第二章 坦克通信系统的设计技术
第一节 简介
一、坦克装甲车辆通信系统组成与要求
（一）坦克装甲车辆通信系统组成
坦克装甲车辆（以下简称车辆）装有通信系统，具有通信能力，这是车辆自身及作战指挥的需要。车辆通信包括车际通信和车内通信。车际通信是指车与车之间的通信以及车与地面指挥所之间的通信；车内通信是指车内乘员之间，也包括车内乘员与车外搭载兵之间的通信联络，还包括停止时车辆之间的有线通信联络。车际通信是车辆通信的主体，是战场战术通信的一部分。
车辆通信系统包括车载式无线电台和车内通话器。前者用于车际通信，后者供车内乘员之间通话联络。车载电台由收发信机、天线及调谐器等组成。车辆通信中应用的某些终端设备，如传真机、汉字终端等设备，是通用终端设备，不属于车辆通信系统。车内通话器主要由各种控制盒、工作帽（音频终端）和连接电缆等组成。电台和车内通话器在车内总是配置成系统使用。图2-1是车辆通信系统示意图。
图2-1 车辆通信系统示意图
（二）坦克装甲车辆通信的特点
与其他军事通信相比较，车辆通信有五个特点。
1.话音通信为主
车辆通信发展是以话音通信开始的，传统上话音通信一直占主要地位。在战场上，尤其是在战斗中，由于直接、方便和快速等特点，话音通信更是车辆通信的主要方式。随着现代通信技术的发展，目前部分车辆通信系统已经具备了话音、文件、数据和图像等通信能力，但通信系统的硬件与软件都保证在任何情况下，话音通信具有优先权，以满足作战指挥的需要。
2.运动中通信为主
坦克装甲车辆是机动性很高的武器装备。在战场上，车辆经常处于运动状态，这就决定了车辆通信经常需要在运动中进行。尤其是在越野行驶时，颠簸、振动十分厉害，只有话音通信能继续进行，且通信效果受影响，其他通信方式无法正常进行。
3.存在同台多机问题
坦克装甲车辆中有一部分车辆负有指挥任务，如指挥坦克、各种装甲指挥车等，这类车辆中装有多部电台，而且这些电台往往需要同时开机工作。由于车辆顶甲板面积有限，电台天线之间的距离拉不开，车内几部电台同时工作时就可能产生大信号阻塞现象，造成车内几部电台之间的互相干扰，这就是车辆通信中特有的“同台多机”问题。正是这个问题限制了非正交跳频通信技术在车辆通信中的应用。
4.通信环境恶劣
由于车内空间狭小，通信设备的安装位置受到限制，乘员操作使用不方便。车辆内噪声高达120dB，高噪声环境不仅会伤害乘员的听力，而且严重影响通信效果。车辆内部配备有强电设备，脉冲干扰源多，车内电磁环境十分复杂，车辆通信易受车辆自身干扰。
5.通信效果易受地理环境影响
无线电波的传播与其波长和地理自然环境有密切关系，地面固定（定点）通信可以通过选择有利地形、架设高增益定向天线等措施来改善通信条件，车辆通信则不具备这种条件。
（三）坦克装甲车辆的通信系统要求
对于车辆通信系统，除了满足一般军用通信装备的要求以外，还有以下特殊要求。
1.通信性能
装甲车辆的通信性能基本上取决于车载通信设备的性能，对装甲车辆通信性能的要求指标众多，习惯上仅选其中最重要的“通信距离”这一项来表示车辆的主要通信性能，这是因为通信距离反映的是指挥员在战场上实施指挥的有效控制范围。
在装甲车辆通信中，通信可靠度习惯上用可通率来表示，可通率指通信双方均可通的信道数与通话试验的信道总数之比值。把可通率为70%时的通信距离定义为车辆的“通信距离”，可通率为50%时的通信距离定义为“极限通信距离”。
2.通信系统在车内的布置与安装
