甚高频通信互调干扰建模研究

□ 民航贵州空管分局技术保障部 张 蕾/文

随着民航通信事业的飞速发展，VHF通信信道资源日趋紧张，电磁环境日渐恶劣，通信设备间的干扰也日益严重。无线电干扰类型有同频干扰、邻频干扰、互调干扰、带外干扰和阻塞干扰等，其中又以互调干扰对通信的危害尤为严重。当干扰发生时，飞行员和管制员耳中充斥着强烈的背景噪音，致使双方通信困难甚至失去联络，严重干扰了地空通信系统的正常运行。因此，对民航VHF频段资源进行干扰排查，实现提前预防、减小或消除互调干扰，对民航飞行安全至关重要。

互调干扰的概念和成因

无线电通信系统中不可避免地需要使用大量非线性元器件，当两个或以上频率的信号同时侵入发射机天线或接收机的输入端电路，由于电路的非线性将其相互调制，会生成多个谐波及组合频率分量，若组合频率分量刚好与接收机工作频率相等或接近，则可能落入接收机频带内而形成互调干扰。由此，互调干扰的形成主要来自三个方面：发射机互调干扰、接收机互调干扰，以及在天线、馈线及高频滤波器等处，由于接触不良或是异种金属间的接触而产生的非线性作用。

互调干扰对通信设备的损害是极其严重的。较发射机而言，当发射机调试好后，其工作频率处于输出电路的最优谐振频率点上，此时电路中的电流最小，然而互调产物使发射机内部工作电路失谐，电流增大，元器件发热，最终导致发射机故障率大幅增加。且当发射机的主频与其他无用频率互调，将大大降低发射机的有效功率，影响发射性能。相较接收机而言，由于互调信号会导致主频频谱发生畸变，当接收机对收到畸变后的射频信号进行解调，误码率增加，通信质量降低，导致通信双方无法进行有效通信。

互调干扰的产生主要是由于电路的非线性，按其形成的位置，可大致分为下列3种来源：

（一）发射机互调干扰

由于功放电路的非线性，由其他信道发射的干扰信号经天线侵入，或经RF器件与发射机末级耦合，使主频与干扰频率相互调制，生成新的频率并随主频一起向外输出，接收机收到互调信号形成干扰。通常，发射机天线相距过近，水平和垂直的隔离度达不到规范，且发射机载波功率较强时，容易造成接收机互调干扰。

（二）接收机互调干扰

在接收机的前端电路（高频放大电路、变频器）中，当两个或以上频率的信号同时进入接收机，由于电路的非线性，使其相互调制产生互调信号，若互调产物恰好与接收机工作频率相近，则可能落入接收机调谐的接收带宽内而形成互调干扰。

（三）外部效应引起的互调干扰

在发射机的电路中，由于发射机天线、馈线及高频滤波器等电路的接触不良，或电路中的金属器件因锈蚀而造成接触不良，以及异种金属的相互接触而导致电路的非线性，使强射频电场的发散信号互调，形成干扰源。这类互调干扰的特点是随温度和湿度的变化而变化，天气干燥或潮湿、白天和夜间的干扰情况都不尽相同。

通过以上分析，我们得出互调干扰形成的三个必要前提：第一，电路的非线性；第二，互调频率可以进入非线性器件；第三，互调信号的频率与接收机工作主频相同。以上条件必须同时满足才能形成互调干扰，因此对互调干扰的防护应从以上三个方面考虑。

互调干扰的数学表达

以下对互调干扰的形成原理进行数学描述。

非线性器件的输出电流ic与输入电压ui（t）的关系为：

式中，ki为比例常数，且k1＞k2＞k3…

当两个干扰信号同时作用于输入端的非线性器件：

ui（t）＝ m1（t）cosω1t＋ m2（t）cosω2t

其中，m（t）表示各个信号的振幅，被音频信号调制，ω表示各信号的载波角频率ω=2πf。

设有用信号为：us＝ms（t）cosωst

则合成信号为：

ui（t）＝m1（t）cosω1t＋m2（t）cosω2t＋ms（t）cosωst

将ui（t）表达式带入ic可得：

经过变换，得到输出频率的传播模型：ω＝±Aω1±Bω2±Cω3，其中A、B和C为任意正整数（包含0）。

观察上述展开式中的频率成分，可以发现：

1. ω1、ω2、ω3的高次谐波分量，如二倍频、三倍频等，均远离有用频率ωs，不属于互调频率。

2.由于接收机的调谐回路具有选择性，使得二阶、四阶等偶数阶互调都因这一特征无法形成有效的互调干扰，只有三阶、五阶等奇数阶互调干扰才会造成危害。

3.N＝A＋B＋C＝3时的三阶失真项中，有2ω1±ω2、2ω2±ω1、2ω1±ωs、2ωs±ω1、2ω2±ωs、2ωs±ω2、ωs±（ω1＋ ω2）、ωs±(ω1－ω2)等几种频率组合；若出现两个或者三个频率的频率组合值接近于有用信号的频率ωs，如2ω1－ω2≈ωs、或ωs±（ω1－ω2）≈ωs，则可以落入接收机调谐的接收带宽内，产生三阶互调干扰。

