民航甚高頻通信系統(tǒng)的可靠性分析與措施

中國民用航空華北地區(qū)空中交通管理局天津分局 鄭淶

隨著航班量的與日俱增、信道需求的不斷增加以及電磁環(huán)境的日益復(fù)雜，對(duì)甚高頻通信系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求。本文詳細(xì)介紹了甚高頻通信系統(tǒng)的工作原理以及影響其可靠性的因素，并從運(yùn)行維護(hù)和通信干擾兩個(gè)方面結(jié)合實(shí)際工作提出了相應(yīng)措施，旨在為后續(xù)工作提供參考。

甚高頻通信系統(tǒng)是民航地空通信業(yè)務(wù)中最重要的通信技術(shù)，其通話質(zhì)量、穩(wěn)定性及可靠性時(shí)刻影響著民航飛行的安全。VHF 通信的視距傳播方式容易受到地形、地勢(shì)和其他無線電臺(tái)的影響，這對(duì)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和外部環(huán)境提出了更高的要求。為了促進(jìn)我國民航事業(yè)的持續(xù)發(fā)展，充分了解甚高頻通信系統(tǒng)的工作原理，深入研究甚高頻通信系統(tǒng)的可靠性就顯得尤為重要。

1 甚高頻通信系統(tǒng)的工作原理

甚高頻通信系統(tǒng)在民航地空通信中的主要應(yīng)用包括話音通信和數(shù)據(jù)鏈通信。地空語音通信（如圖1 所示）具有典型的話音特點(diǎn)，其中VHF 本地臺(tái)用于機(jī)場(chǎng)、進(jìn)近（終端）管制區(qū)的通信和管理，遠(yuǎn)端遙控臺(tái)用于區(qū)域管制[1]。地空數(shù)據(jù)鏈通信則用于機(jī)場(chǎng)內(nèi)替代話音通信以及航務(wù)管理通信，數(shù)字放行系統(tǒng)是替代話音通信的典型應(yīng)用，增加了報(bào)文服務(wù)信息、管制員與飛行員自由信息等；航務(wù)管理通信用于航空器向航空公司下傳發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)、當(dāng)前位置等。

圖1 甚高頻地空語音通信工作方式Fig.1 VHF ground-to-air voice communication mode

目前，天津分局主用甚高頻通信系統(tǒng)位于東區(qū)航管樓，采用16 信道設(shè)計(jì)，其中發(fā)射天線位于航管樓頂，接收天線位于塔臺(tái)頂，為4 根共用天線，采用全向天線和垂直極化，天線特性阻抗為50Ω，備用甚高頻系統(tǒng)位于西區(qū)航管樓。VHF 收發(fā)信機(jī)為OTE D100 型電臺(tái)，工作頻率為118.000～136.975MHz，頻率間隔為25kHz，調(diào)制方式為DSB-AM，主要性能參數(shù)是采用交流220V±10%以及直流+24V±10%的雙電源供電方式；載波功率：進(jìn)近44dBm，塔臺(tái)40dBm，地面37dBm；發(fā)射機(jī)調(diào)制度≥85%；接收機(jī)靈敏度≤-103.5dBm@1kHz MOD=30% SINAD=12dB。VHF 收發(fā)信機(jī)由DM 模塊、TX 模塊、RX 模塊、PS 模塊、CP 模塊以及繼電器組成。

（1）DM 模塊：是OTE D100 電臺(tái)的核心，主要由微控制器、FPGA、DSP、時(shí)鐘生成器、音頻解碼器、接口電路等組成。DM 模塊利用FPGA 執(zhí)行中頻信號(hào)的解調(diào)和音頻信號(hào)的數(shù)字化處理；為電臺(tái)的每個(gè)模塊生成需要的不同頻率的參考時(shí)鐘；配置信息、各類參數(shù)的存儲(chǔ)；電源供電監(jiān)視；RCMS 相關(guān)信號(hào)的產(chǎn)生和處理。

（2）TX 模塊：在物理上分為TX 板和PA 板，各自與電臺(tái)背板連接。TX 板由數(shù)字部分和射頻部分組成，數(shù)字部分通過RS422 串行數(shù)據(jù)線對(duì)來自DM 模塊的IQ 樣本進(jìn)行管理。射頻部分包括抗混疊濾波器、調(diào)制器、頻率合成器和用于線性化的模擬反饋環(huán)路所需要的所有電路；PA 板是射頻功率放大器部分。具體功能包括：DM模塊的10MHz 參考頻率與本地VCO 頻率合成，形成本地載波信號(hào)；將來自DM 模塊的IQ 數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，調(diào)制載波信號(hào)；將頻率合成器送來的20mW 載波信號(hào)最高放大至50W；監(jiān)控相關(guān)參數(shù)，例如，正向功率、反向功率和溫度。

