民航VHF通信干扰以及抗干扰研究-硕士论

时间：2021-04-26 12:10:19 来源：蒲公英阅读网 本文已影响人

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民航VHF通信干扰以及抗干扰研究-硕士论 本文关键词：抗干扰，民航，干扰，硕士，通信

民航VHF通信干扰以及抗干扰研究-硕士论 本文简介：上海交通大学硕士学位论文民航VHF通信干扰以及抗干扰研究姓名：何圣平申请学位级别：硕士专业：电子与通信工程指导教师：耿军平;白宇骏20100401上海交通大学工程硕士学位论文摘要民航VHF通信干扰以及抗干扰研究摘要随着社会的发展与科技的进步，交通工具的使用变得越来越重要，最为快速便捷的航空业也越来越

民航VHF通信干扰以及抗干扰研究-硕士论 本文内容：

上海交通大学

硕士学位论文

民航VHF通信干扰以及抗干扰研究

姓名：何圣平

申请学位级别：硕士

专业：电子与通信工程

指导教师：耿军平;白宇骏

20100401

上海交通大学工程硕士学位论文摘要

民航

VHF

通信干扰以及抗干扰研究

摘

要

随着社会的发展与科技的进步，交通工具的使用变得越来越重要，

最为快速便捷的航空业也越来越受大众青睐。

空中交通管制对航空业的安全运行起到了十分重要的作用,管制员

根据航空器起降秩序以及管制空域内航班量大小进行飞行间隔调配与流

量控制，为民航的安全运行做出了突出贡献。管制员在当前巨大的航班

量压力下，管制扇区进一步细分，均对管制的地空通信的信号质量提出

了很高的要求。但是日益严重的

VHF

信道干扰给地空指挥带来了巨大的

压力与安全隐患，其发生源于多种原因。

本文主要以民航地空通信中的干扰问题为对象，分析了目前主要的

干扰类型，包括影响次数较多的广电三阶互调，大功率电磁泄露等。并

且对干扰形成原因作具体分析，从干扰源、传播途径以及敏感元件出发

进行研究，其中具体描述了根据有用信号与干扰信号传播方向的不同条

件给出相应的解决方案。建立了基于智能天线的抗干扰平台,从接收模

块、抗干扰模块以及输出模块等逐一展开研究，并利用仿真计算详细描

述了智能天线抗干扰的使用情况。

关键词：民航

VHF

通信干扰、抗干扰、智能天线

第

I

页

上海交通大学工程硕士学位论文ABSTRACT

VHF

COMMUNICATION

INTERFENCE

OF

CIVIL

AVIATION

AND

ANTI-INTERFENCE

RESEARCH

ABSTRACT

With

the

social

development

and

advancement

of

technology,the

use

of

transport

has

become

more

and

more

important,the

most

rapid

and

convenient

aviation

industry

is

increasingly

favored

by

the

public.

Air

traffic

control

on

the

safe

operation

of

the

aviation

industry

plays

a

very

important

role,the

controller

of

aircraft

movements

according

to

the

order

and

size

of

controlled

airspace

for

flight

flight

capacity

allocation

and

flow

control

interval

for

the

safe

operation

of

civil

aviation

have

made

outstanding

contributions.

Controllers

in

the

current

large

volume

of

flights

under

the

pressure

of

the

control

sector

is

further

broken

down,both

on

the

control-to-air

communication

signal

quality

made

high

demands.

But

the

growing

problem

of

VHF

channel

interference

to

the

air-ground

command

tremendous

pressure

and

safety

hazards,its

occurrence

from

a

variety

of

reasons.

In

this

paper,to

civil

aviation

air-ground

communication

model

and

the

interference

of

the

current

model

of

the

major

presentations,including

radio

and

television

affect

the

number

of

larger

third-order

intermodulation,and

other

high-power

electromagnetic

leakage.

And

the

specific

reasons

for

the

formation

of

the

interference

analysis,from

the

interference

sources,transmission

routes

and

the

sensitive

components

of

Examination,which

specifically

describes

the

useful

signal

and

interference

signal

under

the

第

II

页

上海交通大学工程硕士学位论文ABSTRACT

direction

of

propagation

given

the

different

conditions

of

the

corresponding

solution.

