FM?CDR与航空无线电导航ILS VOR兼容性研究

海霞　郭烨　盛国芳　李瀚卿　潘长勇

摘 要： 调频频段数字音频广播FM?CDR与航空无线电导航业务的兼容性研究对于推动地面数字广播在我国的大规模推广至关重要。在此分析不同频率下的数字音频广播对航空无线电导航信号可能产生的干扰情况，并在综合国内外对FM，DRM，HDRadio等音频广播技术相关兼容性研究课题的基础上，提出可以用于实际开展的兼容性测试方案。通过选取设备、搭建平台、初步测试、数据收集以及统计分析，验证了该测试方案的合理性，并且得到了干扰信号与欲收信号同频条件下FM?CDR与ILS，VOR业务之间的兼容性情况。

关键词： FM?CDR； 航空无线电； 兼容性测试； 地面数字广播

中图分类号： TN966+.3?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）10?0005?05

Abstract： It is very important for promotion of the large?scale popularization of digital terrestrial broadcasting in China to research the compatibility between the FM?CDR and aeronautical radio navigation services. The interference possibly generated by digital audio broadcasting at different frequencies on aeronautical radio navigation signal is analyzed. On the basis of the relevant compatibility research subjects of FM， DRM， HDRadio and other audio broadcasting technologies， a compatibility test scheme is presented， which can be applied to the actual mission. The rationality of the test scheme was verified by means of device selection， platform construction， preliminary test， data collection and statistical analysis. The compatibility between the FM?CDR and aeronautical radio navigation systems （ILS and VOR） at a same frequency of the receiving signal and interference signal was obtained.

Keywords： FM?CDR； aeronautical radio； compatibility test； digital terrestrial broadcasting

0 引 言

隨着科学技术的不断发展，人类已经进入了突飞猛进的信息时代，传统的广播技术正面临着互联网传媒、移动互联网广播等多种信息渠道的挑战，模拟调频、调幅广播技术已经难以满足广大用户日益增加的使用需求，广播数字化是音频广播发展的必由之路。数字音频广播技术是广播数字化的技术基础。通过引入先进的数字编码、调制、传输等技术，数字音频广播技术可以在音频质量、频谱利用率以及覆盖范围等方面全面优化现有音频广播技术的使用性能[1]。

从20世纪80年代开始，国际上陆续出现了Eureka?147 DAB，DRM以及HDRadio等多种标准或技术方案。但是经过研究与小规模的先导网试验后发现，国际上的数字广播标准在国内应用存在频谱资源紧缺、接收机价格昂贵、专利授权等诸多问题。因此，在国家广电总局的统一指导下，我国开始了具有我国自主知识产权的数字音频广播技术FM?CDR的体系研究[2]。目前调频频段数字音频广播FM?CDR信道和复用标准已经发布，并且由国家广电总局发起，于2014年12月启动了中央广播电视节目无线数字化覆盖工程[3]，相关技术得到了初步的应用，FM?CDR在我国的大规模推广指日可待。

调频频段数字音频广播的工作频段在87～108 MHz，根据我国无线电频段分配标准，与航空无线电导航业务相邻。在108～118 MHz频段的航空无线电导航业务有2个不同的系统：仪表着陆系统（Instrument Landing System，ILS）和全向信标系统（Very High Frequency Omni?directional Range，VOR）。其中，ILS信号的航向信标部分工作频率范围为108～111.975 MHz，VOR工作频率范围为108～117.950 MHz。ILS与VOR航空导航业务的准确性影响着飞机的导航、降落、定位以及正常航行，更关系到飞行员飞行的安全，因此，保障航空无线电导航信号不被相邻频带的广播信号干扰至关重要。为了确保两种业务在大规模应用时能够互不干扰，分析相邻频带上的数字音频广播与航空无线电导航业务的兼容性是非常必要的。本文通过分析数字音频广播对航空无线电导航业务可能产生的干扰情况，并综合了国内外对音频广播DRM，HDRadio等与航空无线电导航业务兼容性相关的研究基础，制定了对应的FM?CDR兼容性测试方案，并开展了初步的研究与测试。

1 音频广播对航空无线电导航业务的干扰

考虑到频谱的分布特点以及接收机的射频特性，通过对数字音频广播系统与航空无线电导航业务系统的分析，音频广播与航空无线电导航的干扰主要包括A1，A2，B1，B2四种类型[4]。A类干扰是由一个或多个广播发射机在航空频段的无用发射引起的，单个发射机产生的杂散发射或者几个广播发射机互调而在航空频段上产生的频率分量，称之为A1型干扰；一个广播信号可能包括落在航空频段内的不可忽略的频率分量，称之为A2型干扰。B类干扰是指工作在航空频段外的广播发射在航空接收机上产生的干扰，航空频带以外的广播信号使得接收机进入非线性，可能会在航空接收机内产生交互调制，称之为B1型干扰；航空接收机的射频部分被一个或多个广播发射变为过载状态时，可能产生灵敏度降低的情况，称之为B2型干扰。这四种类型的干扰可以反映不同频率组合下的业务之间兼容情况，不同类型干扰的机理不同，因此其对应的干扰特性也有差异。为了对四种类型的干扰进行研究，在实验测试中需要全面模拟四种干扰类型的情况，并在之后的总结与分析中对比四种类型干扰的特点。

