民航甚高頻通信系統的可靠性分析與措施

中國民用航空華北地區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境的日益復雜，對甚高頻通信系統的可靠性提出了更高的要求。本文詳細介紹了甚高頻通信系統的工作原理以及影響其可靠性的因素，并從運行維護和通信干擾兩個方面結合實際工作提出了相應措施，旨在為后續工作提供參考。

甚高頻通信系統是民航地空通信業務中最重要的通信技術，其通話質量、穩定性及可靠性時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、地勢和其他無線電臺的影響，這對系統的內部結構基礎和外部環境提出了更高的要求。為了促進我國民航事業的持續發展，充分了解甚高頻通信系統的工作原理，深入研究甚高頻通信系統的可靠性就顯得尤為重要。

1 甚高頻通信系統的工作原理

甚高頻通信系統在民航地空通信中的主要應用包括話音通信和數據鏈通信。地空語音通信（如圖1 所示）具有典型的話音特點，其中VHF 本地臺用于機場、進近（終端）管制區的通信和管理，遠端遙控臺用于區域管制[1]。地空數據鏈通信則用于機場內替代話音通信以及航務管理通信，數字放行系統是替代話音通信的典型應用，增加了報文服務信息、管制員與飛行員自由信息等；航務管理通信用于航空器向航空公司下傳發動機狀態、當前位置等。

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位于東區航管樓，采用16 信道設計，其中發射天線位于航管樓頂，接收天線位于塔臺頂，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，備用甚高頻系統位于西區航管樓。VHF 收發信機為OTE D100 型電臺，工作頻率為118.000～136.975MHz，頻率間隔為25kHz，調制方式為DSB-AM，主要性能參數是采用交流220V±10%以及直流+24V±10%的雙電源供電方式；載波功率：進近44dBm，塔臺40dBm，地面37dBm；發射機調制度≥85%；接收機靈敏度≤-103.5dBm@1kHz MOD=30% SINAD=12dB。VHF 收發信機由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 電臺的核心，主要由微控制器、FPGA、DSP、時鐘生成器、音頻解碼器、接口電路等組成。DM 模塊利用FPGA 執行中頻信號的解調和音頻信號的數字化處理；為電臺的每個模塊生成需要的不同頻率的參考時鐘；配置信息、各類參數的存儲；電源供電監視；RCMS 相關信號的產生和處理。

（2）TX 模塊：在物理上分為TX 板和PA 板，各自與電臺背板連接。TX 板由數字部分和射頻部分組成，數字部分通過RS422 串行數據線對來自DM 模塊的IQ 樣本進行管理。射頻部分包括抗混疊濾波器、調制器、頻率合成器和用于線性化的模擬反饋環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；將來自DM 模塊的IQ 數字信號轉換為模擬信號，調制載波信號；將頻率合成器送來的20mW 載波信號最高放大至50W；監控相關參數，例如，正向功率、反向功率和溫度。

（3）RX 模塊：基于超外差設計，將接收到的RF 信號進行二次下變頻，放大，A/D 轉換為I/Q 格式的數據流，通過RS422 串行接口將其發送到DM 模塊。在物理上分為Front-End 板和RX 板。Front-End 板：射頻輸入信號首先通過兩個可調諧的濾波器和一個低噪聲放大器，用于滿足靈敏度和鏡像抑制的要求，信號再發送到第一混頻器進行第一次下變頻（21.4MHz）；RX 板分為射頻部分和數字部分：射頻部分提供中頻信號處理、第二次下變頻（455kHz）、信號AGC 和模數轉換的功能，而數字部分提供完整的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：電臺參數的監視和設置（通過顯示屏和按鍵）；音頻輸入輸出（通過揚聲器和話筒接口）。

（6）繼電器：電臺不發射時，N 型端口與常閉SMA端口連通；電臺發射時，N 型端口與常開SMA 端口連通，用于收發信機的收發切換和發射機的主備切換。

2 甚高頻通信系統的運行維護

甚高頻通信系統承載著民航地空通信業務，硬件設備的完整程度、質量優劣等直接關系到整個系統的穩定性和完好性，而地空通信業務的時效性取決于甚高頻系統的可靠性。因此，甚高頻通信設備的運行維護是影響系統可靠性的首要因素[2]，包括甚高頻電臺、傳輸接入設備、終端設備以及設備連線等（如圖2 所示）。

圖2 甚高頻語音通信網絡拓撲Fig.2 VHF voice communication network topology

2.1 VHF 電臺故障

VHF 電臺主要包括天線共用系統和單機系統，其中天線共用系統故障類型分為控制信號故障、音頻信號故障以及電源故障。故障處置：（1）當設備控制面板出現告警信息時，根據OTE 設備技術手冊告警信息處理表進行處理；（2）當設備出現供電方面故障時，依次檢查交流電源、電源饋線、保險管、PS 模塊有無故障，若有則需進行維護或更換；（3）當設備模塊告警燈亮時，根據實際情況對模塊進行更換；（4）當需要對設備參數進行配置時，使用LMT 軟件執行相應操作；（5）當設備出現長發射故障時，應檢查該路頻率設備在語音系統配線架上是否出現短路情況，檢查語音通信系統席位上話筒、耳麥等音頻設備上是否出現故障?；虍攩螜C設備出現長發射故障時，應檢查設備話筒是否故障，收發繼電器是否長粘連；（6）當發射出現駐波比過大時，應依次檢查天線、射頻電纜、射頻繼電器、功放模塊是否故障。

