INDRA DVOR VRB-53D調(diào)相原理探討

趙宇偉

摘要：近幾年民航各地方空管局陸續(xù)更新安裝全新的INDRA DVOR VRB-53D型全向信標(biāo)系統(tǒng)。針對此套新的全向信標(biāo)系統(tǒng)，通過理論分析闡述了載波和邊帶信號的相位控制調(diào)整以及誤差來源，為民航安徽省空中交通管理分局啟動了新一代DVOR/DME平臺的搭建工作打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：全向信標(biāo);相位調(diào)整;偏移;誤差來源

中圖分類號：TB文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.16.086

0引言

全向信標(biāo)定相涉及到載波信號相位與邊帶信號相位之間的正確關(guān)系。在VRB-53D中，兩個(gè)邊帶之間的相位始終是正確的。這是因?yàn)閮蓚€(gè)邊帶信號都使用DDS（數(shù)字直接合成技術(shù)），并且來自同一個(gè)信號源。從DVOR天線環(huán)上相對于中央天線對稱的兩個(gè)天線輻射到空間的邊帶信號也已經(jīng)均衡。下面，將會詳細(xì)闡述全向信標(biāo)定相的理論基礎(chǔ)。

1全向信標(biāo)定相理論

在DVOR中，RF定相的目的是確保載波和兩個(gè)邊帶信號在空間合成后，形成一個(gè)適當(dāng)?shù)恼{(diào)幅信號。在這個(gè)里調(diào)制信號是9960Hz副載波。如果這三個(gè)信號之間的相位關(guān)系不正確，則產(chǎn)生的調(diào)幅信號將嚴(yán)重失真或幅值偏低。

在DVOR中，天線環(huán)上任意點(diǎn)處邊帶和載波的“同相”條件被定義為產(chǎn)生最大副載波（9960Hz）振幅的相位。這在圖1（1）的矢量圖中表示。

在這個(gè)圖中，上邊帶（USB）和下邊帶（LSB）在載波方向上的相位差是相等的?！巴唷毙盘柕谋匾獥l件是，在任意時(shí)刻，兩個(gè)邊帶與載波之間的夾角相等，但方向相反（或兩者都為零）。這個(gè)角度φ如圖1（1）所示。

如果兩個(gè)邊帶相對于載波的相位在相反的方向上移動相等的量則不影響空間合成效果。只要兩個(gè)邊帶信號相對于載波之間的相位是相等的，那么依然滿足“同相”條件。以這種方式移相的效果是在載波上引起合成AM的移相。

上面的描述用代數(shù)的方式描述如下：

如果：

載波=cosωct

那么：

上邊帶（USB）=KUcos（（ωc+ωm）t+U）

下邊帶（USB）=KLcos（（ωc+ωm）t+L）

其中：

KU，KL是邊帶信號的幅度;

ωC是載波的角頻率;

ωm是調(diào)制信號的角頻率;

U是上邊帶相位（相對于載波信號）;

L是下邊帶相位（相對于載波信號）。

三個(gè)信號之和的包絡(luò)將是：

E=1+Kcos（ωmt+r）

條件是KU=KL，且K=KU+KL，U+L2=0

例如：U=-L=r

當(dāng)兩個(gè)邊帶相對于載波的相相位差不相等時(shí)，就會出現(xiàn)相位失調(diào)的情況。如圖1（2）中矢量圖所示。這里USB落后載波1并且LSB領(lǐng)先載波2。兩個(gè)邊帶的合成矢量R與載波不在同一相位上。以下兩種方法都可以實(shí)現(xiàn)“同相”條件：

（1）改變載波相位和邊帶合成矢量R一致。

（2）改變一個(gè)邊帶的相位，使合成矢量R與載波一致。

2相位調(diào)整的基礎(chǔ)

用于調(diào)整DVOR中的邊帶相位的方法基于以下原理：當(dāng)載波與上、下邊帶合成矢量相差90°時(shí)，副載波調(diào)制為零。對組合信號的數(shù)學(xué)分析表明，調(diào)幅的包絡(luò)在基本調(diào)制頻率（ωm）下不包含任何分量，當(dāng)U+L2=±90°時(shí)，如圖1（3）所示。

