無線電羅盤角度抖動問題分析研究

李明巧

（哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150066）

無線電羅盤能連續(xù)地指示出直升機(jī)縱軸與電臺方向之間的角度，因而能按地面臺（導(dǎo)航臺或廣播電臺）進(jìn)行導(dǎo)航，有兩種工作方式：收訊和羅盤。工作在收訊狀態(tài)時，可作為一個中、長波接收機(jī)；工作在羅盤狀態(tài)時，系統(tǒng)是一個自動定向設(shè)備，向飛行員提供相應(yīng)地面臺的相對方位信息，同時向直升機(jī)新品系統(tǒng)提供音頻識別信號。

1 故障現(xiàn)象

某型機(jī)在地面校羅盤工程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)接收信號中無音頻時，角度穩(wěn)定；當(dāng)接收信號中有音頻（莫爾斯碼）時，角度開始出現(xiàn)抖動，不能穩(wěn)定指示，超出誤差范圍，而且音頻持續(xù)時間越長，角度抖動越大。

2 機(jī)理分析

2.1 無線電羅盤工作原理

該型機(jī)安裝的無線電羅盤由接收機(jī)和天線組成，該型羅盤采用超外差體制。

無線電羅盤天線接收調(diào)幅波信號，系統(tǒng)工作需要兩種天線。一種是無方向性的，稱為垂直天線用來辨向。另一種是有方向性的，稱為環(huán)形天線，用來提供方位信息。其中環(huán)形天線分為縱向（正弦）環(huán)形天線與橫向（余弦）環(huán)形天線，接收的信號分別被低頻調(diào)制信號調(diào)幅，兩個調(diào)制信號相位相差90°；經(jīng)過調(diào)制的兩個信號合成后產(chǎn)生一個組合調(diào)制信號，這個組合調(diào)制信號與低頻調(diào)制信號的相位差與飛機(jī)至地面電臺的相對方位成正比，但存在0°和180°兩個定向點，可能產(chǎn)生180°的定向誤差。但當(dāng)組合調(diào)制信號與垂直天線接收的信號疊加后，則可以消除錯誤定向點，其疊加信號的外包絡(luò)相位即包含有相對方位信息。

接收機(jī)將組合天線輸出信號轉(zhuǎn)換為中頻信號，經(jīng)內(nèi)部濾波放大處理后進(jìn)行相干調(diào)制，得到復(fù)合信號，經(jīng)相關(guān)電路處理后解算出音頻信號和角度信息，音頻信號經(jīng)處理后送往機(jī)上音頻系統(tǒng)，角度信息傳送給主處理器計算角度。主處理器通過ARINC429 總線將解算出的方位信息并發(fā)送給顯示系統(tǒng)顯示，給出直升機(jī)與地面電臺的相對方位，原理框圖見圖1。

圖1 原理框圖

2.2 關(guān)聯(lián)影響分析

由信號處理流程分析，引起該現(xiàn)象一個綜合過程，每一環(huán)節(jié)都可能影響角度穩(wěn)定，為驗證排查各方面影響，隨開展相關(guān)影響排查。

（1）外部影響分析。①干擾分析。機(jī)上設(shè)備干擾或環(huán)境電磁干擾時，無線電羅盤作為敏感設(shè)備，被干擾時會出現(xiàn)角度輸出不穩(wěn)定，從而引起指針抖動問題，經(jīng)隔離及環(huán)境電磁頻譜測量，在測試頻點沒有發(fā)現(xiàn)相關(guān)干擾顯現(xiàn)。②信號衰減分析。信號衰減時，會導(dǎo)致接收不穩(wěn)定，引起指針抖動。引起引號衰減有幾方面影響：一是射頻電路故障或則連接不牢，相當(dāng)于信號被衰減；二是接收機(jī)端接地不好，引入噪聲導(dǎo)致，三是天線接地不好，導(dǎo)致接收靈敏度降低。針對該情況，進(jìn)行射頻路測試和檢查，對接收機(jī)和天線端搭接進(jìn)行復(fù)測和處理，均未有明顯改善。

