VHF地空通信中的几类干扰问题浅析

VHF地空通信中的几类干扰问题浅析刘 云内容摘要：本文结合作者多年参与民航空管甚高频通信系统建设的经验和高频电子基本理论，分析了VHF地空通信中的几类常见干扰问题。对各种干扰问题表现出的现象、产生的原因、解决的方法进行了初步的探讨。关键词： 甚高频，交调干扰，互调干扰，同频干扰VHF通信系统是管制人员实施正确、安全的空中交通管制的最核心的系统之一，作为实施“雷达管制”的基本保证，其工作情况的好坏将直接关系到管制中心的运行和民航飞行安全。由于机场周围电磁环境的复杂，以及VHF通信手段自身的一些特点，使得VHF通信系统很容易受到干扰，对这些常见干扰问题的深入了解，将有助于提高系统运行的可靠性，提升民航空管技术保障部门的保障能力，并对以后的管制中心VHF系统建设提供宝贵的经验。一、VHF地空通信常见干扰简介在无线电通信中，存在各种各样的干扰情况。根据其表现的不同主要分为邻频道干扰、交调干扰、互调干扰、阻塞干扰等。结合民航甚高频通信自身的特点和建设的具体情况，对甚高频通信影响比较大的主要有交调干扰、互调干扰；同时由于在甚高频大区覆盖中，不可避免的会出现多个台站同时发射的情况，由此出现特定的同频干扰，这也是民航空管地空通信中最为常见的一种干扰现象。下面将针对这几类干扰，进行简单的分析。二、交调干扰的现象及理论分析2.1 交调干扰的现象表现 在空管领域，地面甚高频接收机被别的大功率通信设备干扰的现象属于交调干扰。其现象为：接收机调谐在有用信号的频率上时，干扰电台的调制信号听得很清楚；而当接收机对有用信号失谐时，干扰信号可听度降低，并随着有用信号的消失而消失，好像干扰信号的调制转移到了有用信号的载波上。交调干扰在接收机的高放级或混频级都可能发生，一旦产生，后端的中频回路是无法把它们消除的。2.2 交调干扰的理论分析 交调干扰是由于晶体管放大器或混频器的非线性特性所产生的，因此可从晶体管正向转移特性icvin关系入手，进行分析。设作用于输入端的信号有：有用信号： vs=Vscosst，干扰信号： vn=Vncosnt，上述公式中，V分别是各信号的振幅，被音频信号所调制，分别是各信号的载波角频率（2f）。则合成信号为： vVscosstVncosnt 将ic展开成v的泰勒幂级数，得：icf（VB+v）=f（VB）f（VB）vf（VB）v2f（VB）v3+， （1）设f（VB）g，f（VB）g， f（VB）=g，则icf（VB）gv+gv2gv3+ （2）（2）式中，g是晶体管的跨导，VB是直流偏置电压。 将vVscosstVncosnt代入（2）式中，并经过三角变换后，把信号的基波电流取出，得：ic1（g Vsg Vs Vn2）cosst （3） 由于vs和vn均为已调信号，其振幅随音频信号的变化而变化。实际振幅的数学表达式分别为：Vs（1m1cos1t）、Vn（1m2cos2t），其中1和2分别表示调制在有用载波和干扰载波上的音频信号角频率，m1和m2分别表示各自的调制度。将实际振幅的表达式代入（3）中，经三角变换后，略去高次项，即得：ic1（g Vsg Vs m1 cos1tg Vs Vn2 m2cos2t）cosst （4） （4）中的第二项即为有用信号的调制，第三项为干扰信号所转移的调制。定义交叉调制系数kf如下： kf Vn2 （5）2.3 交调干扰的几点结论由表达式（5）可知：l 交调干扰是由晶体管特性的三次或更高次非线性特性产生的，它与g成正比。l 交叉调制的程度与干扰信号振幅的平方成正比，所以提高前端的选择特性，减弱干扰信号的振幅，是克服交调干扰的有效手段。l 交叉调制系数与有用信号的幅度无关，因此不能用增加有用信号强度的方法来克服交调干扰。l 交调干扰的产生，无需有用信号与干扰信号之间发生频率联系，即不管干扰信号的频率距离有用信号频率多远，只要它的强度足够，并进入接收机前端，就可能产生交调干扰。 由以上描述可知，在接收机附近有足够强的干扰源时就会产生交调干扰，而与干扰源的频率无关。根据这些特点，在民航解决交调干扰的办法主要有：增加接收机前端的选择特性（例如增加腔体滤波器）；通过无委对超出国家规定的各种发射台站进行规范管理，以降低干扰源的发射功率。三、互调干扰的现象及理论分析3.1 互调干扰的现象 当有两个或更多个干扰信号一起加到接收机的输入端时，由于放大器的非线性作用，使干扰信号彼此混频，可能产生频率接近有用信号频率的互调干扰分量，并与有用信号一道进入接收机中频系统，在检波器差拍检波后，产生啸叫声。3.2 互调干扰的理论分析与前述相同，可以从晶体管的正向转移特性入手，进行分析。假定输入信号包括两个干扰信号和一个有用信号，即： vV1cos1tV2cos2tVscosst （1）将ic展开为v的泰勒幂级数，得：icf（VB）gv+gv2gv3+ （2）（2）式中，第一项是直流项（常数）；第二项是线性放大项；第三项是二阶失真项；第四项是三阶失真项。