（3）RX 模塊：基于超外差設(shè)計(jì)，將接收到的RF 信號(hào)進(jìn)行二次下變頻，放大，A/D 轉(zhuǎn)換為I/Q 格式的數(shù)據(jù)流，通過RS422 串行接口將其發(fā)送到DM 模塊。在物理上分為Front-End 板和RX 板。Front-End 板：射頻輸入信號(hào)首先通過兩個(gè)可調(diào)諧的濾波器和一個(gè)低噪聲放大器，用于滿足靈敏度和鏡像抑制的要求，信號(hào)再發(fā)送到第一混頻器進(jìn)行第一次下變頻（21.4MHz）；RX 板分為射頻部分和數(shù)字部分：射頻部分提供中頻信號(hào)處理、第二次下變頻（455kHz）、信號(hào)AGC 和模數(shù)轉(zhuǎn)換的功能，而數(shù)字部分提供完整的RX 模塊控制、診斷和與外部單元的通信。

（4）PS 模塊：將外部輸入的220VAC 主電壓和+24VDC備電壓轉(zhuǎn)換成各模塊所需的直流電壓（+28VDC，+13.5VDC，+5VDC，+3.3VDC）；提供GND 和告警信息（OverTemp，OverLoad，AC/DC Fail）。

（5）CP 模塊：電臺(tái)參數(shù)的監(jiān)視和設(shè)置（通過顯示屏和按鍵）；音頻輸入輸出（通過揚(yáng)聲器和話筒接口）。

（6）繼電器：電臺(tái)不發(fā)射時(shí)，N 型端口與常閉SMA端口連通；電臺(tái)發(fā)射時(shí)，N 型端口與常開SMA 端口連通，用于收發(fā)信機(jī)的收發(fā)切換和發(fā)射機(jī)的主備切換。

2 甚高頻通信系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)

甚高頻通信系統(tǒng)承載著民航地空通信業(yè)務(wù)，硬件設(shè)備的完整程度、質(zhì)量優(yōu)劣等直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和完好性，而地空通信業(yè)務(wù)的時(shí)效性取決于甚高頻系統(tǒng)的可靠性。因此，甚高頻通信設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)是影響系統(tǒng)可靠性的首要因素[2]，包括甚高頻電臺(tái)、傳輸接入設(shè)備、終端設(shè)備以及設(shè)備連線等（如圖2 所示）。

圖2 甚高頻語音通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.2 VHF voice communication network topology

2.1 VHF 電臺(tái)故障

VHF 電臺(tái)主要包括天線共用系統(tǒng)和單機(jī)系統(tǒng)，其中天線共用系統(tǒng)故障類型分為控制信號(hào)故障、音頻信號(hào)故障以及電源故障。故障處置：（1）當(dāng)設(shè)備控制面板出現(xiàn)告警信息時(shí)，根據(jù)OTE 設(shè)備技術(shù)手冊(cè)告警信息處理表進(jìn)行處理；（2）當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)供電方面故障時(shí)，依次檢查交流電源、電源饋線、保險(xiǎn)管、PS 模塊有無故障，若有則需進(jìn)行維護(hù)或更換；（3）當(dāng)設(shè)備模塊告警燈亮?xí)r，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)模塊進(jìn)行更換；（4）當(dāng)需要對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行配置時(shí)，使用LMT 軟件執(zhí)行相應(yīng)操作；（5）當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)長發(fā)射故障時(shí)，應(yīng)檢查該路頻率設(shè)備在語音系統(tǒng)配線架上是否出現(xiàn)短路情況，檢查語音通信系統(tǒng)席位上話筒、耳麥等音頻設(shè)備上是否出現(xiàn)故障。或當(dāng)單機(jī)設(shè)備出現(xiàn)長發(fā)射故障時(shí)，應(yīng)檢查設(shè)備話筒是否故障，收發(fā)繼電器是否長粘連；（6）當(dāng)發(fā)射出現(xiàn)駐波比過大時(shí)，應(yīng)依次檢查天線、射頻電纜、射頻繼電器、功放模塊是否故障。

2.2 傳輸接入設(shè)備故障

傳輸接入設(shè)備主要用于鍵控信號(hào)以及話音數(shù)字化處理，在實(shí)際工作中故障較為常見，其原因包括：（1）硬件設(shè)置錯(cuò)誤、軟件參數(shù)改變和傳輸接口故障。故障處置：檢查系統(tǒng)內(nèi)是否存在器件故障或老化情況，如有則進(jìn)行更換，并在更換完成后檢查系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，以避免發(fā)生潛在的故障；（2）通信傳輸鏈路可能出現(xiàn)故障。故障處置：及時(shí)與運(yùn)營商聯(lián)系，核實(shí)所轄鏈路的通信狀況是否正常，若正常，則對(duì)其他傳輸設(shè)備進(jìn)行檢查。