（2）內(nèi)部影響分析。隨后針對系統(tǒng)內(nèi)部可能影響角度抖動因素影響進(jìn)行逐一排查。

①接收機(jī)硬件故障。接收機(jī)內(nèi)部電路出現(xiàn)問題時，會導(dǎo)致羅盤角度抖動。實驗室按圖2 搭建測試環(huán)境，通過天線模仿儀進(jìn)行測試，設(shè)置信號源頻率為248kHz，場強(qiáng)-37dBm，調(diào)制1kHz，調(diào)制深度30%。

圖2 測試環(huán)境

按無線電羅盤接收機(jī)內(nèi)部電路情況，分別對電源電路，濾波帶通電路、頻合電路、中放電路、解調(diào)電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、音頻放大電路、音頻解調(diào)電路、角度調(diào)節(jié)電路等進(jìn)行了測試或隔離排查，測試的電源電壓；帶通濾波器的衰減值；本振輸出信號的頻率及信號強(qiáng)度；不同信號強(qiáng)度下的中放輸入輸出信號強(qiáng)度；解調(diào)前后頻率及信號強(qiáng)度；斷開模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸入，并接入不同電壓測試采集電壓；隔離后級音頻放大和解調(diào)電路；整體角度輸出進(jìn)行更改，減小角度誤差測試等相關(guān)測試，并針對單頻點快速切換信號源調(diào)制開關(guān)，模擬塔臺莫爾斯碼，均未發(fā)現(xiàn)明顯引起角度抖動的現(xiàn)象。

40例患者X線造影檢查提示，黏膜內(nèi)癌者的胃壁密度明顯增高，且舒張度明顯降低，5例患者的胃壁輪廓不清楚，占總比例的12.5%。胃小溝較模糊，且胃小區(qū)中有顆粒狀陰影，大小不一。局部胃壁有痙攣亦或者是異常收縮的情況，胃黏膜扭曲且比較粗大。4例胃內(nèi)滯留液明顯增多，占總比例的10.0%。黏膜下癌者有蠕動緩慢、胃壁僵硬以及邊緣模糊的情況，且局部密度明顯增高，部分存在輪廓線中斷亦或者是消失的情況。4例胃小區(qū)和胃小溝處有顆粒狀陰影，占總比例的10.0%。局部黏膜較為粗糙，且存在異常集聚鋇的情況。

②天線硬件故障。隨后將測試環(huán)境搭建為實裝天線進(jìn)行測試，主要針對影響靈敏度的搭接和內(nèi)部電路進(jìn)行測量，經(jīng)搭接處理，雖然角度抖動有改善，但是仍出現(xiàn)角度超差問題；無線電羅盤天線為有源天線，天線內(nèi)部電路出現(xiàn)問題時，會對天線輸出信號的相位偏移產(chǎn)生影響，從而引起角度抖動。對單頻點快速切換信號源調(diào)制開關(guān)，模擬塔臺莫爾斯碼時，發(fā)現(xiàn)角度輸出有明顯穩(wěn)定現(xiàn)象，經(jīng)記錄測試，與機(jī)上抖動現(xiàn)象表現(xiàn)一致。使用頻譜儀進(jìn)行測量，放大電路輸出載波強(qiáng)度出現(xiàn)短時間的8dBm，超過要求的5dBm。隨后調(diào)節(jié)天線中增益控制電路中滑動變阻器，改變電路接入阻值降低放大電路靜態(tài)增益，當(dāng)放大電路輸出載波強(qiáng)度沒有出現(xiàn)超出5dBm 信號時，角度抖動明顯改善。