The

establishment

of

a

platform

based

on

smart

antenna

interference

from

the

receiver

module,anti-jamming

module

and

output

module

distribution

carried

out

and

described

in

detail

using

simulation

techniques

in

the

use

of

smart

antennas.

Keywords:

interference

of

civil

aviation

communication,anti-interference,smart

antennas.

第

III

页

上海交通大学工程硕士学位论文第一章

绪论

第一章

绪论

1.1

论文研究背景

随着社会的发展与科技的进步，经济与文化全球化概念的普及使得交通工具的使

用变得越来越重要，例如航空、海运、铁路等，其中最为快速便捷的航空业也越来越

受大众青睐，空中交通管制对航空业的安全运行起到了十分重要的作用。目前民航总

局根据航空器飞行高度把空域分为塔台、进近、区调以及高空扇区，管制员根据航空

器起降秩序以及管制空域内航班量大小进行飞行间隔调配与流量控制，为民航的安全

运行做出了突出贡献。

目前中国民用航空地空指挥主要采用VHF甚高频的通信方式，具有不易受天气变

化影响、信息传输速率快、延时小和通信可靠性高等优点，且机载设备和地面设备简

单，易于安装和使用。但是由于空中运营航线不断增加，飞行流量快速增长，新建机

场纷纷投入使用，给空中交通管制部门提出了新的要求和保障等级。不仅要求VHF地

空通信系统在距离和高度上扩大覆盖范围，在飞行繁忙地区还提出重叠覆盖的要求。

目前华东地区VHF地空通信系统覆盖区域正在逐步增大，遥控台密度也在增加，大功

率广电发射台产生的互调、杂散等常见干扰以及未知干扰源带来的特殊干扰问题日益

突显出来。

在作者日常的通信设备维护与巡检过程中发现，目前管制的

VHF

频率干扰申诉较

多，干扰类型与干扰区域也错综复杂。在如此有限的

VHF

信道内合理分配使用频率已

有难度，再加上部分频率的干扰，这给空管的安全提出了严峻的考验。VHF

信道干扰

不但造成地空通信距离大大缩短，而且伴有噪音干扰，信号严重失真，致使飞行员与

空中交通管制员工作时通话困难，严重干扰民航地空指挥通信系统的正常运转，已直

接影响到飞行安全，如何防止和排除民航

VHF

电台干扰问题显得尤为重要和突出，净

化民航机场电磁环境，已经成为民航无线电管理工作中的热点和难点问题。

第

1

页

上海交通大学工程硕士学位论文第一章

绪论

1.1.1

民航

VHF

地空通信的现状与发展规划

目前在我国社会经济实力提高的美好前景下，航空事业蒸蒸日上，航班量逐年剧

增。为了更好的为空中交通安全提供保证，我们华东空管局已将区域管制划分为

13

个扇区，进近管制区划分为

8

个扇区，再加上各空管分局站进近、塔台的使用频率，

如今

2010

年后将实施“十二五规划”内的相应内容，华东地区民航管制空域将逐步

细分为

23

个扇区，地面台站数也将进一步增加，可见民航

VHF

频段

118~136.975MHz

中的频率使用总量十分巨大

[1]

。

民航华东局现在使用的

VHF

设备有

SELEX

公司的

DTR

100

设备、R

(b)inside

composition

of

overlook;(c)

appearance;(d)

band

pass

filter

spectrum

plan

2.3.5

天线部分

天线是电磁波的换能器件，用以发射和接收电磁波。无线电通讯系统的发射机与

接收机均有天线，它是无线电信号发射与接收的主要组件。发射天线是将系统待传送

的信号以电磁波的形式辐射至空间，而接收天线则是接收空间的电磁波,并转变成电

压信号进入接收机。它把在电路里流动的高频电流通过电磁感应转换成高频电磁波向

外辐射，也把在空间的电磁波通过感应转换成高频电流

[18]