2.3 終端設(shè)備故障

語音通信交換系統(tǒng)和應(yīng)急遙控盒均屬于終端設(shè)備。當(dāng)內(nèi)話系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可能導(dǎo)致多個(gè)席位工作異常，在此類故障出現(xiàn)后，需要立即切換至應(yīng)急遙控盒以確保地空通話正常進(jìn)行。完成相應(yīng)的應(yīng)急處置后，可以通過系統(tǒng)監(jiān)控確認(rèn)系統(tǒng)故障點(diǎn)及其原因。對(duì)于主機(jī)內(nèi)板卡出現(xiàn)告警的故障處理：戴上防靜電護(hù)腕，拔插該板卡；查看該板卡狀態(tài)是否正常，若仍有告警，則更換該板卡。對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)無法監(jiān)測(cè)的故障類型，需要技術(shù)維護(hù)人員根據(jù)管制員通報(bào)的具體運(yùn)行情況排查相關(guān)問題。與系統(tǒng)故障相比，觸摸屏異常、線路工作異常以及麥克風(fēng)不工作等都會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響。（1）當(dāng)席位觸摸屏故障時(shí)：1）若為觸摸屏黑屏，檢查電源并重啟該觸摸屏，若重啟后仍黑屏，更換觸摸屏；2）若為觸摸屏左上角“LOCAL”燈變紅，拔插電源插頭并重啟該觸摸屏，若重啟后仍為紅色，在主機(jī)柜中找到該屏幕對(duì)應(yīng)板卡熱插拔后即可。（2）當(dāng)某一頻率無法使用時(shí)，確認(rèn)是發(fā)射還是接收不可用，檢查對(duì)應(yīng)板卡狀態(tài)是否正常，若正常則在配線架上用耳機(jī)測(cè)試該頻率是否有音頻信號(hào)，若沒有，則為信號(hào)源端故障，需更換板卡。

2.4 設(shè)備連接故障

設(shè)備連接故障很難在日常檢查工作中被發(fā)現(xiàn)，其故障類型主要包括線路短路、斷路以及連接位置松動(dòng)等。在實(shí)際工作中，需要依次檢查其他類型的故障，以便發(fā)現(xiàn)此類故障。對(duì)于線路類型的故障處置：（1）可以使用萬用表測(cè)試線路狀態(tài)；（2）在條件允許的情況下，可采用替換法進(jìn)行排查從而快速解決故障。為預(yù)防此類故障，在日常維護(hù)工作中應(yīng)該對(duì)熱縮管進(jìn)行焊接操作，以避免人為因素引起的問題。

3 甚高頻通信系統(tǒng)的通信干擾

民航地空通信業(yè)務(wù)中的無線電干擾從產(chǎn)生機(jī)理上可分為同頻干擾、互調(diào)干擾、鄰道干擾、雜散輻射干擾等，其中影響較大的是互調(diào)干擾和同頻干擾。

3.1 互調(diào)干擾

甚高頻通信系統(tǒng)元件的非線性問題是導(dǎo)致互調(diào)干擾的主要原因，經(jīng)過非線性作用會(huì)產(chǎn)生許多諧波和組合頻率分量[3]。兩個(gè)或兩個(gè)以上不同頻率的干擾信號(hào)進(jìn)入非線性電路，干擾信號(hào)（ωA、ωB、ωC）與被干擾信號(hào)（ωS）需滿足以下條件：2ωA-ωB=ωS或ωA+ωB-ωC=ωS，干擾電臺(tái)與被干擾電臺(tái)同時(shí)工作且干擾信號(hào)幅度足夠大?；フ{(diào)干擾會(huì)影響管制員與機(jī)組地空通信質(zhì)量；增加發(fā)射機(jī)故障率，縮短其壽命；降低有效功率；影響空間電波秩序。

3.1.1 互調(diào)干擾分為發(fā)射機(jī)互調(diào)、接收機(jī)互調(diào)和外部互調(diào)

（1）發(fā)射機(jī)互調(diào)是指多臺(tái)發(fā)射機(jī)同時(shí)工作，由于合路器的隔離度不足而導(dǎo)致信號(hào)耦合，干擾信號(hào)進(jìn)入發(fā)射機(jī)末級(jí)功率放大器，產(chǎn)生新的組合頻率信號(hào)并同有用信號(hào)發(fā)射；（2）接收機(jī)互調(diào)是由高放級(jí)和第一混頻級(jí)的電路非線性問題導(dǎo)致；（3）外部互調(diào)是由于發(fā)射機(jī)饋線、高頻濾波器等無源器件接觸不良以及異種金屬的接觸部分非線性等原因，使強(qiáng)電場(chǎng)的發(fā)散信號(hào)引起互調(diào)。

