开始但仍然时断时续。从1968年到1973年,主要做了控制终端设备小型化的工作,用晶体管分立元件取代电子管分立元件,两个终端大机柜加一个控制台缩小为一个小机柜,发送终端、接收终端、控制器和稳压电源各占一个抽屉。发射机、接收机和天线维持不变。这一套采用晶体管分立元件的流星余迹通信系统取名为HX101B,其电性能与HX101A基本相同。HX101B在1973年通过了六机部组织的技术鉴定。鉴定后决定试生产三套交付使用单位试用。

在试生产前我们又作了改进,解决了一些遗留问题。发射机交给无锡无线电厂生产,在发射机中采用了频率合成技术,显著提高了工作频率的准确度和稳定度。于是形成了第三代,取名为HX101C。这三套设备曾在全国建立了三条不同距离、不同方向的通信线路并进行试用。但由于设备复杂且可靠性不高,使用单位的人员难以掌握,我们的人将通信线路开通撤走后,一旦出故障,往往陷入瘫痪状态。

1975年,为了解决某些时间通信等待时间过长的问题,我们提出采用自适应变速的方法综合利用大小流星余迹和电离层散射的思想。鉴于当时的条件,仅采用了两档速率,高速2400比特/秒,低速75比特/秒。规定:在门限下进行低速传输,在门限上进行高速传输;不论是低速还是高速,都用检错重传(ARQ)的方法进行差错控制;在高速传输过程中,如果发生连续请求重传N次的情况,则转回低速。相应地,研制了新的调制解调设备、新的通信控制器、新的发送终端——采用光电输入的快速纸带发报机、新的接收终端——磁带机,还采用了多台电传打字机用来打印接收报文,天线仍然不变。这套系统取名为HX101D。1976年先后在北京——西安(920千米)、酒泉——阿克苏(1500千米)的无线线路上进行了野外通信试验。通信效果良好,低速基本连续。这套设备的数字电路全部采用国产的小规模集成电路器件,大部分是西安延河无线电厂生产的,一个芯片上一般集成了两个双稳触发器或四个与非门。HX101D型流星余迹与电离层散射通信设备曾获1978年全国科学大会奖。

1978年改革开放以后,技术条件逐步改善,学校引进了微处理器。101研究室在包洲老师的领导下又研制出了HX101E。E型机用微型计算机(当时是用Z80单板机)的技术来实现流星余迹通信的控制和终端功能,克服了存储容量受限的问题,使得系统的通信容量比C型机提高了两到三倍。

“2007年前后,李赞老师的科研团队与天线研究所、6905厂合作研制成功新一代全双工流星余迹通信系统”

记  者:上世纪六七十年代是一个特殊的时期,在那样一个艰难的环境里,是什么力量支持着您和您的同事从事科学研究的呢?

刘增基:就我个人而言,主要有这么一些因素吧。一是作为接受过西军电传统教育的人,有着强烈的事业心,不太计较个人得失,真的想为国家做点贡献;二是凭借自己的良心,是国家培养了我们,我们应该为祖国为人民服务,虚度年华,总是觉得过意不去!另外,也出于对科学技术的兴趣,有了问题总要想方设法去解决,始终不满足现状。

记  者:进入新世纪后,我校在相关领域有哪些研究进展?

刘增基:在人造地球卫星出现以后,流星余迹通信系统的地位和作用明显下降。这是因为在地球赤道上空35800千米的同步卫星,它辐射的无线电波可以覆盖地球表面的三分之一,利用三颗这样的卫星就可以覆盖全球,卫星通信不仅通信距离远,而且是面覆盖,可以在广大区域内组网,既可以构成国际通信网,也可以构成国内通信网。

但卫星通信也存在不足。卫星通信系统建设的成本高,在现代技术条件下,卫星转发器的抗干扰性和抗毁性不强。所以,进入二十一世纪又有了启用流星余迹通信的特殊需求。同时,随着编码调制技术、超大规模集成电路技术和计算机技术的发展,流星余迹通信系统又有了提升的空间。在上级主管部门的支持下,我们学校又开展了新一代流星余迹通信系统的基础性研究。在2002年前后ISN国家重点实验室的金力军老师等开展了关键技术的预先研究。西电还派出多名博士生赴南极考察,与日本某大学合作研究极区的流星余迹传播规律和通信试验情况。因同步卫星的电波不能覆盖极区,在那里远距离的通信只能依靠短波电离层反射通信和流星余迹散射通信。2007年前后,李赞老师的科研团队与天线研究所、6905厂合作研制成功新一代全双工流星余迹通信系统。该系统的主要特点有:(1)设计并实现了基于大规模集成电路(ADC、DSP、ARM等)的软件无线电平台,便于实现不同速率的多种编码、调制方式;(2)设计并实现了新的链路通信协议和具有多档速率的自适应变速通信体制;(3)在射频部分采用了双工滤波器,从而使收发天线之间的间距缩小到50米、收发的频率间隔缩小到1MHz左右。该系统在国内多条南北取向的线路上完成了野外通信试验。在发射功率300瓦的条件下,获得与HX-101C相当的通信性能。

图3 新一代流星余迹通信系统设备(外形图),现存于西安电子科技大学博物馆

责任编辑:王格
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