4.N＝A＋B＋C＝5时的五阶失真项中，有3ω1±2ω2、3ω2±2ω1、3ω1±2ωs、3ωs±2ω1、3ω2±2ωs、3ωs±3ω2、3ωs±（ω1+ω2）、3ωs±(ω1-ω2）等几种频率组合；若出现两个或者三个频率的频率组合值接近于有用信号的频率ωs，如3ω1－ 2ω2≈ ωs、3ω2－ 2ω1≈ ωs或 3ωs±（ω1－ω2）≈ωs，则可以落入接收机调谐的接收带宽内，产生五阶互调干扰。

5.互调干扰的强度与其振幅呈正相关，互调信号的振幅越大，互调干扰分量的强度越大，因此三阶互调干扰的危害性最大，五阶次之，而N＝A＋B＋C≥7之后的七阶、九阶等干扰对系统的影响较小，一般可以不予考虑。

民航VHF互调干扰算法建模

（一）建模背景

由于民航现在使用的VHF电台在制作工艺上已经相当成熟，想通过改善硬件结构的方式排除电路的非线性，实属不易。因此，在频率资源的分配过程中，最有效的办法是通过计算排除掉可能产生互调干扰的频率组，即采取措施，让互调分量的频率与接收机的工作频率各异。但是在甚高频信道比较多的情况下，若采取人工评估寻找互调频率点的方法，计算量太大，难以得到准确、全面的结论。通过对信道互调原理的分析，可以建立数学模型，利用计算机获取互调干扰频率组，找出干扰源，抑或是在频点规划之初，利用模型结论排除掉可能造成互调干扰的规划方案，为优化频点台站资源提供依据。

（二）基本假设

在非线性器件中，系数kn＋1＜kn，高阶互调的系数通常都小于低阶互调分量，强度也低很多。七阶、九阶及以上的互调干扰对实际系统的影响已经很小，而且实现起来对系统的运算量要求也比较大，因此本模型只考虑计算较为常见的三阶互调和五阶互调干扰。

（三）算法描述

输入：管制区内无线电频率输入数组frequency_in，包括民航VHF电台和调频广播电台频率。

输出：互调干扰频率输出数组frequency_out

第1步：频率初始化。定义一个初值为0的6×1000的二维的互调干扰频率输出数组frequency_out。frequency_out(i,k)为互调干扰的发射频率，frequency_out(6,k)为互调干扰的接收频率。其中，i∈[1,6]，k∈[0,1000]，k的初始值为1。

第2步：取整预处理。由于频率值单位为MHz，步长为25KHz，导致频率值均为浮点数，为抑制计算机浮点计算带来的误差，所有频率均以KHz为单位，对频率值进行整数化处理。

设 fi∈ [frequency_in]，f0∈ min{frequency_in}

则 Fi＝ 1+（fi－ f0）/0.025

式中：fi为初始输入频率序列；f0为输入频率的最小值；Fi为取整后的整数频率序列。

第3步：寻找三阶互调干扰频率组。

遍历所有的Fi：

① 若 4个 频 率，F1～ F4满 足：F1＋ F2－ F3=F4，且F1～F3为发射频率，F4为接收频率，则F4为受干扰频率，F1、F2、F3分别存入 frequency_out(1,k)、frequency_out(2,k)、frequency_out(3,k)，F4存 入frequency_out(6,k)，称为三型三阶互调干扰；

k＝ k＋1；

②若3个频率，F1～F3满足：2 F1－F2＝F3，且F1～ F2为发射频率，F3为接收频率，则F3为受干扰频率，F1、F1、F2分别存入 frequency_out(1,k)、frequency_out(2,k)、frequency_out(3,k)， F3存 入frequency_out(6,k)，称为二型三阶互调干扰；

