民用航空甚高頻通信系統(tǒng)互調(diào)干擾問(wèn)題研究

郭孟越

關(guān)鍵詞：民用航空；甚高頻通信系統(tǒng)；互調(diào)干擾

1引言

由于無(wú)線電技術(shù)的大范圍普及，無(wú)線裝置的應(yīng)用日益廣泛，從而導(dǎo)致無(wú)線裝置之間的干擾程度加大，電磁環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜，無(wú)線電頻譜資源利用率大大降低。同時(shí)，隨著航空VHF頻段無(wú)線電業(yè)務(wù)的更新，航空無(wú)線電出現(xiàn)了頻率資源無(wú)法滿足供求關(guān)系的現(xiàn)象。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，民航VHF通信頻段被擾亂，絕大部分來(lái)源于無(wú)線電臺(tái)和電視臺(tái)的干擾，其中調(diào)頻廣播電臺(tái)干擾占比最大。因此，通過(guò)特定分析調(diào)頻廣播電臺(tái)的具體干擾，搭建合理的分析架構(gòu)，對(duì)民航甚高頻頻段頻譜進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和合理的計(jì)劃調(diào)度是非常關(guān)鍵的。

2民航空管甚高頻地空通信發(fā)展現(xiàn)狀

目前，為保證國(guó)內(nèi)各個(gè)機(jī)場(chǎng)地面和空中通信服務(wù)的流暢與安全，中國(guó)航空地空通信采用的是高頻通信技術(shù)（VHF）和短波通信技術(shù)，能一次涵蓋全部航空線路，可以很好地滿足機(jī)場(chǎng)和航空企業(yè)VHF通信的需要。在民航VHF空域通信中，VHF是當(dāng)前國(guó)際上最常用的一種地空通信技術(shù)。在VHF波段，空間波導(dǎo)是一種非常關(guān)鍵的傳輸途徑，也稱為視覺(jué)傳播。由于地球自身的曲率，一般情況下，空間波的傳輸有一個(gè)直接距離。因此，VHF通信信號(hào)的可靠度和在可視范圍內(nèi)的通信平滑度得到了保障。在我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展中，不同區(qū)域越來(lái)越多的飛機(jī)場(chǎng)正處于建設(shè)中，同時(shí)在一定固定管制區(qū)域內(nèi)，也出現(xiàn)了大量的航空飛機(jī)。目前，VHF通信除不能設(shè)立固定站位，依靠其超高的語(yǔ)音品質(zhì)和清晰度，VHF通信已逐漸替代短波長(zhǎng)信號(hào)，成為地面與空中通信的主流手段。

3無(wú)線電干擾在民用航空甚高頻通信系統(tǒng)中的原理

無(wú)線電波的影響實(shí)質(zhì)是兩種不同電磁信號(hào)的相互干涉。民用航空通信中使用的無(wú)線電頻有導(dǎo)航、移動(dòng)通信、安全頻點(diǎn)和雷達(dá)等，理論上，所有的無(wú)線通信設(shè)備都是在不同的頻率范圍內(nèi)工作的，但是，在現(xiàn)實(shí)中，通信信號(hào)并不會(huì)在對(duì)應(yīng)的波段中，少數(shù)通信信號(hào)會(huì)脫離特定的波段，向外界擴(kuò)散，從而產(chǎn)生如調(diào)和或互調(diào)制的無(wú)作用信號(hào)，在與其他相同頻率有效信號(hào)處在一個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，由此產(chǎn)生無(wú)線電干擾。在目前的綜合環(huán)境中，有一些廣播頻帶的發(fā)射功率幾乎不受其他因素的影響，其頻率和民航無(wú)線高頻頻段非常類(lèi)似，可對(duì)民用航空高頻通信信號(hào)產(chǎn)生影響，它可能在飛機(jī)飛行的任何一個(gè)階段都會(huì)出現(xiàn)特殊狀態(tài)，具有很大的不確定性。

