FM?CDR與航空無線電導(dǎo)航ILS VOR兼容性研究

海霞　郭燁　盛國芳　李瀚卿　潘長勇

摘 要： 調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播FM?CDR與航空無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)的兼容性研究對于推動地面數(shù)字廣播在我國的大規(guī)模推廣至關(guān)重要。在此分析不同頻率下的數(shù)字音頻廣播對航空無線電導(dǎo)航信號可能產(chǎn)生的干擾情況，并在綜合國內(nèi)外對FM，DRM，HDRadio等音頻廣播技術(shù)相關(guān)兼容性研究課題的基礎(chǔ)上，提出可以用于實際開展的兼容性測試方案。通過選取設(shè)備、搭建平臺、初步測試、數(shù)據(jù)收集以及統(tǒng)計分析，驗證了該測試方案的合理性，并且得到了干擾信號與欲收信號同頻條件下FM?CDR與ILS，VOR業(yè)務(wù)之間的兼容性情況。

關(guān)鍵詞： FM?CDR； 航空無線電； 兼容性測試； 地面數(shù)字廣播

中圖分類號： TN966+.3?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）10?0005?05

Abstract： It is very important for promotion of the large?scale popularization of digital terrestrial broadcasting in China to research the compatibility between the FM?CDR and aeronautical radio navigation services. The interference possibly generated by digital audio broadcasting at different frequencies on aeronautical radio navigation signal is analyzed. On the basis of the relevant compatibility research subjects of FM， DRM， HDRadio and other audio broadcasting technologies， a compatibility test scheme is presented， which can be applied to the actual mission. The rationality of the test scheme was verified by means of device selection， platform construction， preliminary test， data collection and statistical analysis. The compatibility between the FM?CDR and aeronautical radio navigation systems （ILS and VOR） at a same frequency of the receiving signal and interference signal was obtained.

Keywords： FM?CDR； aeronautical radio； compatibility test； digital terrestrial broadcasting

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類已經(jīng)進(jìn)入了突飛猛進(jìn)的信息時代，傳統(tǒng)的廣播技術(shù)正面臨著互聯(lián)網(wǎng)傳媒、移動互聯(lián)網(wǎng)廣播等多種信息渠道的挑戰(zhàn)，模擬調(diào)頻、調(diào)幅廣播技術(shù)已經(jīng)難以滿足廣大用戶日益增加的使用需求，廣播數(shù)字化是音頻廣播發(fā)展的必由之路。數(shù)字音頻廣播技術(shù)是廣播數(shù)字化的技術(shù)基礎(chǔ)。通過引入先進(jìn)的數(shù)字編碼、調(diào)制、傳輸?shù)燃夹g(shù)，數(shù)字音頻廣播技術(shù)可以在音頻質(zhì)量、頻譜利用率以及覆蓋范圍等方面全面優(yōu)化現(xiàn)有音頻廣播技術(shù)的使用性能[1]。

從20世紀(jì)80年代開始，國際上陸續(xù)出現(xiàn)了Eureka?147 DAB，DRM以及HDRadio等多種標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)方案。但是經(jīng)過研究與小規(guī)模的先導(dǎo)網(wǎng)試驗后發(fā)現(xiàn)，國際上的數(shù)字廣播標(biāo)準(zhǔn)在國內(nèi)應(yīng)用存在頻譜資源緊缺、接收機(jī)價格昂貴、專利授權(quán)等諸多問題。因此，在國家廣電總局的統(tǒng)一指導(dǎo)下，我國開始了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)字音頻廣播技術(shù)FM?CDR的體系研究[2]。目前調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播FM?CDR信道和復(fù)用標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)布，并且由國家廣電總局發(fā)起，于2014年12月啟動了中央廣播電視節(jié)目無線數(shù)字化覆蓋工程[3]，相關(guān)技術(shù)得到了初步的應(yīng)用，F(xiàn)M?CDR在我國的大規(guī)模推廣指日可待。

調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播的工作頻段在87～108 MHz，根據(jù)我國無線電頻段分配標(biāo)準(zhǔn)，與航空無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)相鄰。在108～118 MHz頻段的航空無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)有2個不同的系統(tǒng)：儀表著陸系統(tǒng)（Instrument Landing System，ILS）和全向信標(biāo)系統(tǒng)（Very High Frequency Omni?directional Range，VOR）。其中，ILS信號的航向信標(biāo)部分工作頻率范圍為108～111.975 MHz，VOR工作頻率范圍為108～117.950 MHz。ILS與VOR航空導(dǎo)航業(yè)務(wù)的準(zhǔn)確性影響著飛機(jī)的導(dǎo)航、降落、定位以及正常航行，更關(guān)系到飛行員飛行的安全，因此，保障航空無線電導(dǎo)航信號不被相鄰頻帶的廣播信號干擾至關(guān)重要。為了確保兩種業(yè)務(wù)在大規(guī)模應(yīng)用時能夠互不干擾，分析相鄰頻帶上的數(shù)字音頻廣播與航空無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)的兼容性是非常必要的。本文通過分析數(shù)字音頻廣播對航空無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)可能產(chǎn)生的干擾情況，并綜合了國內(nèi)外對音頻廣播DRM，HDRadio等與航空無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)兼容性相關(guān)的研究基礎(chǔ)，制定了對應(yīng)的FM?CDR兼容性測試方案，并開展了初步的研究與測試。