为保证车辆的通信性能，通信系统在车内布置与安装应科学合理，如果通信系统在车内的布置位置不妥或安装不牢，电缆走向，捆扎不合理，接地点选择不恰当或接地不良等均可能使通信系统应有的功能与性能得不到发挥，造成车辆通信性能下降。例如：某坦克由于电台安装位置不当导致50%信道受计算机干扰，接地不良造成车内通话受干扰等。又如，移动组网通信要求电台的天线在水平面应具有无方向性，现在使用的车载鞭状天线本身是无方向性的，装到车上后会出现不同程度的方向性，即在某个方向上通信效果较好，而在别的方向上通信效果变差。这是由于车辆顶甲板不是理想地网，而且天线安装位置要综合考虑多种因素，不可能安装到顶甲板的几何中心的缘故。
3.车内电磁环境
车载通信系统对车内电磁环境要求比较高。由于车辆中电子设备的应用不断增多，使得车内电磁兼容性问题日益突出。十分复杂的车内电磁环境不同程度地影响了通信性能。
4.系统抗振性能
要求系统内的主要设备有坚实的机箱和减振防松措施，所有的模件、插件及电路板均须设置有防松脱的紧固装置，以便能抗高强度的冲击和振动。
5.系统抗噪性能
要求系统具有抗噪声通信能力。为此要求系统的音频输出电平较高，采用隔音耳罩、静噪与主动降噪等技术措施，以保证系统在高噪声环境下仍能进行正常的通信联络。
6.系统操作性能
要求系统操作简便，更换频道快速准确，不寻找、不微调。
二、坦克装甲车辆通信技术
（一）调幅通信技术
调幅即幅度调制（AM），它是无线电通信中最早使用的一种调制方式，为早期车载电台所采用，如前苏军的10-PT坦克电台和美军的SR-6车载电台。10-PT电台采用更换晶体的方法来改变电台的工作频率，且晶体体积较大，使用保管不方便。SR-6电台采用连续调谐的LC振荡器，频率稳定性差。
1.调幅原理
无线电通信是把高频（又称射频）正弦信号作为信息载体的一种通信方式。将需要传输的信息附加到载体上去的过程称为调制。所谓调幅就是用信息信号，如话音信号，去控制并改变高频正弦波（载体）的振幅，使之随话音信号的变化而变化，调制后的高频信号已经带有话音信息，称为调幅波。不带信息的高频正弦波称为载波，用于调制的信息信号称为调制信号。
调幅系数m=ΔIc/Icm是反映调幅波调制深浅程度的一个重要参数。这里Icm是载波的振幅，ΔIc是振幅变化的最大增量。
2.调幅波的特点
（1）调幅系数m不应大于1 虽然调幅系数m大些，有用信号能量随之增大，通信效果也会好一些，但是当m>1时就会产生调制失真，所以在理论上，任何情况下m值都不应大于1。但实际上m的大小是随调制信号（如话音）的大小则变化的。为了高保真地传输信息，平均调幅系数必须控制在远小于1的数值上，通常话音通信m平均值取0.3。
（2）调幅波存在上下一对边带 从频谱分析可知，理想载波（高频正弦波）只有一个频率成分，即载频fo。而一个由正弦信号调制的调幅波含有三个频率分量：载频fo、下边频fo-fΩ、上边频fo+fΩ，其中fΩ为调制信号的频率。这样一个调幅波所占据的带宽B=（fo+fΩ）-（fo-fΩ）=2fΩ，即调制信号频率的2倍。实际上调制信号，如话音信号，一般不是正弦波，它有无限个频率成分，其有效的部分集中在300～3000Hz范围，所以话音调制的调幅波存在上下一对边带。
（3）效率低 在上述分析的调幅波的三个频率分量中，只有上、下两个边频分量带有信息成分，载频分量不带有信息，载波所占的无用功率达75%（m=1）以上，而且与调幅系数m有关，当m=0.3时，载波所占无用功率达95%以上。两边频分量所带的信息是相同的，也分散了功率，因此调幅波的功率利用率很低。
调幅通信效率低的另一个原因是调幅发射机的效率低。为了减小失真和保证放大器件的安全，不得不提高放大管的安全系数，从而降低了效率。
（4）抗干扰性差 由于工业、电气干扰和雷电等自然干扰都反映到无线电信号的幅度特征上，这种干扰与有用信号混在一起，很难给予区分并消除。与调频和单边带通信比较，调幅通信的抗干扰能力最差。目前调幅只在无线电广播中仍被应用外，在军事通信中已被调频和单边带调制所取代。在车辆通信中，由于效率低、抗干扰性差，调幅电台早已被淘汰。