3.1.2 發(fā)射機(jī)互調(diào)的預(yù)防措施

（1）適當(dāng)增加發(fā)射天線間的距離，保證耦合損耗大于50dB；（2）在發(fā)射機(jī)和天線間插入單向隔離器；（3）輸出端采用高Q 值濾波器；（4）增大發(fā)射機(jī)的互調(diào)變換損耗。

3.1.3 接收機(jī)互調(diào)的預(yù)防措施

（1）提高接收機(jī)前端電路的線性度，如使用有平方律特性器件；（2）接收機(jī)前端濾波采用多級(jí)調(diào)諧回路，提升接收機(jī)的選擇性；（3）選用無三階互調(diào)的頻道組工作；（4）增加信號(hào)衰減器抑制強(qiáng)干擾信號(hào)，使其不能進(jìn)入高放級(jí)和第一混頻級(jí)。

3.1.4 外部互調(diào)的預(yù)防措施

（1）完善防潮、防銹等日常維護(hù)措施；（2）加強(qiáng)設(shè)備檢測(cè)避免接觸不良等問題；（3）增加監(jiān)測(cè)系統(tǒng)識(shí)別干擾源。

3.2 天津本場(chǎng)干擾處置

天津分局東區(qū)主用甚高頻系統(tǒng)自投產(chǎn)運(yùn)行以來，多次發(fā)生陣發(fā)性全頻率干擾事件，期間主用VHF 接收機(jī)無法正常工作，現(xiàn)象為受到嘯叫聲干擾且無有用信號(hào)，而同頻異址的備份甚高頻系統(tǒng)工作狀態(tài)正常。在后續(xù)調(diào)查工作中發(fā)現(xiàn)其主要發(fā)生在雷暴前或雷暴期間，持續(xù)時(shí)間為5 ～15min。

3.2.1 干擾排查

干擾發(fā)生在雷雨天氣且為全頻干擾，以互調(diào)干擾為切入點(diǎn)。（1）技術(shù)人員對(duì)腔體濾波器和隔離器進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果分別顯示鄰道衰減超過60dB 以及反向衰減超過45dB；（2）使用干擾分析儀對(duì)塔頂周圍的電磁環(huán)境進(jìn)行測(cè)試未找到可能的干擾源；（3）檢測(cè)塔頂接地電阻1 ～1.2Ω，天饋線及SPD 均正常；（4）檢測(cè)塔頂障礙燈電磁外泄正常；（5）對(duì)塔頂裸露生銹的金屬部位進(jìn)行防銹防腐處理。

3.2.2 干擾原因

（1）塔頂天線設(shè)置集中，容易引起互調(diào)干擾和外部電磁背景噪聲干擾；（2）饋線未采用屏蔽技術(shù)，在遭遇雷電電磁脈沖或空間電磁場(chǎng)變化時(shí)，外部電磁脈沖容易通過長導(dǎo)體耦合對(duì)接收機(jī)造成干擾；（3）共用天線和射頻電路中部分金屬接頭接觸不良，易產(chǎn)生互調(diào)干擾；（4）VHF 設(shè)備及天線接地設(shè)置存在缺陷。

3.2.3 處置措施

（1）根據(jù)公式c=λ×f 以及VHF 電臺(tái)的工作頻率118.000 ～130.000MHz，計(jì)算得出電臺(tái)對(duì)應(yīng)工作波長為2.54 ～2.30m。天線距離塔頂平面的相對(duì)高度應(yīng)避免λ/4，合理設(shè)置相對(duì)高度0.63 ～1.14m；（2）整理天線饋線并采取有效的屏蔽措施，采用金屬橋架敷設(shè)方式來屏蔽線纜以及金屬箔帶纏繞方式來屏蔽橋架外的線纜；（3）檢查收發(fā)信機(jī)的線纜接地、屏蔽和SPD 并改進(jìn)其安裝工藝，檢查金屬接頭連接情況并處理接觸不良或銹蝕問題；（4）斷開天線、饋線、接收機(jī)與塔頂預(yù)留扁鋼之間的接地連接，從總等電位匯集板引出設(shè)備專用的兩根屏蔽接地電纜，分別通過塔身電纜橋架敷設(shè)至維修環(huán)機(jī)房與塔頂設(shè)備接匯集銅板，并將設(shè)備等電位接匯集銅板使用絕緣子固定。

4 結(jié)論

通過本文對(duì)甚高頻通信系統(tǒng)的分析，可以得出加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)工作和提升抗干擾性能是提高該系統(tǒng)可靠性的必要手段和方法?？偠灾醺哳l通信系統(tǒng)在保障航空器飛行安全方面發(fā)揮著重要作用。因此，空管設(shè)備的技術(shù)維護(hù)人員需要深入研究影響甚高頻通信系統(tǒng)可靠性的各種因素，并找出問題根源，根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)改進(jìn)措施。