1 音頻廣播對航空無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)的干擾

考慮到頻譜的分布特點以及接收機(jī)的射頻特性，通過對數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)與航空無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)系統(tǒng)的分析，音頻廣播與航空無線電導(dǎo)航的干擾主要包括A1，A2，B1，B2四種類型[4]。A類干擾是由一個或多個廣播發(fā)射機(jī)在航空頻段的無用發(fā)射引起的，單個發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的雜散發(fā)射或者幾個廣播發(fā)射機(jī)互調(diào)而在航空頻段上產(chǎn)生的頻率分量，稱之為A1型干擾；一個廣播信號可能包括落在航空頻段內(nèi)的不可忽略的頻率分量，稱之為A2型干擾。B類干擾是指工作在航空頻段外的廣播發(fā)射在航空接收機(jī)上產(chǎn)生的干擾，航空頻帶以外的廣播信號使得接收機(jī)進(jìn)入非線性，可能會在航空接收機(jī)內(nèi)產(chǎn)生交互調(diào)制，稱之為B1型干擾；航空接收機(jī)的射頻部分被一個或多個廣播發(fā)射變?yōu)檫^載狀態(tài)時，可能產(chǎn)生靈敏度降低的情況，稱之為B2型干擾。這四種類型的干擾可以反映不同頻率組合下的業(yè)務(wù)之間兼容情況，不同類型干擾的機(jī)理不同，因此其對應(yīng)的干擾特性也有差異。為了對四種類型的干擾進(jìn)行研究，在實驗測試中需要全面模擬四種干擾類型的情況，并在之后的總結(jié)與分析中對比四種類型干擾的特點。

2 國內(nèi)外研究綜述

在建立調(diào)頻廣播FM的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之時，國內(nèi)外就曾對相鄰頻帶上的音頻廣播業(yè)務(wù)與航空業(yè)務(wù)的兼容性進(jìn)行了深入的研究，國際電信聯(lián)盟第1小組在1995年發(fā)布了有關(guān)FM與航空無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)的兼容性的相關(guān)建議書SM1009，具體闡釋了FM對航空無線電業(yè)務(wù)產(chǎn)生干擾的原理與可能產(chǎn)生的干擾類型，并根據(jù)測試與分析提出了相關(guān)的兼容性分析標(biāo)準(zhǔn)[4]。據(jù)此，國際電信聯(lián)盟第1小組在1995年還發(fā)布了用于判定87～107 MHz頻帶廣播業(yè)務(wù)與108～118 MHz頻帶航空業(yè)務(wù)的兼容性以及測定航空接收機(jī)特征的測試規(guī)程的建議書SM1140，對研究FM與ILS/VOR業(yè)務(wù)的兼容性提供了標(biāo)準(zhǔn)的測試方案[4]。

自國外相繼出現(xiàn)Eureka?147 DAB，DRM，HDRadio等數(shù)字音頻廣播技術(shù)之后，國外研發(fā)機(jī)構(gòu)曾對這些系統(tǒng)與航空無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)之間的兼容性進(jìn)行了測試與分析，比較典型與完整的是慕尼黑無線電監(jiān)測站于2007年9月進(jìn)行的DRM120，DRM+和HDRadio對FM廣播、窄帶FM（BOS）及航空無線電導(dǎo)航的干擾測試，慕尼黑無線電監(jiān)測站分別對比了DRM，HDRadio等數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)以及FM調(diào)頻廣播系統(tǒng)對相鄰頻帶業(yè)務(wù)的干擾，并對業(yè)務(wù)之間的兼容性給出了定量以及定性的結(jié)論，對于指導(dǎo)建立DRM，HDRadio等數(shù)字音頻廣播技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)提供了重要建議與參考[5]。

為了研究調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播FM?CDR與航空無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)的兼容性，本文主要借鑒了國際電聯(lián)建議書SM1140中的航空接收機(jī)的相關(guān)測試規(guī)程，并以慕尼黑無線電監(jiān)測站所得到的測試為參考，制定了用于測定FM?CDR與航空無線電ILS，VOR業(yè)務(wù)兼容性的測試方案。

