甚高頻通信互調干擾建模研究

□ 民航貴州空管分局技術保障部 張 蕾/文

隨著民航通信事業(yè)的飛速發(fā)展，VHF通信信道資源日趨緊張，電磁環(huán)境日漸惡劣，通信設備間的干擾也日益嚴重。無線電干擾類型有同頻干擾、鄰頻干擾、互調干擾、帶外干擾和阻塞干擾等，其中又以互調干擾對通信的危害尤為嚴重。當干擾發(fā)生時，飛行員和管制員耳中充斥著強烈的背景噪音，致使雙方通信困難甚至失去聯(lián)絡，嚴重干擾了地空通信系統(tǒng)的正常運行。因此，對民航VHF頻段資源進行干擾排查，實現(xiàn)提前預防、減小或消除互調干擾，對民航飛行安全至關重要。

互調干擾的概念和成因

無線電通信系統(tǒng)中不可避免地需要使用大量非線性元器件，當兩個或以上頻率的信號同時侵入發(fā)射機天線或接收機的輸入端電路，由于電路的非線性將其相互調制，會生成多個諧波及組合頻率分量，若組合頻率分量剛好與接收機工作頻率相等或接近，則可能落入接收機頻帶內而形成互調干擾。由此，互調干擾的形成主要來自三個方面：發(fā)射機互調干擾、接收機互調干擾，以及在天線、饋線及高頻濾波器等處，由于接觸不良或是異種金屬間的接觸而產生的非線性作用。

互調干擾對通信設備的損害是極其嚴重的。較發(fā)射機而言，當發(fā)射機調試好后，其工作頻率處于輸出電路的最優(yōu)諧振頻率點上，此時電路中的電流最小，然而互調產物使發(fā)射機內部工作電路失諧，電流增大，元器件發(fā)熱，最終導致發(fā)射機故障率大幅增加。且當發(fā)射機的主頻與其他無用頻率互調，將大大降低發(fā)射機的有效功率，影響發(fā)射性能。相較接收機而言，由于互調信號會導致主頻頻譜發(fā)生畸變，當接收機對收到畸變后的射頻信號進行解調，誤碼率增加，通信質量降低，導致通信雙方無法進行有效通信。

互調干擾的產生主要是由于電路的非線性，按其形成的位置，可大致分為下列3種來源：

（一）發(fā)射機互調干擾

由于功放電路的非線性，由其他信道發(fā)射的干擾信號經天線侵入，或經RF器件與發(fā)射機末級耦合，使主頻與干擾頻率相互調制，生成新的頻率并隨主頻一起向外輸出，接收機收到互調信號形成干擾。通常，發(fā)射機天線相距過近，水平和垂直的隔離度達不到規(guī)范，且發(fā)射機載波功率較強時，容易造成接收機互調干擾。

（二）接收機互調干擾

在接收機的前端電路（高頻放大電路、變頻器）中，當兩個或以上頻率的信號同時進入接收機，由于電路的非線性，使其相互調制產生互調信號，若互調產物恰好與接收機工作頻率相近，則可能落入接收機調諧的接收帶寬內而形成互調干擾。

（三）外部效應引起的互調干擾

在發(fā)射機的電路中，由于發(fā)射機天線、饋線及高頻濾波器等電路的接觸不良，或電路中的金屬器件因銹蝕而造成接觸不良，以及異種金屬的相互接觸而導致電路的非線性，使強射頻電場的發(fā)散信號互調，形成干擾源。這類互調干擾的特點是隨溫度和濕度的變化而變化，天氣干燥或潮濕、白天和夜間的干擾情況都不盡相同。

通過以上分析，我們得出互調干擾形成的三個必要前提：第一，電路的非線性；第二，互調頻率可以進入非線性器件；第三，互調信號的頻率與接收機工作主頻相同。以上條件必須同時滿足才能形成互調干擾，因此對互調干擾的防護應從以上三個方面考慮。