2 国内外研究综述

在建立调频广播FM的技术标准之时，国内外就曾对相邻频带上的音频广播业务与航空业务的兼容性进行了深入的研究，国际电信联盟第1小组在1995年发布了有关FM与航空无线电导航业务的兼容性的相关建议书SM1009，具体阐释了FM对航空无线电业务产生干扰的原理与可能产生的干扰类型，并根据测试与分析提出了相关的兼容性分析标准[4]。据此，国际电信联盟第1小组在1995年还发布了用于判定87～107 MHz频带广播业务与108～118 MHz频带航空业务的兼容性以及测定航空接收机特征的测试规程的建议书SM1140，对研究FM与ILS/VOR业务的兼容性提供了标准的测试方案[4]。

自国外相继出现Eureka?147 DAB，DRM，HDRadio等数字音频广播技术之后，国外研发机构曾对这些系统与航空无线电导航业务之间的兼容性进行了测试与分析，比较典型与完整的是慕尼黑无线电监测站于2007年9月进行的DRM120，DRM+和HDRadio对FM广播、窄带FM（BOS）及航空无线电导航的干扰测试，慕尼黑无线电监测站分别对比了DRM，HDRadio等数字音频广播系统以及FM调频广播系统对相邻频带业务的干扰，并对业务之间的兼容性给出了定量以及定性的结论，对于指导建立DRM，HDRadio等数字音频广播技术的标准提供了重要建议与参考[5]。

为了研究调频频段数字音频广播FM?CDR与航空无线电导航业务的兼容性，本文主要借鉴了国际电联建议书SM1140中的航空接收机的相关测试规程，并以慕尼黑无线电监测站所得到的测试为参考，制定了用于测定FM?CDR与航空无线电ILS，VOR业务兼容性的测试方案。

3 兼容性测试方案

为了研究在87～108 MHz频率范围内的数字音频广播系统FM?CDR与108～118 MHz相邻高频段的航空无线电导航业务ILS，VOR的兼容性问题，在本测试中，干扰信号是FM?CDR音频广播信号，欲收信号是航空无线电导航ILS与VOR信号。为了达到预定的测试目标，本文设计了兼容性测试系统框图如图1所示。

3.1 干扰信号发生与参数设置

FM?CDR系统提供了灵活的频谱模式，不同地区可以根据所在地区的频谱资源、台站设备等情况选择相应的频谱模式，其中最常见的频谱模式是模式9数/模同播广播和模式1全数字广播。

频谱模式9为数/模同播模式，数字信号的带宽不连续，数字音频广播信号的总带宽为100 kHz，由两个带宽各为50 kHz的数字信号组成，在数字音频广播信号频段中间是立体声调频广播。

频谱模式1为全数字模式，数字信号的带宽连续，适用于在调频广播全部数字化以后或者频谱资源不紧张的地区采用。如图3所示。

在本測试方案中，为了对FM?CDR与航空无线电导航业务的兼容性进行全面的分析与测试，FM?CDR选择最具代表性的模式1与模式9进行方案设计并开展测试。其中，在模式9状态下，模拟音频源采用立体声信号发生器产生的粉色噪声，立体声调制信号左右信道相位相同，且信道之间存在6 dB的电平差异，信号的频偏选用±32 kHz和±75 kHz准峰值频偏，数字信号由FM?CDR激励器产生[4]。FM?CDR激励器如图4所示。

3.2 欲收信号发生与参数设置

本测试方案主要针对ILS与VOR这两项航空无线电业务，欲收信号分别是ILS信号与VOR信号。

测试拟采用的欲收信号发生器为IFR?2030航空标准信号源。如图5所示。该信号源可以支持AM，FM以及脉冲调制，并且可以产生ILS与VOR航空标准信号，该信号源的载波频率分辨率为0.1 Hz，RF输出为0.1 dB。在此利用IFR?2030航空标准信号源产生相应的欲收信号，同时为欲收信号设置相应的参数：

（1） ILS信号标称调制参数为：20%调制度，理想下滑道标称配置为0.093；

（2） VOR信号标称调制参数为：30%调制度，相位偏移[4]设为0。

在本方案中，当进行ILS业务兼容性测试时，设置ILS信号发射频率为108.1 MHz，接收机输入功率为-86 dBm；当进行VOR业务兼容性测试时，设置VOR信号发射频率为108.2 MHz，接收机输入功率为-79 dBm。