（二）调频通信技术
调频即频率调制（FM），它是广泛用于广播和军事通信的另一种调制技术，也是当前车辆通信中最主要的一种调制方式。俄罗斯的P-113、美军的VRC-12、英国的UK-353和中国的CWT-167等电台都是车载调频电台，其主要性能见表2-1。
表2-1 几种调频车载电台的性能
1.调频原理
调频就是用信息信号，如话音信号，去控制并改变高频振荡器的振荡频率，使之随调制信号的强弱作相应的变化，由于频率控制只能在振荡器才能实现，通常主振器就是频率调制器。调频系数mf=Δf/fΩ，是反映调频波调制深度的重要参数，其中Δf表示频偏，即载波中心频率fo的最大偏离增量，fΩ为调制频率。与调幅波不同，调频波的调制系数mf可以大于1。当mf≤2时称窄带调频，主要用于军事通信。车载电台用的就是这种窄带调频技术。当mf>2时称为宽带调频，主要用于高保真调频广播。
2.调频波的特点
①在一定的条件下，mf值大，通信效果好，抗干扰性强。这一点与调幅波相似。
②抗干扰性优于调幅波。由于调频波在解调之前可用限幅器来消除寄生调幅（干扰），具有一定抗干扰能力，且mf越大，抗干扰能力越强。
③调频波的带宽为频偏的两倍。理论分析结果表明，任何一个调频波的频谱是无限的，即占有无限宽的频带。但其有效能量总是集中在载频附近的有限带宽之内。而且其有限带宽与调频系数mf有关，当mf<1时，调频波只有一对有效边频，这时其有效带宽为2fΩ，与调幅波带宽相同。当mf=1～2时，第二对边频分量就相当大了，因此就有两对有效边频，此时其有效带宽为4fΩ。当mf>2时，有效边频对数恰好等于mf值，这时调频波带宽2mf·fΩ=2（Δf/fΩ）·fΩ=2Δf，即频偏的两倍。调频通信中，总是尽可能保持调制信号的稳定，以保持相对稳定的频偏。
④调频发射机效率高。由于调频信号是等幅波，放大管可以得到充分利用，在直流消耗相同的情况下，可以获得较大的射频输出功率。或者说，为了获得相同的射频输出功率，放大调频波可以用较小功放管，从而可以缩小发射机的体积和减轻重量。这对小型军用电台具有重大意义。
（三）单边带（SSB）通信技术
单边带调制技术是由调幅演变而来的。目前军用短波电台几乎全是采用的单边带调制技术。如TRC342、RF280、TCR99、CWT-176等电台。
1.单边带调制原理
在上述对调幅波的分析中已经知道，在调幅波中，载频是不带信息的，需要传输的信息只隐含在上、下两个边带中，而且上、下边带所含的是同一个信息，因此只需要传送一个边带信号就同样可以实现信息传输。这就是单边带调制的原理。对调幅信号进行滤波是获得单边带信号的最简单方法。
2.单边带调制的特点
与调幅比较，单边带信号的带宽只有调幅波的一半。射频功率利用率提高约9dB，这是单边带通信具有一定的抗干扰能力的主要原因。
（四）跳频通信技术
1.定频与跳频通信
无线电通信的双方必须同时使用同一个信道频率，否则就无法联络。在传统的无线电通信中，电台的信道频率总是保持相对稳定，故称为定频通信或单频通信，这种通信方式最大的问题是信道频率很容易暴露，只要通信任何一方发信，就很容易被敌方截收、测向及干扰，这对军事通信来说是个致命的缺陷。跳频技术是20世纪70年代末发展起来的一种有效的通信保护措施，它是一种具备抗测向、抗截收和抗干扰能力的新型通信体制。所谓跳频通信，就是在通信过程中信道频率不是固定的，而是快捷跳变的一处通信方式。收、发双方从这个频率跳到另外一个频率是自动、同步地进行，不需人为干预。频率跳变规律遵循一种十分复杂的伪随机码，未掌握编码规律的敌方截收极难，具有很好的隐蔽性。