2.2 傳輸接入設備故障

傳輸接入設備主要用于鍵控信號以及話音數字化處理，在實際工作中故障較為常見，其原因包括：（1）硬件設置錯誤、軟件參數改變和傳輸接口故障。故障處置：檢查系統內是否存在器件故障或老化情況，如有則進行更換，并在更換完成后檢查系統運行狀態，以避免發生潛在的故障；（2）通信傳輸鏈路可能出現故障。故障處置：及時與運營商聯系，核實所轄鏈路的通信狀況是否正常，若正常，則對其他傳輸設備進行檢查。

2.3 終端設備故障

語音通信交換系統和應急遙控盒均屬于終端設備。當內話系統發生故障時，可能導致多個席位工作異常，在此類故障出現后，需要立即切換至應急遙控盒以確保地空通話正常進行。完成相應的應急處置后，可以通過系統監控確認系統故障點及其原因。對于主機內板卡出現告警的故障處理：戴上防靜電護腕，拔插該板卡；查看該板卡狀態是否正常，若仍有告警，則更換該板卡。對于監控系統無法監測的故障類型，需要技術維護人員根據管制員通報的具體運行情況排查相關問題。與系統故障相比，觸摸屏異常、線路工作異常以及麥克風不工作等都會對系統造成影響。（1）當席位觸摸屏故障時：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，在主機柜中找到該屏幕對應板卡熱插拔后即可。（2）當某一頻率無法使用時，確認是發射還是接收不可用，檢查對應板卡狀態是否正常，若正常則在配線架上用耳機測試該頻率是否有音頻信號，若沒有，則為信號源端故障，需更換板卡。

2.4 設備連接故障

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

3 甚高頻通信系統的通信干擾

民航地空通信業務中的無線電干擾從產生機理上可分為同頻干擾、互調干擾、鄰道干擾、雜散輻射干擾等，其中影響較大的是互調干擾和同頻干擾。

3.1 互調干擾

甚高頻通信系統元件的非線性問題是導致互調干擾的主要原因，經過非線性作用會產生許多諧波和組合頻率分量[3]。兩個或兩個以上不同頻率的干擾信號進入非線性電路，干擾信號（ωA、ωB、ωC）與被干擾信號（ωS）需滿足以下條件：2ωA-ωB=ωS或ωA+ωB-ωC=ωS，干擾電臺與被干擾電臺同時工作且干擾信號幅度足夠大?；フ{干擾會影響管制員與機組地空通信質量；增加發射機故障率，縮短其壽命；降低有效功率；影響空間電波秩序。

3.1.1 互調干擾分為發射機互調、接收機互調和外部互調

（1）發射機互調是指多臺發射機同時工作，由于合路器的隔離度不足而導致信號耦合，干擾信號進入發射機末級功率放大器，產生新的組合頻率信號并同有用信號發射；（2）接收機互調是由高放級和第一混頻級的電路非線性問題導致；（3）外部互調是由于發射機饋線、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，使強電場的發散信號引起互調。

3.1.2 發射機互調的預防措施

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

3.1.3 接收機互調的預防措施

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

3.1.4 外部互調的預防措施

（1）完善防潮、防銹等日常維護措施；（2）加強設備檢測避免接觸不良等問題；（3）增加監測系統識別干擾源。

3.2 天津本場干擾處置

天津分局東區主用甚高頻系統自投產運行以來，多次發生陣發性全頻率干擾事件，期間主用VHF 接收機無法正常工作，現象為受到嘯叫聲干擾且無有用信號，而同頻異址的備份甚高頻系統工作狀態正常。在后續調查工作中發現其主要發生在雷暴前或雷暴期間，持續時間為5 ～15min。

3.2.1 干擾排查

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

3.2.2 干擾原因

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

3.2.3 處置措施

（1）根據公式c=λ×f 以及VHF 電臺的工作頻率118.000 ～130.000MHz，計算得出電臺對應工作波長為2.54 ～2.30m。天線距離塔頂平面的相對高度應避免λ/4，合理設置相對高度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）檢查收發信機的線纜接地、屏蔽和SPD 并改進其安裝工藝，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、接收機與塔頂預留扁鋼之間的接地連接，從總等電位匯集板引出設備專用的兩根屏蔽接地電纜，分別通過塔身電纜橋架敷設至維修環機房與塔頂設備接匯集銅板，并將設備等電位接匯集銅板使用絕緣子固定。

4 結論

通過本文對甚高頻通信系統的分析，可以得出加強運行維護工作和提升抗干擾性能是提高該系統可靠性的必要手段和方法?？偠灾?，甚高頻通信系統在保障航空器飛行安全方面發揮著重要作用。因此，空管設備的技術維護人員需要深入研究影響甚高頻通信系統可靠性的各種因素，并找出問題根源，根據實際情況采取相應改進措施。