3 兼容性測試方案

為了研究在87～108 MHz頻率范圍內(nèi)的數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)FM?CDR與108～118 MHz相鄰高頻段的航空無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)ILS，VOR的兼容性問題，在本測試中，干擾信號是FM?CDR音頻廣播信號，欲收信號是航空無線電導(dǎo)航ILS與VOR信號。為了達(dá)到預(yù)定的測試目標(biāo)，本文設(shè)計了兼容性測試系統(tǒng)框圖如圖1所示。

3.1 干擾信號發(fā)生與參數(shù)設(shè)置

FM?CDR系統(tǒng)提供了靈活的頻譜模式，不同地區(qū)可以根據(jù)所在地區(qū)的頻譜資源、臺站設(shè)備等情況選擇相應(yīng)的頻譜模式，其中最常見的頻譜模式是模式9數(shù)/模同播廣播和模式1全數(shù)字廣播。

頻譜模式9為數(shù)/模同播模式，數(shù)字信號的帶寬不連續(xù)，數(shù)字音頻廣播信號的總帶寬為100 kHz，由兩個帶寬各為50 kHz的數(shù)字信號組成，在數(shù)字音頻廣播信號頻段中間是立體聲調(diào)頻廣播。

頻譜模式1為全數(shù)字模式，數(shù)字信號的帶寬連續(xù)，適用于在調(diào)頻廣播全部數(shù)字化以后或者頻譜資源不緊張的地區(qū)采用。如圖3所示。

在本測試方案中，為了對FM?CDR與航空無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)的兼容性進(jìn)行全面的分析與測試，F(xiàn)M?CDR選擇最具代表性的模式1與模式9進(jìn)行方案設(shè)計并開展測試。其中，在模式9狀態(tài)下，模擬音頻源采用立體聲信號發(fā)生器產(chǎn)生的粉色噪聲，立體聲調(diào)制信號左右信道相位相同，且信道之間存在6 dB的電平差異，信號的頻偏選用±32 kHz和±75 kHz準(zhǔn)峰值頻偏，數(shù)字信號由FM?CDR激勵器產(chǎn)生[4]。FM?CDR激勵器如圖4所示。

3.2 欲收信號發(fā)生與參數(shù)設(shè)置

本測試方案主要針對ILS與VOR這兩項航空無線電業(yè)務(wù)，欲收信號分別是ILS信號與VOR信號。

測試擬采用的欲收信號發(fā)生器為IFR?2030航空標(biāo)準(zhǔn)信號源。如圖5所示。該信號源可以支持AM，F(xiàn)M以及脈沖調(diào)制，并且可以產(chǎn)生ILS與VOR航空標(biāo)準(zhǔn)信號，該信號源的載波頻率分辨率為0.1 Hz，RF輸出為0.1 dB。在此利用IFR?2030航空標(biāo)準(zhǔn)信號源產(chǎn)生相應(yīng)的欲收信號，同時為欲收信號設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)：

（1） ILS信號標(biāo)稱調(diào)制參數(shù)為：20%調(diào)制度，理想下滑道標(biāo)稱配置為0.093；

（2） VOR信號標(biāo)稱調(diào)制參數(shù)為：30%調(diào)制度，相位偏移[4]設(shè)為0。

在本方案中，當(dāng)進(jìn)行ILS業(yè)務(wù)兼容性測試時，設(shè)置ILS信號發(fā)射頻率為108.1 MHz，接收機(jī)輸入功率為-86 dBm；當(dāng)進(jìn)行VOR業(yè)務(wù)兼容性測試時，設(shè)置VOR信號發(fā)射頻率為108.2 MHz，接收機(jī)輸入功率為-79 dBm。

3.3 測試接收系統(tǒng)

測試接收系統(tǒng)由測試接收機(jī)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)組成，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可以對接收機(jī)接收到的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理與評估，得到干擾程度的判定結(jié)果。

由于音頻廣播的頻段可以延伸至108 MHz左右，選用的航空接收機(jī)必須滿足國際民用航空組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）規(guī)定的抗FM干擾相關(guān)特殊要求。對于當(dāng)前兼容性測試，擬選用RNA?34BF VOR/ILS飛行校檢接收機(jī)，該接收機(jī)是Honeywell公司生產(chǎn)的，用于精確測量VOR以及ILS空間信號而設(shè)計的全數(shù)字通信導(dǎo)航設(shè)備。RNA?34BF內(nèi)部設(shè)置了相應(yīng)的ILS與VOR模塊，可以提供完整的航向信標(biāo)與精確飛行方位信息。