綜合上述測試和分析，天線中增益控制電阻引起輸出信號相位變化，從而在音頻切換時導(dǎo)致角度波形擾動，最終引起角度抖動。

2.3 機(jī)理分析

無線電羅盤組合天線接收到的信號為調(diào)幅信號：載波為Wc，音頻為Wa，調(diào)制系數(shù)為m：

正弦余弦天線感應(yīng)產(chǎn)生不同電壓并分別耦合到正余弦基準(zhǔn)信號上。

v4 為天線中最終輸出信號。由信號v4 可知，由于調(diào)制系數(shù)m 范圍為0 ～1，因此音頻從無到有信號強(qiáng)度會出現(xiàn)最大6dB 的增強(qiáng)。

無線電羅盤塔臺發(fā)射的音頻莫爾斯碼由“點”和“劃”組成，其中“點”的長度約為106.6ms，“劃”的長度約為746.6ms。

天線中，無音頻時，放大電路工作在放大區(qū)，信號能夠正常放大，機(jī)體方位不變時，V1 與V2 穩(wěn)定，角度不會發(fā)生過大變化。有音頻時，放大電路電感有寄生電容，由于信號強(qiáng)度突變，導(dǎo)致切換的一段時間（幾毫秒）內(nèi)有毛刺出現(xiàn)，在經(jīng)過放大時，由于毛刺的出現(xiàn)，若放大電路增益偏高，將導(dǎo)致放大電路載波放大異常，表現(xiàn)為V1 與V2 中A·sin(θ)和A·cos(θ)出現(xiàn)擾動，造成天線輸出信號短時間內(nèi)出現(xiàn)相位偏差。

音頻中“點”的長度約為106.6ms，“劃”的長度約為746.6ms，接收機(jī)中角度解算周期為50ms，這樣導(dǎo)致解算出的角度發(fā)生跳變。考慮到這種情況，電路中通過單片機(jī)監(jiān)控解調(diào)整流后的模擬量來對電路的自動增益控制做相應(yīng)的調(diào)節(jié)處理，通過設(shè)置低頻（＜280kHz）和高頻（≥280kHz）閾值結(jié)合信號強(qiáng)度，適當(dāng)調(diào)節(jié)提高自動增益控制電路的調(diào)節(jié)能力，閾值越低，則強(qiáng)信號時，調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)。但通過自動增益控制電路的調(diào)節(jié)能力有限。

綜上，音頻從無到有的短時間內(nèi)，由于電路中電感的寄生電容影響，引起毛刺，天線放大電路靜態(tài)增益偏高，信號經(jīng)放大電路后，受毛刺影響，導(dǎo)致放大電路載波放大異常，出現(xiàn)擾動，造成天線輸出信號短時間內(nèi)出現(xiàn)相位偏差，接收機(jī)解調(diào)后偏差沒有消除，最終引起指針抖動。

2.4 復(fù)現(xiàn)及驗證情況

在莫爾斯碼音頻連續(xù)“點”“劃”變換時，為驗證天線中放大電路靜態(tài)增益高低對信號輸出的抖動影響，隨后進(jìn)行地面模擬測試。在248kHz 和511kHz 分別測試，當(dāng)調(diào)節(jié)天線放大電路中的滑動變阻器，使放大增益調(diào)至9dB 后進(jìn)行測試，隨后調(diào)整至5dB 進(jìn)行測試，分別模擬莫爾斯碼音頻進(jìn)行對比測試，測試結(jié)果如表1。

表1

由測試結(jié)果分析，放大增益的調(diào)整對信號輸出的影響非常明顯，與機(jī)理分析結(jié)果一致。

放大電路靜態(tài)增益的調(diào)整受元器件性能和前后端處理限制影響，并會帶來別的問題，影響信號延遲，工程上需選擇最優(yōu)化原則，以工程實際需求，隨后課題組對該值進(jìn)行反復(fù)測算，并對隨動性能進(jìn)行測量，調(diào)整至最佳狀態(tài)，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和實際使用要求。

3 結(jié)語

本文從信號處理流程及原理著手，逐級深入分析問題深層次原因，總結(jié)歸納問題發(fā)生原因和調(diào)整處理方法，希望本文為同類工程中出現(xiàn)的類似問題提供借鑒參考。