2.跳频跨度与跳频增益
跳频通信的抗干扰性是牺牲了频谱利用率获得的。定频通信时一个信道所占的带宽约15kHz，跳频通信时工作频率范围可以达到几十兆赫甚至更宽。通常把频率跳变范围称为跳频跨度，定义跳频增益或扩频增益G为跳频跨度与信道带宽之比。增益越高抗干扰性越强。信道带宽取决于收发信机，使用时无法改变，而跳频跨度是可以改变的。在条件允许的情况下，应尽可能使用大跨度跳频。这样跳频增益高、抗干扰能力强。
3.非正交跳频与正交跳频
所谓非正交跳频，即同一个网群中各个跳频网之间没有任何制约关系，各自按自己的规律独立跳频。这就有可能两网跳到同一个频道上通信，即发生频率碰撞，这样两个网之间就产生相互干扰。如果是三个网同时工作时，则发生频率碰撞的机会（概率）就更多，干扰也就越严重。理论与实践表明，非正交跳频网间存在干扰，信道利用率只有30%。相对应的正交跳频网可以避免网间干扰，这是因为同一网群中的各个网之间互相有制约关系，确保在任何时刻，各网都不会跳到同一个信道上工作，因而不会发生互相干扰。这种网间存在的相互制约关系又称为同步，所以正交网又称同步网，非正交网又称为异步网。通常具有正交跳频能力的电台都能组成异步网通信，反之则不能。
4.大信号阻塞对跳频通信的影响
由于大信号阻塞引起的同台多机问题是车辆通信中的一个特殊问题。在定频通信中，同车几部电台工作频率的选择，只要保证彼此间隔大于电台的阻塞带，就可以避免互相干扰。在正交跳频组网通信时，只要跳频跨度足够大，合理选择同车电台的网号，也可以避免同车电台之间的互相干扰。但是对于非正交跳频通信，由于大信号阻塞带的存在，网间干扰不仅发生在频率碰撞时，而且只要落入阻塞带内就产生干扰，且后者的概率远大于前者。假如电台的大信号阻塞带宽为5MHz，在某个时刻某个跳频网工作在f频道，另一个网只要跳到f±5MHz范围内就会对f频道产生干扰。这就是非正交跳频不适用于车辆通信的原因所在。
（五）保密通信技术
保密通信是指信息在发送前进行技术加密处理，传到对方后再进行解密处理。例如话音保密通信是随时可以直接讲话，在发送出去之前首先把话音信号变成听不懂的信息，然后才用无线电波发出去，对方收到后首先进行解密处理，将加密信号变成可懂话音信号。对信息进行技术加密处理的方法有很多种，其中保密度高，最不易被破密的是数字加密法。
1.数字加密/解密基本原理
数字加密法首先要求被加密的信息必须是只有“0”和“1”两种状态的二进制数字信号，这里“0”可以认为是低电平，而“1”为高电平，反之亦可。假如信息不是数字信号，而是模拟信号，例如话音信号，则首先把模拟话音信号变成数字的话音信号。这种模拟变成数字的过程称为调制。数字加密的基本原理是利用一种十分复杂的伪随机码（也是二进制数字码），作为密码对原始数字信息进行处理（实际上是作模二加法），即可获得加密信息。如下式中a为增量调制所得二进制正弦数字信号；b为伪随机码，作为密码；将a与b进行模二相加得加密的数字正弦信号c。比较a与c，显然a≠c，如把c直接解调是不可能解得到正弦信号的。
a：信号 00001010111101010000；
b：密码 10110011100110100110；
c：加密信号 10111001011011110110；
d：解密信号 00001010111101010000。
收信方收到加密信号c以后，首先要进行解密，即从c解出a来，只有知道密码b，才能从c解得a。显然只有通信双方才知道密码b，收信方只要将c与b进行模二加法即可得d0比较a和d，看出a=d。解密完成，将d解调就得到正弦信号了。
2.数字加密的特点