。

根据互易定理,任何天线在接收时的所有特性及参数都可以由该天线在发射状态

时的已知特性及参数决定，反之亦然。若一条天线的接收效果好，则该天线的发射效

第

15

页

上海交通大学工程硕士学位论文第二章

民航

VHF

地空通信系统与主要干扰信号模型

果也好。电子和磁子振动产生交变电场或磁场，互相转换，理论上使电子和磁子高频

振动均能产生电磁波，但由于电路里本身就是流动着高频电流，因此我们常用的是电

天线——电子作高频振动来产生电磁波。

为了提高天线的辐射能力，必须使流过天线导体的高频电流尽量的强，当电路处

于谐振状态时，电路上的电流最大，天线的辐射最强。由传输线理论，当导体长度为

1/4波长的整数倍时，该导体在该波长的频率上呈谐振特性，导体长度为1/4波长为串

联谐振特性，导体长度为1/2波长为并联谐振特性。由于1/2波长的振子比1/4波长的

振子长，所以1/2波长振子的辐射比1/4波长振子强，但振子超过1/2波长虽然辐射继

续加强，但由于超过1/2波长的部分的辐射是反相位而对辐射有抵消的作用，因此总

的辐射效果反而被打折扣，所以，通常的天线都采用1/4波长或1/2波长的振子长度单

位，这种由两根长度相同的导体构成的天线就叫偶极子天线,这是最基本的天线，其

他的天线都可以等效成偶极天线的变形和叠加。同样的天线，工作频率越低，波长越

长，则天线的振子也越长，天线也越庞大

[10]

。

电磁波在传播时其电场或磁场的方向有固定的规律，叫电波的极化，是以电场分

量的方向命名。电磁波的电场和地面垂直，为垂直极化；电磁波的电场与地面平行，

为水平极化。电波的极化由发射天线决定，天线按其辐射电波的极化分为水平极化和

垂直极化天线，根据天线收发互逆，接收时天线也必须采用与发射同种极化的天线才

能有最好的接收效果。

另外,依据天线辐射的方向性,还可把天线分为全向天线和定向天线,为了保证能

从各个方向都发射/接收信号,目前民航均采用全向天线，部分特殊航路采用定向天线

覆盖。

天线的重要指标

1.辐射效率

[18]

：输入到天线系统的功率，会由于介质损耗掉一部分。天线的辐

射效率就是辐射功率与输入功率之比，它与天线的损耗电阻、辐射电阻、工作波长等

有关。为了提高天线的辐射效率，就要尽量增大辐射电阻和减小损耗电阻。同时，发

射频率越低，天线的辐射效率也越低。这也就是为什么高频电路特别需要注意屏蔽和

隔离的原因。

2．特性阻抗

[10]

：把一定频率的高频功率信号馈入到天线的输入端，天线就会呈

现一定的电阻和电抗，称为天线的特性阻抗。天线的特性阻抗与天线的形状、尺寸、

工作波长、信号的馈入点、周围环境的影响等因素有关。若天线系统的特性阻抗与传

第

16

页

上海交通大学工程硕士学位论文第二章

民航

VHF

地空通信系统与主要干扰信号模型

输系统的特性阻抗相同，就称为阻抗匹配，这时天线系统的辐射电阻和损耗电阻正好

吸收了传输系统馈送的全部功率。而如果天线系统与传输系统的特性阻抗有差异，系

统就不匹配，造成电波从天线系统反射回传输系统，这部分反射的电波信号由于来回

反射被损耗，没有辐射出去，使实际馈送到天线系统的功率信号减少。一般收发信机

和射频同轴电缆的特性阻抗均为

50Ω，所以，通常天线的特性阻抗也为

50Ω

[10]