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元組成。航空接收機(jī)的輸出可通過ARINC 429總線連接到數(shù)據(jù)采集單元。數(shù)據(jù)采集單元可通過ARINC 429板卡利用LabViewRT實時操作系統(tǒng)對接收機(jī)的輸出進(jìn)行采集并利用GPS的PPS秒脈沖進(jìn)行高精度的數(shù)據(jù)同步，最后對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀并通過網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)送至數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)處理單元通過解析網(wǎng)絡(luò)幀數(shù)據(jù)對接收到的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，繪制數(shù)據(jù)曲線，評估測量結(jié)果并保存文件。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)如圖6所示。

根據(jù)航空無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)的失效判定標(biāo)準(zhǔn)，中心誤差為標(biāo)準(zhǔn)偏差的5%，為數(shù)據(jù)處理單元制訂了相應(yīng)的測量結(jié)果評估方法。在接入干擾信號前，首先對航空無線電系統(tǒng)本身的穩(wěn)定性進(jìn)行評估，接收機(jī)采樣1 000個樣本數(shù)據(jù)，計算其標(biāo)準(zhǔn)差σ。接入干擾信號后，接收機(jī)采樣1 000個樣本數(shù)據(jù)，不斷調(diào)整可調(diào)衰減器的衰減量，如果多于50個樣本數(shù)據(jù)超過相應(yīng)的判決門限，則判定已經(jīng)達(dá)到了超限干擾。據(jù)此，設(shè)計與開發(fā)了相應(yīng)的評估軟件，可用于實際測試中的數(shù)據(jù)處理與分析。數(shù)據(jù)評估軟件如圖7所示。

4 測試方案的驗證

根據(jù)測試方案，對同頻情況下的調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播FM?CDR與ILS，VOR業(yè)務(wù)的兼容性進(jìn)行測試與分析，以驗證本文所提出的兼容性測試方案的合理性。

本文選取了A1類干擾情況下與航空無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)同頻的音頻廣播進(jìn)行相應(yīng)的兼容性測試。

選取發(fā)射頻率為108.1 MHz，接收機(jī)輸入功率為-86 dBm的ILS信號作為欲收信號，分別選取頻率為108.1 MHz的±32 kHz，±75 kHz頻偏的調(diào)頻廣播、模式1數(shù)字音頻廣播、±32 kHz，±75 kHz頻偏的模式9數(shù)字音頻廣播作為干擾信號，記錄每一組實驗條件下的接收臨界功率，并計算得到相應(yīng)條件下ILS業(yè)務(wù)所需要的保護(hù)比（保護(hù)比=航空無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)功率/音頻廣播接收臨界功率），得到如表1所示的測試試驗結(jié)果。

通過分析圖像可以得到如下結(jié)論：

（1） 在音頻廣播與航空無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)同頻情況下，±32 kHz頻偏的音頻廣播的保護(hù)比高于±75 kHz頻偏的音頻廣播，頻偏越小、干擾越強(qiáng)；調(diào)頻廣播與數(shù)/模同播音頻廣播的干擾強(qiáng)度基本一致，頻譜模式1數(shù)字音頻廣播的干擾最小，這是因為頻偏越小的音頻廣播，能量更加集中，對同頻的航空無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)干擾更強(qiáng)。

（2） 在音頻廣播與航空無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)同頻情況下，同樣的測試條件下，VOR業(yè)務(wù)所需的保護(hù)比更高。因此VOR業(yè)務(wù)抗音頻廣播干擾的能力弱于ILS業(yè)務(wù)，在臺站設(shè)置時，應(yīng)優(yōu)先考慮與VOR業(yè)務(wù)之間的兼容情況。

以上測試驗證了本文設(shè)計的兼容性測試方案的合理性與可行性，但是在之后的研究中，仍需進(jìn)一步研究各種頻率關(guān)系下的干擾情況，從而形成完整的FM?CDR與航空無線電導(dǎo)航ILS與VOR業(yè)務(wù)的兼容性結(jié)論。

5 結(jié) 語

音頻廣播數(shù)字化是音頻廣播發(fā)展的必然趨勢，F(xiàn)M?CDR作為中國發(fā)展中的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)字音頻廣播標(biāo)準(zhǔn)，在大規(guī)模應(yīng)用之前，對FM?CDR與相鄰頻帶上的航空無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)的兼容性研究是非常重要的，在未來的時間內(nèi)，有必要為這一兼容性提供更加全面的定量數(shù)據(jù)與定性的結(jié)論，并將這一成果充分的體現(xiàn)在FM?CDR的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，保障航空無線電業(yè)務(wù)不受干擾。

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