□ 民航貴州空管分局技術(shù)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(shè)備間的干擾也日益嚴(yán)重。無(wú)線電干擾類型有同頻干擾、鄰頻干擾、互調(diào)干擾、帶外干擾和阻塞干擾等，其中又以互調(diào)干擾對(duì)通信的危害尤為嚴(yán)重。當(dāng)干擾發(fā)生時(shí)，飛行員和管制員耳中充斥著強(qiáng)烈的背景噪音，致使雙方通信困難甚至失去聯(lián)絡(luò)，嚴(yán)重干擾了地空通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，對(duì)民航VHF頻段資源進(jìn)行干擾排查，實(shí)現(xiàn)提前預(yù)防、減小或消除互調(diào)干擾，對(duì)民航飛行安全至關(guān)重要。

互調(diào)干擾的概念和成因

無(wú)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(dāng)兩個(gè)或以上頻率的信號(hào)同時(shí)侵入發(fā)射機(jī)天線或接收機(jī)的輸入端電路，由于電路的非線性將其相互調(diào)制，會(huì)生成多個(gè)諧波及組合頻率分量，若組合頻率分量剛好與接收機(jī)工作頻率相等或接近，則可能落入接收機(jī)頻帶內(nèi)而形成互調(diào)干擾。由此，互調(diào)干擾的形成主要來(lái)自三個(gè)方面：發(fā)射機(jī)互調(diào)干擾、接收機(jī)互調(diào)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(chǎn)生的非線性作用。

互調(diào)干擾對(duì)通信設(shè)備的損害是極其嚴(yán)重的。較發(fā)射機(jī)而言，當(dāng)發(fā)射機(jī)調(diào)試好后，其工作頻率處于輸出電路的最優(yōu)諧振頻率點(diǎn)上，此時(shí)電路中的電流最小，然而互調(diào)產(chǎn)物使發(fā)射機(jī)內(nèi)部工作電路失諧，電流增大，元器件發(fā)熱，最終導(dǎo)致發(fā)射機(jī)故障率大幅增加。且當(dāng)發(fā)射機(jī)的主頻與其他無(wú)用頻率互調(diào)，將大大降低發(fā)射機(jī)的有效功率，影響發(fā)射性能。相較接收機(jī)而言，由于互調(diào)信號(hào)會(huì)導(dǎo)致主頻頻譜發(fā)生畸變，當(dāng)接收機(jī)對(duì)收到畸變后的射頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，誤碼率增加，通信質(zhì)量降低，導(dǎo)致通信雙方無(wú)法進(jìn)行有效通信。

互調(diào)干擾的產(chǎn)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(lái)源：

（一）發(fā)射機(jī)互調(diào)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(hào)經(jīng)天線侵入，或經(jīng)RF器件與發(fā)射機(jī)末級(jí)耦合，使主頻與干擾頻率相互調(diào)制，生成新的頻率并隨主頻一起向外輸出，接收機(jī)收到互調(diào)信號(hào)形成干擾。通常，發(fā)射機(jī)天線相距過(guò)近，水平和垂直的隔離度達(dá)不到規(guī)范，且發(fā)射機(jī)載波功率較強(qiáng)時(shí)，容易造成接收機(jī)互調(diào)干擾。

（二）接收機(jī)互調(diào)干擾

在接收機(jī)的前端電路（高頻放大電路、變頻器）中，當(dāng)兩個(gè)或以上頻率的信號(hào)同時(shí)進(jìn)入接收機(jī)，由于電路的非線性，使其相互調(diào)制產(chǎn)生互調(diào)信號(hào)，若互調(diào)產(chǎn)物恰好與接收機(jī)工作頻率相近，則可能落入接收機(jī)調(diào)諧的接收帶寬內(nèi)而形成互調(diào)干擾。

（三）外部效應(yīng)引起的互調(diào)干擾

在發(fā)射機(jī)的電路中，由于發(fā)射機(jī)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(dǎo)致電路的非線性，使強(qiáng)射頻電場(chǎng)的發(fā)散信號(hào)互調(diào)，形成干擾源。這類互調(diào)干擾的特點(diǎn)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(guò)以上分析，我們得出互調(diào)干擾形成的三個(gè)必要前提：第一，電路的非線性；第二，互調(diào)頻率可以進(jìn)入非線性器件；第三，互調(diào)信號(hào)的頻率與接收機(jī)工作主頻相同。以上條件必須同時(shí)滿足才能形成互調(diào)干擾，因此對(duì)互調(diào)干擾的防護(hù)應(yīng)從以上三個(gè)方面考慮。

