SU4200甚高頻發(fā)射機(jī)參考頻率分析與校準(zhǔn)

劉峰

摘 要：SU4200發(fā)射機(jī)廣泛應(yīng)用于民航VHF地空通信領(lǐng)域，提供高可靠的管制員與飛行員之間的話音服務(wù)，起著非常重要的作用。發(fā)射頻率是VHF設(shè)備的重要參數(shù)之一，所有的話音通信都是建立在發(fā)射頻率之上。發(fā)射頻率的質(zhì)量取決于參考頻率的精度與準(zhǔn)確度。參考頻率是甚高頻發(fā)射機(jī)中的核心關(guān)鍵之一，直接關(guān)系到射頻信號(hào)的質(zhì)量。本文針對(duì)SU4200甚高頻發(fā)射機(jī)的參考頻率進(jìn)行深度剖析，包括產(chǎn)生參考頻率所采用的元器件、性能參數(shù)、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、以及如何進(jìn)行校準(zhǔn)等等。

關(guān)鍵詞：SU4200;甚高頻發(fā)射機(jī);參考頻率;校準(zhǔn)

1 相關(guān)民航組織對(duì)甚高頻發(fā)射機(jī)（地面系統(tǒng)）頻率的要求

1.1 國(guó)際民航組織標(biāo)準(zhǔn)（ICAO）

在ICAO 附件10 中，對(duì)頻率穩(wěn)定度做了相關(guān)規(guī)定，工作頻率和指派頻率的偏差不能大于±0.005%，即50 ppm。當(dāng)使用ICAO附件10第五卷（Aeronautical Radio Frequency Spectrum Utilization）中所述的25 kHz的信道間隔時(shí)，工作頻率和指派頻率的偏差不能大于±0.002%，即20 ppm。當(dāng)使用第五卷中所述的8.33 kHz的信道間隔時(shí)，工作頻率和指派頻率之間的偏差不能大于±0.000 1%，即1 ppm。

1.2 中國(guó)民航標(biāo)準(zhǔn)（MH/T 4001）

在中國(guó)民用航空局發(fā)布的《甚高頻地空通信地面系統(tǒng)：第一部分：話音通信系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（MH/T 4001.1 - 2016）中，對(duì)發(fā)射機(jī)的頻率誤差作了相關(guān)規(guī)定，如表1所示。其中，對(duì)于涉及到的2或3頻偏、4頻偏、5頻偏則采用ICAO附件10規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

2 SU4200甚高頻發(fā)射機(jī)頻率合成

2.1 頻率合成原理

頻率合成是指由一個(gè)或多個(gè)頻率穩(wěn)定度和精確度很高的參考信號(hào)源通過頻率域的線性運(yùn)算，產(chǎn)生具有同樣穩(wěn)定度和精確度的大量離散頻率的過程。頻率合成的方法可以歸納為直接合成法與間接合成法（鎖相環(huán)路法）兩大類，其中間接合成法又可分為脈沖控制鎖相法、模擬鎖相環(huán)路法和數(shù)字鎖相環(huán)路法。這里主要介紹SU4200甚高頻所采用的數(shù)字鎖相環(huán)路法，其原理如圖1所示。合成的頻率由壓控振蕩器產(chǎn)生。當(dāng)壓控振蕩器的頻率由于某種原因發(fā)生變化時(shí)，必然相應(yīng)地產(chǎn)生相位變化，這相位變化通過負(fù)反饋給鑒相器，在鑒相器中對(duì)反饋的信號(hào)與參考晶體振蕩器的穩(wěn)定相位進(jìn)行比較，形成一個(gè)與相位誤差成比例的誤差電壓，經(jīng)過低通濾波器去除高頻，取出其中的低頻電壓控制信號(hào)，用來控制壓控振蕩器中的壓控元件，從而將壓控振蕩器的輸出頻率拉回到期望值上來。由于參考晶振的頻率是固定值，而頻率合成器所需輸出的頻率是可變的，為了使二者頻率在鑒相器處相等，以便比較它們的相位，需要對(duì) VCO 產(chǎn)生的反饋頻率在送到鑒相器之前進(jìn)行分頻，而且分頻比可以通過控制器進(jìn)行控制。另外，由于分頻比通常很大，因此分頻電路分為固定分頻和可變分頻兩部分。由于鑒相器往往是工作于較低的頻率，因此參考晶振頻率在送至鑒相器之前也需要進(jìn)行分頻。

2.2 參考信號(hào)源（晶振）

從頻率合成原理可知，合成的頻率的穩(wěn)定度和精確度取決于參考信號(hào)源。SU4200發(fā)射機(jī)的參考信號(hào)源為一個(gè)10 MHz的晶振，位于設(shè)備內(nèi)部A6 Black plane板上，如圖2所示。晶振的廠家是德國(guó)KVG公司，頻率為10 MHz，工作電壓為12 V。