互調干擾的數(shù)學表達

以下對互調干擾的形成原理進行數(shù)學描述。

非線性器件的輸出電流ic與輸入電壓ui（t）的關系為：

式中，ki為比例常數(shù)，且k1＞k2＞k3…

當兩個干擾信號同時作用于輸入端的非線性器件：

ui（t）＝ m1（t）cosω1t＋ m2（t）cosω2t

其中，m（t）表示各個信號的振幅，被音頻信號調制，ω表示各信號的載波角頻率ω=2πf。

設有用信號為：us＝ms（t）cosωst

則合成信號為：

ui（t）＝m1（t）cosω1t＋m2（t）cosω2t＋ms（t）cosωst

將ui（t）表達式帶入ic可得：

經過變換，得到輸出頻率的傳播模型：ω＝±Aω1±Bω2±Cω3，其中A、B和C為任意正整數(shù)（包含0）。

觀察上述展開式中的頻率成分，可以發(fā)現(xiàn)：

1. ω1、ω2、ω3的高次諧波分量，如二倍頻、三倍頻等，均遠離有用頻率ωs，不屬于互調頻率。

2.由于接收機的調諧回路具有選擇性，使得二階、四階等偶數(shù)階互調都因這一特征無法形成有效的互調干擾，只有三階、五階等奇數(shù)階互調干擾才會造成危害。

3.N＝A＋B＋C＝3時的三階失真項中，有2ω1±ω2、2ω2±ω1、2ω1±ωs、2ωs±ω1、2ω2±ωs、2ωs±ω2、ωs±（ω1＋ ω2）、ωs±(ω1－ω2)等幾種頻率組合；若出現(xiàn)兩個或者三個頻率的頻率組合值接近于有用信號的頻率ωs，如2ω1－ω2≈ωs、或ωs±（ω1－ω2）≈ωs，則可以落入接收機調諧的接收帶寬內，產生三階互調干擾。

4.N＝A＋B＋C＝5時的五階失真項中，有3ω1±2ω2、3ω2±2ω1、3ω1±2ωs、3ωs±2ω1、3ω2±2ωs、3ωs±3ω2、3ωs±（ω1+ω2）、3ωs±(ω1-ω2）等幾種頻率組合；若出現(xiàn)兩個或者三個頻率的頻率組合值接近于有用信號的頻率ωs，如3ω1－ 2ω2≈ ωs、3ω2－ 2ω1≈ ωs或 3ωs±（ω1－ω2）≈ωs，則可以落入接收機調諧的接收帶寬內，產生五階互調干擾。

5.互調干擾的強度與其振幅呈正相關，互調信號的振幅越大，互調干擾分量的強度越大，因此三階互調干擾的危害性最大，五階次之，而N＝A＋B＋C≥7之后的七階、九階等干擾對系統(tǒng)的影響較小，一般可以不予考慮。

民航VHF互調干擾算法建模

（一）建模背景

由于民航現(xiàn)在使用的VHF電臺在制作工藝上已經相當成熟，想通過改善硬件結構的方式排除電路的非線性，實屬不易。因此，在頻率資源的分配過程中，最有效的辦法是通過計算排除掉可能產生互調干擾的頻率組，即采取措施，讓互調分量的頻率與接收機的工作頻率各異。但是在甚高頻信道比較多的情況下，若采取人工評估尋找互調頻率點的方法，計算量太大，難以得到準確、全面的結論。通過對信道互調原理的分析，可以建立數(shù)學模型，利用計算機獲取互調干擾頻率組，找出干擾源，抑或是在頻點規(guī)劃之初，利用模型結論排除掉可能造成互調干擾的規(guī)劃方案，為優(yōu)化頻點臺站資源提供依據(jù)。

（二）基本假設

在非線性器件中，系數(shù)kn＋1＜kn，高階互調的系數(shù)通常都小于低階互調分量，強度也低很多。七階、九階及以上的互調干擾對實際系統(tǒng)的影響已經很小，而且實現(xiàn)起來對系統(tǒng)的運算量要求也比較大，因此本模型只考慮計算較為常見的三階互調和五階互調干擾。