将（1）式代入到（2）式中，并经过三角变换可得：icg Vscosstg V1 V2cos(1+2)tcos(1-2)t （线性放大） （二阶互调）g V12 V2 cos(212)t （3） （三阶互调）上式中仅写出有关项的表达式，其余省略。 由（3）可知，构成二阶互调干扰的条件是：12s，构成三阶互调干扰的条件是：212s。3.3 互调干扰的几点结论根据上面的讨论可知：l 互调干扰是由放大器的二次、三次和更高次非线性（即二阶、三阶失真项）产生的。l 互调干扰分量的强度与输入干扰信号的振幅有关。通常三阶互调干扰的危害性较大，这是因为二阶互调干扰可采用亚倍频程前置滤波器去除，而去除三阶互调干扰则比较困难。l 产生互调干扰的干扰源其频率之间必须满足一定的关系，这与交调干扰不同。四、同频干扰的现象及理论分析同频干扰是在甚高频大区覆盖系统建设中比较普遍存在的问题。为保证管制扇区的区域覆盖，一般由多个甚高频台站组成一个扇区的地空通信系统，当这多个台站同时发射时，就会出现同频干扰。4.1 同频干扰的现象 当有两个相同频率的信号一起加到接收机的输入端时，由于放大器的非线性作用，使这两个信号混频，而这两个载波分别由不同的振荡源产生，频率不可能完全相同，存在着微小的差异。同时由于多普勒效应，混频后使得这微小的差异变大，落入音频范围内，经检波后产生很大的背景噪音。4.2 同频干扰的理论分析4.2.1 频率稳定度介绍 频率稳定度是甚高频电台的一个重要指标，单位为ppm（百万分之一）。由于电子元器件的特性不可能完全相同，由此组成的振荡源存在微小的差异，频率稳定度就是说明该差异大小的一个指标。以3ppm的甚高频电台为例，假设电台频率设为130M，则其载波的真实频率位于：130106130106310-6（Hz），130106130106310-6（Hz）之间，频率漂移量为390Hz。4.2.2 多普勒效应由于波源与观测者有相对运动而使观测者所接收到的波的频率发生变化的现象叫作多普勒效应，多普勒效应会造成飞机收到地面甚高频台站发射的电磁波频率偏移。当飞机的飞行方向是飞离甚高频台站时，飞机实际接收到的甚高频电台的频率为：ff，本式中，f为地面台站的频率，u为电磁波传播速度，v为飞机飞行速度，频率的偏移量为：ff，当飞机的飞行方向是飞向台站时，频率的偏移量为：ff。假设地面台站的频率为130M，飞机的飞行速度是720公里/小时（200米/秒），电磁波的速度按光速3X108（米/秒）计算，则频率的偏移量为：f87Hz。4.2.3 同频干扰产生的原因 假设有两个同频的电台，其设置频率为f1，实际的载波频率为f1f1，f1f2，飞机向着其中一个台站飞行，远离另一台站，如下图所示：台站2台站1台站1发出的电磁波为： V1cos2（f1f1）t，台站2发出的电磁波为：V2cos2（f1f2）t。根据多普勒效应，飞机收到台站1的信号频率为：f1f187Hz，飞机收到台站2的信号频率为：f1f287Hz，即： vV1cos2（f1f1-87）tV2cos2（f1f2+87）t （1）如前所述，将ic展开为v的泰勒幂级数，得：icf（VB）gv+gv2gv3+ （2）将（1）式代入（2）中，并经三角运算后可得：icg V1 2（f1f1-87）tg V2cos2（f1f2+87）t （线性放大）g V1 V2 cos 2（2f1f1f2）tg V1 V2 cos2（f1f2174）t （3） （干扰项）由（3）式可知，混频后产生了一个f1f2174的频率分量，若电台的频率稳定度为3ppm，则f1的取值范围为390Hz，f2的取值范围为390Hz，新的频率分量的取值范围为174954Hz；若电台的频率稳定度为1ppm，则f1的取值范围为130Hz，f2的取值范围为130Hz，新的频率分量的取值范围为174434Hz。可见该频率分量落入了音频范围，在后端的音频处理电路中是无法滤除的。4.3 同频干扰的解决方案根据前面的描述，产生同频干扰的根本原因是由于发射机的频率不能完全一致，而使得飞机收到的信号混频后产生音频噪音，多普勒效应加强了这种干扰效果。基于上述原因，目前解决同频干扰的办法集中于两个方面：频偏设置和异地同频。4.3.1 频偏设置 设置频偏解决同频干扰的原理是通过人为的设置使发射机的频率产生偏移，使得飞机上的接收机在混频后产生的新的频率成分不在音频范围内。 仍以前面的图为例，假设台站1的电台设置频率为f1，频偏设置为f频偏1，由电台本身产生的频率偏移为f1，台站2的电台设置频率为f1，频偏设置为f频偏2，由电台本身产生的频率偏移为f2。则：飞机收到台站1的信号频率为：f1f频偏1f187Hz，飞机收到台站2的信号频率为：f1f频偏2f287Hz，混频后产生的可能干扰项为：（f频偏1f频偏2）（f1f2）174 通过前面的描述可知，（f1f2）174是在音频范围内，但只要设置合适的频偏，使得（f频偏1f频偏2）（f1f2）174不在音频范围内，即可消除同频干扰。当有