調(diào)整這個(gè)零點(diǎn)比嘗試調(diào)整最大副載波幅度要“更加銳利”。

改變載波相位90°相當(dāng)于改變一個(gè)邊帶的相位180°。固定相移可以應(yīng)用于LSB（理論上180°，但通常更小。），然后將USB調(diào)整為0。然后，固定相移（或預(yù)設(shè)值）被移除，以使信標(biāo)正確定向。此相位預(yù)設(shè)是通過對LSB應(yīng)用相位延遲來產(chǎn)生的。LSB的預(yù)設(shè)值可以通過下式給出：

預(yù)設(shè)值=2×（90°-偏移）

其中“偏移”為載波相位從“共線”相位設(shè)置中偏移的量（偏移的典型值是8°，預(yù)設(shè)值就等于164°）。

3誤差來源

本文前面描述的理想條件僅適用于天線環(huán)上的一個(gè)點(diǎn)。當(dāng)邊帶圍繞天線環(huán)切換時(shí)，會發(fā)生相位變化。這樣就產(chǎn)生了兩個(gè)相位誤差源：天線陣效應(yīng)和近場效應(yīng)。

3.1天線陣效應(yīng)

天線陣效應(yīng)（就是天線互耦）導(dǎo)致接收機(jī)從“切向”天線接收的信號延遲從“共線”天線接收的信號（關(guān)于接收點(diǎn)位置，見圖2）。這意味著，當(dāng)邊帶從“共線”天線輻射時(shí)，如果載波和邊帶合成矢量是同相的，那么當(dāng)“切線”天線發(fā)生輻射時(shí)，載波將超前邊帶合成矢量。對于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的DVOR臺站，這個(gè)誤差通常是16°。通過將相位調(diào)整到這兩個(gè)點(diǎn)之間的中間位置，使誤差減小到±8°，可以將這種影響降至最低。在VRB-53D中，由于信號補(bǔ)償，天線耦合度大大降低，相位差滯后最小化。

3.2近場效應(yīng)

近場效應(yīng)僅發(fā)生在當(dāng)接收機(jī)位于“近場”的區(qū)域。這是由于從接收機(jī)到載波天線的距離小于從接收機(jī)到“切線”天線的距離。這個(gè)距離D，如圖2所示。對于遠(yuǎn)場接收機(jī)（大于1500米），這個(gè)誤差可以忽略不計(jì)。

當(dāng)從切線天線輻射時(shí)，這種效應(yīng)導(dǎo)致邊帶滯后于載波。距離載波天線80米處的監(jiān)視器天線接收到的信號會出現(xiàn)邊帶滯后載波大約40°。理想情況下，信標(biāo)的邊帶相位應(yīng)使用遠(yuǎn)場接收器進(jìn)行調(diào)整。然而，由于近場效應(yīng)只會使“切線”天線失去“同相”，因此使用正常監(jiān)視天線（80米處）并觀察“共線”天線的信號進(jìn)行相位調(diào)整，可以獲得令人滿意的結(jié)果。

4近場監(jiān)控天線效應(yīng)

近場監(jiān)視天線接收到的副載波信號比遠(yuǎn)場監(jiān)視天線接收到的副載波信號具有更多的60Hz寄生調(diào)幅。這是因?yàn)楫?dāng)從“切線”天線輻射時(shí)，由于近場效應(yīng)，邊帶的相位滯后。這種相位誤差會導(dǎo)致副載波幅度降低（在“切線”點(diǎn)），從而導(dǎo)致副載波上的AM增加。當(dāng)副載波調(diào)幅深度在遠(yuǎn)場（大于1500米）中小于40%時(shí)，那么從80米處的監(jiān)視器天線上觀察，調(diào)幅深度將小于55%。

5結(jié)束語

DVOR VRB-53D作為新一代的全向信標(biāo)系統(tǒng)，與以往的Thales DVOR432的主要不同在于相位控制等主要功能集中在DDS（直接數(shù)字式頻率合成器）芯片中完成。直接數(shù)字合成以及調(diào)制相比于以前的模擬合成調(diào)制方式抗干擾性能得到加強(qiáng)，具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性，給設(shè)備維護(hù)工作帶來了便利。通過對載波和邊帶信號的相位控制調(diào)整以及誤差來源的理論分析，為今后設(shè)備的技術(shù)保障工作打下了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]Indra.DOPPLER VOR MODEL VRB-53D Technical Handbook[Z].2012-03-16.

[2]倪育德，盧丹.導(dǎo)航原理與系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015.