4民航甚高頻通信無(wú)線電干擾類(lèi)型

4.1同頻干擾

一般而言，同頻干擾是在兩個(gè)頻率相近的地區(qū)出現(xiàn)的。民用甚高頻通信頻譜頻率由國(guó)際民航組織相關(guān)法規(guī)決定，VHF的頻帶為118.000～136.975 MHz。隨著民航事業(yè)的迅速發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)的容量越來(lái)越小，不同頻率的頻點(diǎn)間距由50kHz縮小到25kHz。這個(gè)頻道幾乎翻了一番，但是在某些地方，各個(gè)控制臺(tái)仍然采用同樣的頻率。在民用無(wú)線電通信中，反復(fù)利用同一頻段，其頻譜干擾也是一樣的。盡管大多數(shù)民用航空VHF采用了振幅調(diào)幅方式，但是在某些場(chǎng)合下，民用調(diào)頻和民用通信中的載頻是一樣的。這種同頻的信號(hào)會(huì)被VHF無(wú)線電所接收，而這些同頻信號(hào)往往會(huì)對(duì)民用航空管制的VHF通信站產(chǎn)生一定的影響。

4.2互調(diào)干擾

在民航機(jī)場(chǎng)VHF通信系統(tǒng)中，互調(diào)干擾是首要問(wèn)題?；フ{(diào)干擾一般包括兩種，即發(fā)送方的互調(diào)干擾和接收端的互調(diào)干擾。發(fā)射機(jī)互調(diào)干擾是在發(fā)送末端產(chǎn)生的。功率放大器本身具有的一些非線性特性，會(huì)導(dǎo)致其他干擾和有效信號(hào)相互調(diào)制，從而對(duì)正常的信號(hào)傳輸造成不利的影響。接收機(jī)的交叉互調(diào)干擾是指接收端在接收到兩個(gè)以上的射頻信號(hào)時(shí)，其頻率放大或混合電路之間的非線性變換會(huì)引起相互調(diào)制，使得接收不順暢。通常情況下，互調(diào)干擾會(huì)使信號(hào)失真，嚴(yán)重降低地面和空中通信的品質(zhì)。在某些情況下，VHF通信的不正確使用，將給飛機(jī)的安全運(yùn)行帶來(lái)很大阻礙。此外，這還會(huì)對(duì)發(fā)射機(jī)造成損傷，使其有效功耗下降，并且對(duì)電磁信號(hào)的傳播產(chǎn)生影響。

4.3鄰道干擾

鄰近的干擾通常來(lái)自民用VHF地面通信基站附近的波段，由于發(fā)送機(jī)在傳輸信號(hào)時(shí)，通常會(huì)有一個(gè)頻帶信號(hào)，一小部分發(fā)送到民用VHF波段，由民用航空公司的VHF電臺(tái)接管，從而構(gòu)成鄰近的頻道干擾。

4.4其他因素

除以上常見(jiàn)的干擾影響外，其他一些干擾也會(huì)影響航空企業(yè)的地空通信系統(tǒng)。例如，由于無(wú)線電波的廣泛利用，電臺(tái)發(fā)射塔的數(shù)量不斷增多，以及發(fā)射臺(tái)的品質(zhì)不符合有關(guān)規(guī)定，這會(huì)造成更大范圍的射頻或過(guò)高的頻率輻射信號(hào)，會(huì)對(duì)航空公司的VHF通信產(chǎn)生一定的影響。此外，在某些特定的條件下，如氣候變化、地質(zhì)災(zāi)害等也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。

5民航VHF電臺(tái)頻率干擾機(jī)制分析

5.1互調(diào)干擾

互調(diào)干擾是指兩個(gè)或更多的頻率信號(hào)被同時(shí)輸入發(fā)送機(jī)或接收機(jī)中，因線路的非線性而被生成新頻率，而新頻率正好與有效信號(hào)的頻率相等或相近，從而成功地穿過(guò)發(fā)送機(jī)或接收機(jī)，對(duì)有效信號(hào)造成擾動(dòng)。由于互調(diào)干擾不但會(huì)對(duì)通信質(zhì)量產(chǎn)生不良的影響，而且會(huì)導(dǎo)致信號(hào)嚴(yán)重失真，使控制員無(wú)法與飛行員進(jìn)行通信，從而對(duì)民航地空通信系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，以及對(duì)飛機(jī)的安全產(chǎn)生不利的影響?；フ{(diào)干擾還會(huì)對(duì)裝置產(chǎn)生損害，因?yàn)橐坏┩瓿闪苏{(diào)試，此時(shí)的電路就處于最優(yōu)的諧振狀態(tài)，而互調(diào)干擾會(huì)導(dǎo)致工作線路不協(xié)調(diào)，電流變大，元件產(chǎn)生較高的熱量，從而極大地提高發(fā)送端的故障率[1]。

5.2三階互調(diào)