数字加密最大的特点是保密度高。这是由于用现代技术产生的伪随机码的周期长达2125位，且随机性特别好。在战场上只要密钥不丢，硬件（如已清除了密钥的电台）丢失并不可怕。
（六）主动降噪技术
现代装甲车辆内部噪声高达120dB。这对车辆通信是个很大的威胁，而且极易损坏乘员听力。传统上采用带隔音耳罩的工作帽（或头盔），这种无源隔音耳罩的隔音能力有限，尤其对低频的隔音能力更差。即使戴上工作帽，乘员听到的噪声仍然超过安全门限值85dB。乘员为了听清通信话音，被迫加大通信设备的音量输出，其结果又加大了听力负担，这是恶性循环，严重影响通信效果。
主动降噪又称有源降噪。其基本原理是在耳罩中设置一个传声器（功能与话筒相似），用来采集初始噪声，然后对此作复杂处理，产生一个相位相反的所谓反噪声信号并通过耳机发出来，用以抵消初始噪声，其结果是进入人耳的噪声降低了。根据传声器在耳罩中的位置不同，有源降噪可分为两类：一是采集环境噪声的前馈式有源降噪；二是采集剩余噪声的回输式有源降噪。有资料说前者性能稳定且效果好，但从原理分析看，后者更有吸引力。目前由于高速运算和处理能力的可编程数字信号处理器（DSP）和自适应技术在有源降噪中的应用，降噪效果可达35dB。在车辆运行中使用有源降噪头盔通信，话音可懂度提高35%。
（七）车辆通信技术发展展望
随着科学技术与兵器技术的发展，未来战争对军事通信的要求越来越高，加上计算机技术的应用，已经或即将应用到车辆通信中的新技术就有卫星通信、扩频通信、网络通信、时分码分多路通信，以及自适应技术、闲置信道扫描、零位天线、模拟/数据信号自动识别与控制等，举不胜举。纵观国内外通信技术的现状与发展趋势，可以看出，多功能化、网络化和数字化是车辆通信技术发展的大方向。
三、车际通信指挥系统
车际通信指挥系统依托于坦克的通信设备，而通信设备则是坦克综合电子系统的重要组成部分，是车际通信指挥系统的基础硬件环节。从目前情况来看，车际通信指挥系统还是自成体系，没有与坦克综合电子系统很好地融合，因此，车际通信指挥系统的设计思想受到了很大的局限。车际通信是坦克自身多种关键信息的重要沟通渠道，只有将车际通信与车内通信有机地融合或者是建立密切的连接，坦克综合电子系统的潜在优势才会随着车际通信的发展而不断被发掘出来，车际通信系统才能扩展出各种各样的功能、手段。用人群的组织指挥来做个比喻，坦克电子综合化的建设就像是人体自身的神经系统的健全和发展，车际通信系统就像是人与人之间的语言交流功能，只有语言交流功能融合到神经系统中，正确表达集体与个体的意愿，人群的组织指挥才会焕发出无穷的战斗力。因此，在坦克综合电子系统设计中应包含车际通信指挥系统，同时，车际通信指挥系统的设计应融合到坦克综合电子系统设计中来。
借鉴国外装甲兵的通信指挥系统，如图2-2所示，车际通信指挥系统主要是以不同的频率来组成不同的指控网，实施团到营连排单车的指挥，其中单兵的指挥网也被考虑进来。
图2-2 装甲兵通信指挥网络
在构想中，未来的车际通信系统将以一个排或连为一个网络单元，不同的单元之间再组成网络，从而可以实现不同网络之间的通信，模式如图2-3所示。
图2-3 无线通信指挥网
由于采用超短波通信机制，数据传输率在理论上可达到16Kbit/s，但在实际应用中最高也就是9.6Kbit/s，而即使是在16Kbit/s的条件下也无法进行实时图像的传输，因此，如何发展宽带高速的数据传输系统应予以重点研究和探讨。
从通信组网的角度设想，以一个团为基本作战单元，其内部各要素节点诸如作战指挥、情报侦察、后勤保障等都涵盖在内，那么，一个简化的信息化指挥网络体系可以是如图2-4所示的结构。
图2-4 简化的信息化指挥网络体系