。

3．天线增益：把天线的辐射向某个方向集中，在这个方向上天线所产生的场强

将会增大，即天线有增益。如果比较基准不同，得出的天线增益值也有很大的不同，

一般是以无方向天线的辐射场强为基准。天线方向图可以反映天线分别在水平方向和

垂直方向上达到相同场强的距离。增益是方向系数与效率的乘积，是天线辐射或接收

电波大小的表现。增益大小的选择取决于系统设计对电波覆盖区域的要求。

一个好的天线系统，首先是天线系统本身的辐射效率高，损耗小，其次是与传输

系统匹配，使整个收发系统的传输效率达到最高，再次就是能尽量地使所辐射的能量

集中到所需要的地方，抑制不必要的辐射。

在民航甚高频电台的实际应用中我们会发现，单体电台收发可以同时使用一个振

子，因为单体电台通过收发继电器转换只提供一个射频接口，对电台来说很容易做到

收发隔离，这样就可以很好的控制收发信机轮流使用同一个振子。但是在天线共用系

统中，如果收发使用同一个振子，由于多个信道共同使用一根天线，当某信道接收时，

本信道虽然不会发射，但是其他信道很可能在发射状态，那么就无法解决收发隔离问

题，所以，在共用天线系统中，只能采用收发接口分开的方式，这样，在共同天线系

统中，必须考虑收发隔离的问题。

收发一体的共用天线系统可以使用收发一体天线，这种天线节省场地，在这种共

用系统模式下，只要树立一根天线就可以了，缺点是这种天线一般具有较大的尺寸和

重量，不便于安装，而且一旦天线出现故障，整个系统就限于瘫痪状态。这种天线一

般有两个以上的振子，以便收发振子分开，系统规模不同，天线的功率容量不同，天

线中振子的规格和数量也不同，较典型的结构如下图所示，下图中收发信系统分开只

是为了画图方便，实际上和使用收发信一体机是等效的。这是一根带有四个振子的共

用天线，其上面为两个接收振子，下面为两个发射振子，中间为去耦单元，以增加射

频收发之间的隔离度。两组接收设备通过两根射频电缆连接到上面两个振子，两组发

射机通过两根射频电缆连接到下面的两个振子，如图

2-12

所示：

第

17

页

上海交通大学工程硕士学位论文第二章

民航

VHF

地空通信系统与主要干扰信号模型

RX

振子

去耦单元

TX

振子

CH1

主

CH5

主

CH1

备

CH5

备

CH2

主

CH6

主

CH2

备

CH6

备

CH3

主

CH7

主

CH3

备

CH7

备

CH4

主

CH8

主

CH4

备

CH8

备

图

2-11

收发一体机连接图

[8]

Fig.

2-11

transceiver

connected

graph

[8]

华东地区地面台站使用的天线型号较多，例如同轴偶极天线

R/S

HK012：该天线

为全向天线，增益为

3dB，具有较好的发射性能。

第

18

页

上海交通大学工程硕士学位论文第二章

民航

VHF

地空通信系统与主要干扰信号模型

(b)

(a)

(c)

图

2-12

HK012

天线

[8]

:

(a)天线;(b)VSWR;

(c)

方向图。

Fig.

2-12

HK012

Antenna

[8]

:

(a)

antenna;

(b)

VSWR;

(c)

pattern.

2.4

民航

VHF

地空通信系统介绍

随着民用航空事业的飞速发展，飞机越来越多，在机场以及各空管台站等处的无

线电通信设备也越来越多，这不仅对通信安全和通信质量提出了更高的要求，通信的

容量也越来越不能满足日益增长的空管需求。随着航班量的增加，无论在区域、进近

还是塔台，都需要划分更多的管制区域，这不仅需要增加设备，也需要增加频率，同

时，冗余设备和冗余频率也相应增加，在这种情况下，都使用单体电台就显得不合时

宜，因为这样会带来设备排列杂乱，房顶天线丛生，设备之间相互干扰，而且也不便

于对设备的管理。为了改善设备和天线拥挤以及相互之间的干扰状况，多个电台共用

第

19

页

上海交通大学工程硕士学位论文第二章

民航

VHF

地空通信系统与主要干扰信号模型

一根天线成为亟待解决的问题，因此，天线共用系统应运而生。民航VHF通信系统逐

步由VHF单体电台过渡到VHF共用天线系统。采用天线共用系统，可使多路收发信机共

用一套天馈系统，这样不但可解决安装天线的自然条件问题，更重要的是可以改善电

磁兼容状况，减少干扰，提高信号传播效率，方便管理。

设备的构成：

从收信机与接收机的组成上来看，一共有收发一体机与收发分开的两种。出于系

统结构的整合以及布局范围的考虑，目前民航采用收发一体机的通信设备。

收发一体机一般具有以下几点特征：

设备普遍采用中大规模集成电路。

采用先进的频率合成和微处理，可以进行频率选择、信道选择，预选频率的

存储等功能，并通过屏幕显示出来。

机内有自检系统，可以定时自检，故障定位，并产生告警信号。

允许设备外接计算机和相关的传输设备实现本地和遥控的监视和控制功能。

设备允许外接遥控盒或者其他传输设备，实现远程操作。

收发一体机的基本架构与组件介绍

收发一体机的基本架构如下图所示：

图

2-13

收发一体机框图

Fig.