（三）算法描述

輸入：管制區(qū)內無線電頻率輸入數(shù)組frequency_in，包括民航VHF電臺和調頻廣播電臺頻率。

輸出：互調干擾頻率輸出數(shù)組frequency_out

第1步：頻率初始化。定義一個初值為0的6×1000的二維的互調干擾頻率輸出數(shù)組frequency_out。frequency_out(i,k)為互調干擾的發(fā)射頻率，frequency_out(6,k)為互調干擾的接收頻率。其中，i∈[1,6]，k∈[0,1000]，k的初始值為1。

第2步：取整預處理。由于頻率值單位為MHz，步長為25KHz，導致頻率值均為浮點數(shù)，為抑制計算機浮點計算帶來的誤差，所有頻率均以KHz為單位，對頻率值進行整數(shù)化處理。

設 fi∈ [frequency_in]，f0∈ min{frequency_in}

則 Fi＝ 1+（fi－ f0）/0.025

式中：fi為初始輸入頻率序列；f0為輸入頻率的最小值；Fi為取整后的整數(shù)頻率序列。

第3步：尋找三階互調干擾頻率組。

遍歷所有的Fi：

① 若 4個 頻 率，F(xiàn)1～ F4滿 足：F1＋ F2－ F3=F4，且F1～F3為發(fā)射頻率，F(xiàn)4為接收頻率，則F4為受干擾頻率，F(xiàn)1、F2、F3分別存入 frequency_out(1,k)、frequency_out(2,k)、frequency_out(3,k)，F(xiàn)4存 入frequency_out(6,k)，稱為三型三階互調干擾；

k＝ k＋1；

②若3個頻率，F(xiàn)1～F3滿足：2 F1－F2＝F3，且F1～ F2為發(fā)射頻率，F(xiàn)3為接收頻率，則F3為受干擾頻率，F(xiàn)1、F1、F2分別存入 frequency_out(1,k)、frequency_out(2,k)、frequency_out(3,k)， F3存 入frequency_out(6,k)，稱為二型三階互調干擾；

k＝ k＋1；

第4步：尋找五階互調干擾頻率組。

遍歷所有的Fi：

①若 6個頻率，F(xiàn)1～ F6滿足：F1＋ F2＋ F3－F4－F5＝F6，且F1～F5為發(fā)射頻率，F(xiàn)6為接收頻率，則 F6為受干擾頻率，F(xiàn)1、F2、F3、F4、F5分別存 入 frequency_out(1,k)、frequency_out(2,k)、frequency_out(3,k)、frequency_out(4,k)、frequency_out(5,k)，F(xiàn)6存入 frequency_out(6,k)；

k＝ k＋1；

②若 5個頻率，F(xiàn)1～ F5滿足：F1＋ F2＋ F3－2F4＝ F5， 且 F1～ F4為 發(fā) 射 頻 率，F(xiàn)5為 接 收 頻率，則 F5為受干擾頻率，F(xiàn)1、F2、F3、F4、F4分別存 入 frequency_out(1,k)、frequency_out(2,k)、frequency_out(3,k)、frequency_out(4,k)、frequency_out(5,k)，F(xiàn)5存入 frequency_out(6,k)；

k＝ k＋1；

③ 若 4個 頻 率，F(xiàn)1～ F4滿 足：3F1－ F2－ F3＝F4，且F1～F3為發(fā)射頻率，F(xiàn)4為接收頻率，則 F4為 受 干 擾 頻 率，F(xiàn)1、F1、F1、F2、F3分 別 存入 frequency_out(1,k)、frequency_out(2,k)、frequency_out(3,k)、frequency_out(4,k)、frequency_out(5,k)，F(xiàn)4存入 frequency_out(6,k)；