互調(diào)干擾的數(shù)學(xué)表達(dá)

以下對(duì)互調(diào)干擾的形成原理進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。

非線性器件的輸出電流ic與輸入電壓ui（t）的關(guān)系為：

式中，ki為比例常數(shù)，且k1＞k2＞k3…

當(dāng)兩個(gè)干擾信號(hào)同時(shí)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(gè)信號(hào)的振幅，被音頻信號(hào)調(diào)制，ω表示各信號(hào)的載波角頻率ω=2πf。

設(shè)有用信號(hào)為：us＝ms（t）cosωst

則合成信號(hào)為：

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

將ui（t）表達(dá)式帶入ic可得：

經(jīng)過(guò)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(yuǎn)離有用頻率ωs，不屬于互調(diào)頻率。

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

3.N＝A＋B＋C＝3時(shí)的三階失真項(xiàng)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(gè)或者三個(gè)頻率的頻率組合值接近于有用信號(hào)的頻率ωs，如2ω1－ω2≈ωs、或ωs±（ω1－ω2）≈ωs，則可以落入接收機(jī)調(diào)諧的接收帶寬內(nèi)，產(chǎn)生三階互調(diào)干擾。

4.N＝A＋B＋C＝5時(shí)的五階失真項(xiàng)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(gè)或者三個(gè)頻率的頻率組合值接近于有用信號(hào)的頻率ωs，如3ω1－ 2ω2≈ ωs、3ω2－ 2ω1≈ ωs或 3ωs±（ω1－ω2）≈ωs，則可以落入接收機(jī)調(diào)諧的接收帶寬內(nèi)，產(chǎn)生五階互調(diào)干擾。

5.互調(diào)干擾的強(qiáng)度與其振幅呈正相關(guān)，互調(diào)信號(hào)的振幅越大，互調(diào)干擾分量的強(qiáng)度越大，因此三階互調(diào)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(duì)系統(tǒng)的影響較小，一般可以不予考慮。

民航VHF互調(diào)干擾算法建模

（一）建模背景

由于民航現(xiàn)在使用的VHF電臺(tái)在制作工藝上已經(jīng)相當(dāng)成熟，想通過(guò)改善硬件結(jié)構(gòu)的方式排除電路的非線性，實(shí)屬不易。因此，在頻率資源的分配過(guò)程中，最有效的辦法是通過(guò)計(jì)算排除掉可能產(chǎn)生互調(diào)干擾的頻率組，即采取措施，讓互調(diào)分量的頻率與接收機(jī)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(píng)估尋找互調(diào)頻率點(diǎn)的方法，計(jì)算量太大，難以得到準(zhǔn)確、全面的結(jié)論。通過(guò)對(duì)信道互調(diào)原理的分析，可以建立數(shù)學(xué)模型，利用計(jì)算機(jī)獲取互調(diào)干擾頻率組，找出干擾源，抑或是在頻點(diǎn)規(guī)劃之初，利用模型結(jié)論排除掉可能造成互調(diào)干擾的規(guī)劃方案，為優(yōu)化頻點(diǎn)臺(tái)站資源提供依據(jù)。

（二）基本假設(shè)

在非線性器件中，系數(shù)kn＋1＜kn，高階互調(diào)的系數(shù)通常都小于低階互調(diào)分量，強(qiáng)度也低很多。七階、九階及以上的互調(diào)干擾對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的影響已經(jīng)很小，而且實(shí)現(xiàn)起來(lái)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)算量要求也比較大，因此本模型只考慮計(jì)算較為常見的三階互調(diào)和五階互調(diào)干擾。

（三）算法描述

輸入：管制區(qū)內(nèi)無(wú)線電頻率輸入數(shù)組frequency_in，包括民航VHF電臺(tái)和調(diào)頻廣播電臺(tái)頻率。