3.3 测试接收系统

测试接收系统由测试接收机和数据分析系统组成，数据分析系统可以对接收机接收到的信号进行数据采集、处理与评估，得到干扰程度的判定结果。

由于音频广播的频段可以延伸至108 MHz左右，选用的航空接收机必须满足国际民用航空组织（International Civil Aviation Organization，ICAO）规定的抗FM干扰相关特殊要求。对于当前兼容性测试，拟选用RNA?34BF VOR/ILS飞行校检接收机，该接收机是Honeywell公司生产的，用于精确测量VOR以及ILS空间信号而设计的全数字通信导航设备。RNA?34BF内部设置了相应的ILS与VOR模块，可以提供完整的航向信标与精确飞行方位信息。

数据分析系统主要由数据采集单元和数据处理单元组成。航空接收机的输出可通过ARINC 429总线连接到数据采集单元。数据采集单元可通过ARINC 429板卡利用LabViewRT实时操作系统对接收机的输出进行采集并利用GPS的PPS秒脉冲进行高精度的数据同步，最后对采集到的数据进行组帧并通过网络通信发送至数据处理单元。数据处理单元通过解析网络帧数据对接收到的采样数据进行统计分析，绘制数据曲线，评估测量结果并保存文件。数据采集处理系统如图6所示。

根据航空无线电导航业务的失效判定标准，中心误差为标准偏差的5%，为数据处理单元制订了相应的测量结果评估方法。在接入干扰信号前，首先对航空无线电系统本身的稳定性进行评估，接收机采样1 000个样本数据，计算其标准差σ。接入干扰信号后，接收机采样1 000个样本数据，不断调整可调衰减器的衰减量，如果多于50个样本数据超过相应的判决门限，则判定已经达到了超限干扰。据此，设计与开发了相应的评估软件，可用于实际测试中的数据处理与分析。数据评估软件如图7所示。

4 测试方案的验证

根据测试方案，对同频情况下的调频频段数字音频广播FM?CDR与ILS，VOR业务的兼容性进行测试与分析，以验证本文所提出的兼容性测试方案的合理性。

本文选取了A1类干扰情况下与航空无线电导航业务同频的音频广播进行相应的兼容性测试。

选取发射频率为108.1 MHz，接收机输入功率为-86 dBm的ILS信号作为欲收信号，分别选取频率为108.1 MHz的±32 kHz，±75 kHz频偏的调频广播、模式1数字音频广播、±32 kHz，±75 kHz频偏的模式9数字音频广播作为干扰信号，记录每一组实验条件下的接收临界功率，并计算得到相应条件下ILS业务所需要的保护比（保护比=航空无线电导航业务功率/音频广播接收临界功率），得到如表1所示的测试试验结果。

通过分析图像可以得到如下结论：

（1） 在音频广播与航空无线电导航业务同频情况下，±32 kHz频偏的音频广播的保护比高于±75 kHz频偏的音频广播，频偏越小、干扰越强；调频广播与数/模同播音频广播的干扰强度基本一致，频谱模式1数字音频广播的干扰最小，这是因为频偏越小的音频广播，能量更加集中，对同频的航空无线电导航业务干扰更强。

（2） 在音频广播与航空无线电导航业务同频情况下，同样的测试条件下，VOR业务所需的保护比更高。因此VOR业务抗音频广播干扰的能力弱于ILS业务，在台站设置时，应优先考虑与VOR业务之间的兼容情况。

以上测试验证了本文设计的兼容性测试方案的合理性与可行性，但是在之后的研究中，仍需进一步研究各种频率关系下的干扰情况，从而形成完整的FM?CDR与航空无线电导航ILS与VOR业务的兼容性结论。

5 结 语

音频广播数字化是音频广播发展的必然趋势，FM?CDR作为中国发展中的具有自主知识产权的数字音频广播标准，在大规模应用之前，对FM?CDR与相邻频带上的航空无线电导航业务的兼容性研究是非常重要的，在未来的时间内，有必要为这一兼容性提供更加全面的定量数据与定性的结论，并将这一成果充分的体现在FM?CDR的相关标准中，保障航空无线电业务不受干扰。

参考文献

[1] 高鹏，盛国芳，吴智勇，等.调频频段数字音频广播系统研究[J].广播电视信息，2014（1）：27?30.

[2] 高鹏，邹峰.广播数字化的探索与思考[J].广播电视信息，2014（1）：23?26.

[3] 盛国芳，高鹏，吴智勇.中央廣播节目无线数字化覆盖试点工程技术方案[J].广播与电视技术，2015，42（5）：18?21.

[4] ITU Radio Communication Study Group. Recommendation ITU?R SM1140： test procedures for measuring aeronautical receiver characteristics used for determining compatibility between the sound?broadcasting service in the band of about 87?108 MHz and the aeronautical service in the band 108?118 MHz [R]. US： ITU Radio Communication Study Group， 1995.

[5] THOMAS H， ROLAND E. Compatibility measurements?DRM120， DRM+ and HD radio interfering with FM broadcast， narrowband FM （BOS） and aeronautical radio navigation [R]. Munich： Radio Monitoring Station Munich， 2007.

[6] 鲁凯彬，田孝华.飞机机载无线电罗盘导航测角误差分析[J].计算机仿真，2015，32（8）：141?145.