三階互調(diào)是指在線性系統(tǒng)中，兩個(gè)或多個(gè)信號(hào)由于非線性原因，導(dǎo)致一種信號(hào)的二次諧波和另一種信號(hào)的基本頻率發(fā)生拍頻（混合）。例如，f1的二次諧波為2f1，它與f2生成2f1 f2。因?yàn)橐粋€(gè)信號(hào)是二次諧波（二次信號(hào)），而另外一種是三次諧波（一次信號(hào)），所以2f1-f2被稱作三階互調(diào)信號(hào)。三階互調(diào)信號(hào)發(fā)生在調(diào)制期間，由于兩者之間的調(diào)制而生成拍頻信號(hào)，因此這種新生成的信號(hào)被稱作三階互調(diào)失真信號(hào)，其生成過(guò)程被稱作三階互調(diào)失真。由于f1和f2信號(hào)通常比較靠近，21 f2和2f2f1靠近原始的基帶信號(hào)f1和f2，因此會(huì)對(duì)原始的基帶信號(hào)f1和f2產(chǎn)生干擾。如果是更復(fù)雜的，如在一個(gè)線性體系中存在三個(gè)信號(hào)f1，f2以，它們就會(huì)生成上述的三階互調(diào)，同時(shí)會(huì)生成三次互調(diào)。當(dāng)然，在這種情況下，也會(huì)有更高階的互調(diào)，如五階互調(diào)、七階互調(diào)等，但因?yàn)楦唠A互調(diào)信號(hào)的強(qiáng)度很低，產(chǎn)生的干擾相對(duì)較小，所以通常不會(huì)考慮更高階的互調(diào)，而把三階互調(diào)視為最大的干擾。三階互調(diào)信號(hào)按輸入端的數(shù)目可劃分為三階一型與三階二型互調(diào)。

5.3三階互調(diào)信號(hào)分析

在大量的互調(diào)制和諧振信號(hào)中，這些信號(hào)是通過(guò)接收機(jī)的非線性而生成的，我們要關(guān)注的是進(jìn)入相關(guān)波段內(nèi)部的信號(hào)。根據(jù)廣播和民用無(wú)線電頻帶的具體頻譜，針對(duì)三階一型互調(diào)的兩個(gè)信號(hào)，進(jìn)人民用通信頻段的主要是。在三信號(hào)情況下，在這兩個(gè)信號(hào)間，有三階一型的互調(diào)信號(hào)，另外，進(jìn)入頻段的二型互調(diào)成分f1 +f2 f3 （f1 >f2 >f3）也是進(jìn)入頻段的[2]。

6民航VHF電臺(tái)頻率干擾分析模型

6.1互調(diào)干擾頻率范圍分析

調(diào)頻電臺(tái)的頻率為87～108MHz，頻道寬度為200kHz;民用通信頻段是118～137MHz。在只有兩個(gè)調(diào)頻電臺(tái)的情況下，通過(guò)互調(diào)頻率的計(jì)算式2f1-f2，可以得到118—129MHz的互調(diào)。如果三個(gè)調(diào)頻電臺(tái)的互調(diào)是由于三個(gè)調(diào)頻的電臺(tái)信號(hào)造成的，那么，按照三次拍頻次數(shù)的計(jì)算式，即f1+f2-f3，就可以算出差拍的頻率為118～128.8MHz。從調(diào)頻電臺(tái)的交調(diào)信號(hào)的頻域人手，得到以下結(jié)論。

（1）在118～137MHz的VHF通信頻帶中，調(diào)頻電臺(tái)的互調(diào)干擾最大的頻域?yàn)?18～129MHzo

（2）在使用民用VHF無(wú)線電頻率時(shí)，盡量選擇129—137MHz的頻段，從而減少調(diào)頻廣播中三次交叉調(diào)制的影響。

6.2互調(diào)干擾頻率關(guān)系模型

通過(guò)對(duì)相關(guān)具有互調(diào)干擾的頻段進(jìn)行數(shù)學(xué)關(guān)系的研究，可以對(duì)空域內(nèi)VHF的頻段進(jìn)行有無(wú)互調(diào)干擾的分析。如果一套頻率間存在互調(diào)的聯(lián)系，那么這兩種頻率的差異就會(huì)是其他兩種頻率差異的n倍（整數(shù)），即：