k＝ k＋1；

④若3個頻率，F(xiàn)1～F3滿足：3F1－2F2＝F3，且F1～F2為發(fā)射頻率，F(xiàn)3為接收頻率，則F3為受干擾頻率，F(xiàn)1、F1、F1、F2、F2分別存入 frequency_out(1,k)、frequency_out(2,k)、frequency_out(3,k)、frequency_out(4,k)、frequency_out(5,k)，F(xiàn)3存入 frequency_out(6,k)；

k＝ k＋1；

第5步：去重復。遍歷互調干擾頻率輸出數(shù)組frequency_out所有的行，去掉具有相同排列組合的行。

第6步：結果輸出。輸出frequency_out不全為0的行。

實例驗證

（一）典型案例1

2018年4月，貴陽管制員反應區(qū)調120.7MHz頻繁收到進近120.075MHz的串擾，由于120.075MHz為新建頻率，初步懷疑120.7MHz、120.075MHz與某一未知頻率發(fā)生互調干擾。

1.建模分析

根據(jù)建模，計算貴陽管制區(qū)在用頻率取整后的Fi整數(shù)序列如表1所示，120.7MHz、120.075MHz分別對應Fi中的82、107。

表1：貴陽管制區(qū)取整頻率Fi

表2：互調干擾頻率輸出數(shù)組frequency_out

表3：互調干擾頻率輸出數(shù)組frequency_out

根據(jù)計算得出互調干擾頻率輸出數(shù)組frequency_out如表2所示。

根 據(jù) 建 模 結 果 得 出 F1（120.075MHz）、F2（119.45MHz）、F3（120.7MHz）構成二型三階互調干擾，即2 F1－ F2= F3。

2.處置措施

①由于120.075MHz與120.7MHz的電臺均建在同一臺站，相距太近很容易相互影響，因此選擇另一個與120.7MHz相距5.2km的電臺，將其頻率改為120.075MHz；

②如果互調干擾信號小于信道接收機的接收開門限，則無法進入120.7信道的接收機，在不影響VHF連續(xù)可靠覆蓋的前提下，將進近頻率120.075MHz的發(fā)射功率從50W降為30W。

經過以上調整，觀察120.7MHz的串擾現(xiàn)象消失，建模結果真實有效。

（二）典型案例2

2018年10月，貴陽管制員反應區(qū)調133.45MHz頻繁收到進近120.7MHz的串擾，初步懷疑133.45MHz、120.7MHz與某一頻率發(fā)生互調干擾。

1.建模分析

如前所示，對近期管制區(qū)內新增頻率124.95MHz取整，取整后對應Fi中的值為277。

根據(jù)計算得出互調干擾頻率輸出數(shù)組frequency_out如表3所示。

根據(jù)建模結果得出F1（124.95MHz）、F2（120.7MHz）、F3（133.45MHz）構成五階互調干擾，即3F1－2F2＝F3。由于124.95MHz為區(qū)調新增頻率，與近期開始頻繁反應的串擾現(xiàn)象相符。

2.處置措施

由于發(fā)生串擾的三個頻率分屬于不同的臺站，且均為區(qū)調頻率，無論是采用調低發(fā)射功率的方式，還是采用更換臺站的方式，均會影響區(qū)調扇區(qū)內甚高頻的航路覆蓋效果。因此采用對124.95MHz、120.7MHz、133.45MHz三個頻率設置頻偏的方式抑制互調干擾，經過多次測試調整后觀察133.45MHz的串擾現(xiàn)象消失，建模結果真實有效。

結束語：

本文通過分析頻率互調干擾的形成機理，建立基于無線電互調干擾算法的仿真計算模型，成功排查貴陽管制區(qū)內發(fā)生的兩起VHF三階、五階互調干擾源。本文構建的互調干擾計算模型準確實用，可減小民航VHF電臺頻率干擾源排查的工作量，為民航VHF頻點使用提供風險評估，為合理優(yōu)化現(xiàn)有頻點提供參考依據(jù)。