輸出：互調(diào)干擾頻率輸出數(shù)組frequency_out

第1步：頻率初始化。定義一個(gè)初值為0的6×1000的二維的互調(diào)干擾頻率輸出數(shù)組frequency_out。frequency_out(i,k)為互調(diào)干擾的發(fā)射頻率，frequency_out(6,k)為互調(diào)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(yù)處理。由于頻率值單位為MHz，步長(zhǎng)為25KHz，導(dǎo)致頻率值均為浮點(diǎn)數(shù)，為抑制計(jì)算機(jī)浮點(diǎn)計(jì)算帶來(lái)的誤差，所有頻率均以KHz為單位，對(duì)頻率值進(jìn)行整數(shù)化處理。

設(shè) 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(diào)干擾頻率組。

遍歷所有的Fi：

① 若 4個(gè) 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(diào)干擾；

k＝ k＋1；

②若3個(gè)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(diào)干擾；

k＝ k＋1；

第4步：尋找五階互調(diào)干擾頻率組。

遍歷所有的Fi：

①若 6個(gè)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(gè)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(gè) 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(gè)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(fù)。遍歷互調(diào)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(jié)果輸出。輸出frequency_out不全為0的行。

實(shí)例驗(yàn)證

（一）典型案例1

2018年4月，貴陽(yáng)管制員反應(yīng)區(qū)調(diào)120.7MHz頻繁收到進(jìn)近120.075MHz的串?dāng)_，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(diào)干擾。

1.建模分析

根據(jù)建模，計(jì)算貴陽(yáng)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(duì)應(yīng)Fi中的82、107。

表1：貴陽(yáng)管制區(qū)取整頻率Fi

表2：互調(diào)干擾頻率輸出數(shù)組frequency_out

表3：互調(diào)干擾頻率輸出數(shù)組frequency_out

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

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

2.處置措施

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

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

經(jīng)過(guò)以上調(diào)整，觀察120.7MHz的串?dāng)_現(xiàn)象消失，建模結(jié)果真實(shí)有效。

（二）典型案例2

2018年10月，貴陽(yáng)管制員反應(yīng)區(qū)調(diào)133.45MHz頻繁收到進(jìn)近120.7MHz的串?dāng)_，初步懷疑133.45MHz、120.7MHz與某一頻率發(fā)生互調(diào)干擾。

1.建模分析

如前所示，對(duì)近期管制區(qū)內(nèi)新增頻率124.95MHz取整，取整后對(duì)應(yīng)Fi中的值為277。

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

根據(jù)建模結(jié)果得出F1（124.95MHz）、F2（120.7MHz）、F3（133.45MHz）構(gòu)成五階互調(diào)干擾，即3F1－2F2＝F3。由于124.95MHz為區(qū)調(diào)新增頻率，與近期開始頻繁反應(yīng)的串?dāng)_現(xiàn)象相符。

2.處置措施

由于發(fā)生串?dāng)_的三個(gè)頻率分屬于不同的臺(tái)站，且均為區(qū)調(diào)頻率，無(wú)論是采用調(diào)低發(fā)射功率的方式，還是采用更換臺(tái)站的方式，均會(huì)影響區(qū)調(diào)扇區(qū)內(nèi)甚高頻的航路覆蓋效果。因此采用對(duì)124.95MHz、120.7MHz、133.45MHz三個(gè)頻率設(shè)置頻偏的方式抑制互調(diào)干擾，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試調(diào)整后觀察133.45MHz的串?dāng)_現(xiàn)象消失，建模結(jié)果真實(shí)有效。

結(jié)束語(yǔ)：

本文通過(guò)分析頻率互調(diào)干擾的形成機(jī)理，建立基于無(wú)線電互調(diào)干擾算法的仿真計(jì)算模型，成功排查貴陽(yáng)管制區(qū)內(nèi)發(fā)生的兩起VHF三階、五階互調(diào)干擾源。本文構(gòu)建的互調(diào)干擾計(jì)算模型準(zhǔn)確實(shí)用，可減小民航VHF電臺(tái)頻率干擾源排查的工作量，為民航VHF頻點(diǎn)使用提供風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，為合理優(yōu)化現(xiàn)有頻點(diǎn)提供參考依據(jù)。