融合計(jì)算機(jī)技術(shù)，三階互調(diào)技術(shù)已相當(dāng)完善，能夠識(shí)別三階互調(diào)的頻譜，并能判讀出互調(diào)的種類(lèi)和受擾的頻譜。為避免三階互調(diào)的干擾，可以將三階互調(diào)的調(diào)制信號(hào)有效配置到多個(gè)天線共享的系統(tǒng)中。

7民用航空甚高頻通信無(wú)線電干擾監(jiān)測(cè)和防干擾措施

7.1發(fā)射機(jī)干擾監(jiān)測(cè)預(yù)防

在民航VHF通信中，發(fā)射設(shè)備占有重要的地位。為此，應(yīng)特別重視對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行的電磁干擾的監(jiān)控和防范，采用一種既能保證發(fā)射設(shè)備安全運(yùn)行又能對(duì)系統(tǒng)漏洞進(jìn)行監(jiān)測(cè)的模式。目前，發(fā)射設(shè)備的抗干擾技術(shù)主要利用天線與發(fā)射機(jī)之間的合理配對(duì)來(lái)保證發(fā)射機(jī)的正常運(yùn)行，并對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控和改進(jìn)，以提高其運(yùn)行性能。在對(duì)天線與發(fā)射設(shè)備進(jìn)行合理的匹配和調(diào)試時(shí)，應(yīng)充分考慮信號(hào)的彈性間隔對(duì)它的影響，并通過(guò)改進(jìn)發(fā)送距離來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)效信號(hào)的有效覆蓋，保證發(fā)射機(jī)能夠穩(wěn)定接收有用的信號(hào)。

7.2外部環(huán)境干擾監(jiān)測(cè)預(yù)防

影響民航VHF通信互調(diào)干擾的主要原因是外界環(huán)境，它也是最具不確定性、不可預(yù)測(cè)和不易覺(jué)察的因素。同時(shí)，在外界條件下，探測(cè)無(wú)用信號(hào)很困難，需要繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)無(wú)效信號(hào)的監(jiān)控，可從無(wú)用信號(hào)傳播的根源位置人手，在確定的外界情況下，尋找無(wú)用信號(hào)的干擾源，并制定針對(duì)性和有效性的干擾對(duì)策。當(dāng)監(jiān)測(cè)外界的無(wú)用無(wú)線電波時(shí)，應(yīng)重視對(duì)其運(yùn)行的無(wú)線監(jiān)控，同時(shí)要強(qiáng)化對(duì)各種部件的維護(hù)保養(yǎng)，定期檢查系統(tǒng)操作的質(zhì)量，特別要注意對(duì)設(shè)備的接觸效率進(jìn)行檢驗(yàn)，避免產(chǎn)生不良的影響，從而保障對(duì)無(wú)用無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行有效的監(jiān)控和排除[3]。

7.3接收機(jī)干擾監(jiān)測(cè)預(yù)防

民航VHF通信系統(tǒng)接收機(jī)在正常工作中所接收到的有用信號(hào)會(huì)持續(xù)地被轉(zhuǎn)換，為保證飛機(jī)安全、平穩(wěn)地航行提供必要的信息，當(dāng)它不能正常工作時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)丟失、指令錯(cuò)誤、信號(hào)阻斷等問(wèn)題。所以，在民航VHF通信系統(tǒng)中，必須重視對(duì)其工作頻率、工作指標(biāo)的監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)，從而保證接收機(jī)工作穩(wěn)定。應(yīng)強(qiáng)化對(duì)接收電路的檢測(cè)和故障的分析，選擇合適的和高品質(zhì)的濾波器，對(duì)無(wú)用信號(hào)進(jìn)行有效的入侵排查，從而大大提高接收機(jī)對(duì)無(wú)線信號(hào)的抗干擾能力[4]。

8結(jié)束語(yǔ)

在無(wú)線電的干擾下，民航的VHF通信系統(tǒng)會(huì)發(fā)生飛機(jī)通信受到干擾導(dǎo)致失真的情況，進(jìn)而危及航空飛機(jī)的安全與穩(wěn)定運(yùn)行。所以，在民航VHF通信中應(yīng)特別重視對(duì)其進(jìn)行無(wú)線干擾的監(jiān)控與防范，同時(shí)加強(qiáng)自身系統(tǒng)漏洞監(jiān)控，提高發(fā)射機(jī)工作的品質(zhì)，持續(xù)加強(qiáng)對(duì)外界無(wú)用信號(hào)的監(jiān)控，從而最大限度地避免其他無(wú)效信號(hào)干擾民航甚高頻通信系統(tǒng)工作。