2-13

Machine

transceiver

block

diagram

甚高频天线共用系统采用中馈天线，分别加入带通滤波器、带阻滤波器、匹配

网络和隔离网络等措施，使多个电台在共同用天线过程中相互隔离且各自匹配。可以

第

20

页

上海交通大学工程硕士学位论文第二章

民航

VHF

地空通信系统与主要干扰信号模型

分为收发一体天线共用系统和收发分开天线共用系统。无论是收发一体或是收发分开

的天线共用系统，其网络拓扑结构都可以用图

2-14

表示。

VHF

电台

隔

离

网

匹

配

耦

合

天馈系统

组合

络

网络

监

控

测

试

系统

图

2-14

收发一体机的网络拓扑结构

Fig.

2-14

transceiver

machine

network

topology

所谓天线共用系统简单的理解就是指系统内一副天线能同时供几个通信频率使

用。简体框图如图

2-15。

收发单元用户终端

天馈单元

天馈共用单元

.

.

收发单元用户终端

图

2-15

天线共用系统简体框图

Fig.

2-15

Simplified

diagram

of

the

antenna

sharing

system

由于一套天馈单元受馈线及天线的功率等多方面因素的限制,通常只能供

6~8

套

天线使用。所以一个多通道的甚高频天线共用系统，需要多套天馈单元组合使用。同

时为满足远程监控系统维护及维修日常管理等功能。一个完整的多通道甚高频天线共

用系统须配置监控单元（RCMS），综上所述，一个完整的多通道甚高频天线共用系统

的结构框图如图

2-16

和图

2-17

所示。

第

21

页

上海交通大学工程硕士学位论文第二章

民航

VHF

地空通信系统与主要干扰信号模型

图

2-16

发射机共用系统

Fig.

2-16

Transmitter

shared

system

图

2-17

接收机共用系统

Fig.

2-17

sharing

system

receiver

图

2-18

就是

R&S

公司的

200

系列组成的天馈共用器具体框图

[8]

：

第

22

页

上海交通大学工程硕士学位论文第二章

民航

VHF

地空通信系统与主要干扰信号模型

图

2-18

R&S

公司的

200

系列

VHF

共用系统

[8]

Fig.

2-18

R

&

S

share

the

company

s

200

Series

VHF

System

[8]

2.5

民航

VHF

地空通信系统现有问题

在目前的民航地空通信实际运行中，技术人员发现该系统的发射与接收有用信号

第

23

页

上海交通大学工程硕士学位论文第二章

民航

VHF

地空通信系统与主要干扰信号模型

的功能均十分良好，在地域宽阔的情况下，信号的有效传输距离接近于理论通信距离，

其天馈系统的架构还是很优秀的，这种架构可以在信道间不相互影响的情况下减少天

线的数量，从而提高经济效益。但是凡事均有其两面性，该天馈系统中的接收机部分

与输出端抗干扰能力较差，在复杂的电磁环境下，会受到一些干扰，例如：同频干扰、

互调干扰、交调干扰等。在干扰时在航班量较大时对管制指挥构成了较严重的压力。

2.6

VHF

干扰信号种类与特性

无线电干扰信号是指通过直接耦合或间接耦合方式进入接收设备，它可以对无线

电通信所需接收信号产生影响，导致性能下降、质量恶化，甚至阻断了通信的进行。

因此，无用无线电信号引起有用无线电信号接收质量下降或损害，我们称之为无线电

干扰。

目前已知的无线电干扰包括互调干扰、交调干扰、同频干扰等，下面对各种类型

干扰进行具体解释：

2.6.1

互调干扰

当有两个或多个干扰信号一起加到接收机的输入端或进入了发射机天线时，由于

非线性器件的作用，产生频率接近有用信号频率的互调干扰分量，并与有用信号一起

进入接收机中频系统，从而产生互调干扰。产生互调干扰后，可以在接收频率上直