依據(jù)設(shè)備等級(jí)共有兩種類型的晶振，即TCXO和OCXO。TCXO晶振的頻率穩(wěn)定度為±0.2 ppm，用于25 kHz頻率間隔標(biāo)準(zhǔn);OCXO晶振的頻率穩(wěn)定度為±0.02 ppm，用于25 kHz和8.33 kHz兩種間隔標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.1 TCXO

TCXO是Temperature Compensate Xtal（Crystal） Oscillator的簡(jiǎn)寫，中文名是溫補(bǔ)晶振，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。TCXO采用熱敏補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)形成一個(gè)反向的補(bǔ)償電壓，以抵消晶體本身受溫度影響而產(chǎn)生的漂移，以達(dá)到在寬溫溫度范圍內(nèi)滿足穩(wěn)定度要求的晶體振蕩器。補(bǔ)償后頻率穩(wěn)定度在

10-6～10-7量級(jí)，由于其良好的開機(jī)特性、優(yōu)越的性能價(jià)格比及功耗低、體積小、環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)等多方面優(yōu)點(diǎn)，因而獲得了廣泛應(yīng)用。

2.2.2 OCXO

OCXO是Oven Controlled Crystal Oscillator的簡(jiǎn)寫，中文名是恒溫晶體振蕩器。OCXO利用恒溫槽使晶體振蕩器中石英晶體諧振器的溫度保持恒定，將由周圍溫度變化引起的振蕩器輸出頻率變化量削減到最小的晶體振蕩器。OCXO是由恒溫槽控制電路和振蕩器電路構(gòu)成。如圖4所示，加熱器在恒溫箱控制的控制下，把恒溫箱的溫度控制在一個(gè)穩(wěn)定的值，使得位于恒溫箱中的晶體保持一個(gè)較高的穩(wěn)定狀態(tài)，從而使震蕩電路產(chǎn)生頻率具備較高的頻率穩(wěn)定度。

3 SU4200發(fā)射機(jī)參考頻率校準(zhǔn)

3.1 校準(zhǔn)的要求

在SU4200廠家提供的用戶手冊(cè)中，把參考頻率的校準(zhǔn)列入了定期維護(hù)內(nèi)容。理由是晶體振蕩器存在自然老化的現(xiàn)象，頻率會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生改變。建議在第一年運(yùn)行后檢查頻率偏移，并在必要時(shí)重新調(diào)整。同時(shí)，廠家也建議在之后的參考頻率校準(zhǔn)周期以 3 年為間隔，進(jìn)行定期維護(hù)，以確保指定的頻率精度。

3.2 校準(zhǔn)的方法

SU4200參考頻率的校準(zhǔn)需要借助頻率測(cè)量的儀表，校準(zhǔn)模型如圖5所示。把SU4200發(fā)射機(jī)的射頻口X3通過50歐姆同軸射頻電纜連接到一個(gè)30 dB的衰減器，然后再通過射頻電纜把經(jīng)過30 dB衰減后的射頻信號(hào)送給測(cè)量?jī)x表。測(cè)量頻率的儀表可以為頻譜儀、頻率計(jì)、VHF綜測(cè)儀（CMA180、CM54、nrf2945等），但是要求儀表自身的精度要比SU4200高。

3.3 校準(zhǔn)的步驟

3.3.1 TCXO的頻率校準(zhǔn)

本文頻率校準(zhǔn)的儀表選用R&S廠家的綜測(cè)儀CM54。校準(zhǔn)的過程要做好射頻防護(hù)措施，既要保護(hù)設(shè)備、儀表等以免受到損壞，也要確保不往外輻射信號(hào)干擾到管制業(yè)務(wù)。具體步驟如下：

（1）待測(cè)件SU4200開機(jī)熱機(jī)至少1分鐘，等待TCXO進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）測(cè)量?jī)x表開機(jī)，按照要求進(jìn)行熱機(jī)，等待儀表進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。設(shè)置相應(yīng)的接口、功能等。CM54選擇TX-TEST功能，RF頻率選擇COUNT計(jì)數(shù)功能。

（3）按照?qǐng)D5所示通過USB數(shù)據(jù)線把安裝好R&S ZS 4200軟件的計(jì)算機(jī)連接至等待頻率校準(zhǔn)的SU4200發(fā)射機(jī)。在ZS 4200軟件上選擇USB連接方式，讓ZS 4200軟件連上SU4200。ZS 4200依次進(jìn)入Configuration -> Adjustment -> TCXO Adjustment。其中，TCXO調(diào)整值的范圍為0～255。

（4）通過ZS 4200軟件設(shè)置SU4200發(fā)射機(jī)的測(cè)試頻率為120 MHz。

（5）通過ZS 4200軟件設(shè)置SU4200發(fā)射機(jī)的Low功率模式的數(shù)值為5 W，并選擇Low功率模式。

（6）通過ZS 4200軟件設(shè)置SU4200發(fā)射機(jī)的工作模式為AM調(diào)幅模式。

（7）通過射頻饋線把SU4200的發(fā)射射頻端口X3的射頻信號(hào)經(jīng)過衰減后連接到測(cè)量?jī)x表。

（注意：因?yàn)镃M54支持大功率輸入，所以也可以不用接衰減器。對(duì)于不支持大功率的儀表，一定要加上相應(yīng)的衰減器，以免過高的功率燒壞儀表。）

（8）操作SU4200發(fā)射機(jī)面板菜單，進(jìn)入到發(fā)射機(jī)測(cè)試目錄，選擇Test PTT功能，按下Enter發(fā)射一個(gè)未經(jīng)調(diào)制的載波信號(hào)。

（9）在測(cè)量?jī)x表中讀取頻率值，如圖6所示。

（10）在ZS 4200軟件中調(diào)整TCXO的值，使得儀表測(cè)量出來的數(shù)值盡可能的接近設(shè)定的頻率（從前面章節(jié)的分析可知SU4200的TCXO晶振頻率穩(wěn)定度為±0.2 ppm，120 MHz對(duì)應(yīng)的0.2 ppm為±24 Hz）。對(duì)于采用TCXO晶振的SU4200發(fā)射機(jī)，ZS 4200 TCXO Adjustment調(diào)整1位，晶振的頻率大概變化11 Hz。在調(diào)整參數(shù)時(shí)要慢慢調(diào)整，不宜大跨度調(diào)整，過高的頻率變化會(huì)引起發(fā)射機(jī)頻率失鎖，產(chǎn)生代碼位0315的Tx INT ERF UNLOCK告警。

（11）調(diào)整完畢后，收拾規(guī)整好相應(yīng)的儀表、設(shè)備、附屬接線等。做好相應(yīng)的記錄。

3.3.2 OCXO的頻率校準(zhǔn)

OCXO的頻率校準(zhǔn)和TCXO的校準(zhǔn)基本類似。不同的地方在于SU4200發(fā)射機(jī)所使用的OCXO的頻率精度不一樣，以及OCXO的開機(jī)后到熱穩(wěn)定的時(shí)間不一樣，OCXO的熱機(jī)時(shí)間要更長(zhǎng)。校準(zhǔn)步驟如下：

（1）待測(cè)件SU4200開機(jī)熱機(jī)至少10分鐘，等待OCXO進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）-（9）與TCXO的校準(zhǔn)步驟一致。

（10）在ZS 4200軟件中調(diào)整TCXO的值，使得儀表測(cè)量出來的數(shù)值盡可能的接近設(shè)定的頻率（從前面章節(jié)的分析可知SU4200的OCXO晶振頻率穩(wěn)定度為±0.02 ppm，120 MHz對(duì)應(yīng)的0.02 ppm為±2.4 Hz）。對(duì)于采用OCXO晶振的SU4200發(fā)射機(jī)，ZS 4200 TCXO Adjustment調(diào)整1位，晶振的頻率大概變化1.5 Hz。在調(diào)整參數(shù)時(shí)要慢慢調(diào)整，不宜大跨度調(diào)整，過高的頻率變化會(huì)引起發(fā)射機(jī)頻率失鎖，產(chǎn)生代碼位0108的OCXO OVEN WARNING告警。

（11）與TCXO的校準(zhǔn)步驟一致。

4 結(jié)論和建議

發(fā)射頻率是VHF地空通信中的載體，所有的話音通信都是建立在發(fā)射頻率之上，而參考頻率是決定發(fā)射頻率質(zhì)量的重要參數(shù)。本文從行業(yè)規(guī)范、發(fā)射頻率產(chǎn)生原理、參考頻率特征、電子元器件類別等方面對(duì)SU4200發(fā)射機(jī)參考頻率進(jìn)行了深度分析，并給出了SU4200發(fā)射機(jī)參考頻率校準(zhǔn)的方法與步驟。參考頻率來源于晶振，但是，由于晶振自身結(jié)構(gòu)存在自然老化現(xiàn)象，隨著時(shí)間的變化會(huì)存在頻率的改變，像在民航VHF地空通信等領(lǐng)域?qū)︻l率有著高要求的應(yīng)用場(chǎng)景，就需要定期對(duì)晶振的頻率進(jìn)行校準(zhǔn)，以保障晶振輸出頻率的準(zhǔn)確性。SU4200發(fā)射機(jī)在首次使用一年后需要對(duì)頻率的偏差進(jìn)行檢查，之后，每隔3年都需要重新對(duì)參考頻率進(jìn)行校準(zhǔn)，確保設(shè)備工作頻率的準(zhǔn)確性。

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