k＝ k＋1；

第4步：寻找五阶互调干扰频率组。

遍历所有的Fi：

①若 6个频率，F1～ F6满足：F1＋ F2＋ F3－F4－F5＝F6，且F1～F5为发射频率，F6为接收频率，则 F6为受干扰频率，F1、F2、F3、F4、F5分别存 入 frequency_out(1,k)、frequency_out(2,k)、frequency_out(3,k)、frequency_out(4,k)、frequency_out(5,k)，F6存入 frequency_out(6,k)；

k＝ k＋1；

②若 5个频率，F1～ F5满足：F1＋ F2＋ F3－2F4＝ F5， 且 F1～ F4为 发 射 频 率，F5为 接 收 频率，则 F5为受干扰频率，F1、F2、F3、F4、F4分别存 入 frequency_out(1,k)、frequency_out(2,k)、frequency_out(3,k)、frequency_out(4,k)、frequency_out(5,k)，F5存入 frequency_out(6,k)；

k＝ k＋1；

③ 若 4个 频 率，F1～ F4满 足：3F1－ F2－ F3＝F4，且F1～F3为发射频率，F4为接收频率，则 F4为 受 干 扰 频 率，F1、F1、F1、F2、F3分 别 存入 frequency_out(1,k)、frequency_out(2,k)、frequency_out(3,k)、frequency_out(4,k)、frequency_out(5,k)，F4存入 frequency_out(6,k)；

k＝ k＋1；

④若3个频率，F1～F3满足：3F1－2F2＝F3，且F1～F2为发射频率，F3为接收频率，则F3为受干扰频率，F1、F1、F1、F2、F2分别存入 frequency_out(1,k)、frequency_out(2,k)、frequency_out(3,k)、frequency_out(4,k)、frequency_out(5,k)，F3存入 frequency_out(6,k)；

k＝ k＋1；

第5步：去重复。遍历互调干扰频率输出数组frequency_out所有的行，去掉具有相同排列组合的行。

第6步：结果输出。输出frequency_out不全为0的行。

实例验证

（一）典型案例1

2018年4月，贵阳管制员反应区调120.7MHz频繁收到进近120.075MHz的串扰，由于120.075MHz为新建频率，初步怀疑120.7MHz、120.075MHz与某一未知频率发生互调干扰。

1.建模分析

根据建模，计算贵阳管制区在用频率取整后的Fi整数序列如表1所示，120.7MHz、120.075MHz分别对应Fi中的82、107。

表1：贵阳管制区取整频率Fi

表2：互调干扰频率输出数组frequency_out

表3：互调干扰频率输出数组frequency_out

根据计算得出互调干扰频率输出数组frequency_out如表2所示。

根 据 建 模 结 果 得 出 F1（120.075MHz）、F2（119.45MHz）、F3（120.7MHz）构成二型三阶互调干扰，即2 F1－ F2= F3。

2.处置措施

①由于120.075MHz与120.7MHz的电台均建在同一台站，相距太近很容易相互影响，因此选择另一个与120.7MHz相距5.2km的电台，将其频率改为120.075MHz；

②如果互调干扰信号小于信道接收机的接收开门限，则无法进入120.7信道的接收机，在不影响VHF连续可靠覆盖的前提下，将进近频率120.075MHz的发射功率从50W降为30W。

经过以上调整，观察120.7MHz的串扰现象消失，建模结果真实有效。

（二）典型案例2

2018年10月，贵阳管制员反应区调133.45MHz频繁收到进近120.7MHz的串扰，初步怀疑133.45MHz、120.7MHz与某一频率发生互调干扰。

1.建模分析

如前所示，对近期管制区内新增频率124.95MHz取整，取整后对应Fi中的值为277。

根据计算得出互调干扰频率输出数组frequency_out如表3所示。

根据建模结果得出F1（124.95MHz）、F2（120.7MHz）、F3（133.45MHz）构成五阶互调干扰，即3F1－2F2＝F3。由于124.95MHz为区调新增频率，与近期开始频繁反应的串扰现象相符。

2.处置措施

由于发生串扰的三个频率分属于不同的台站，且均为区调频率，无论是采用调低发射功率的方式，还是采用更换台站的方式，均会影响区调扇区内甚高频的航路覆盖效果。因此采用对124.95MHz、120.7MHz、133.45MHz三个频率设置频偏的方式抑制互调干扰，经过多次测试调整后观察133.45MHz的串扰现象消失，建模结果真实有效。

结束语：

本文通过分析频率互调干扰的形成机理，建立基于无线电互调干扰算法的仿真计算模型，成功排查贵阳管制区内发生的两起VHF三阶、五阶互调干扰源。本文构建的互调干扰计算模型准确实用，可减小民航VHF电台频率干扰源排查的工作量，为民航VHF频点使用提供风险评估，为合理优化现有频点提供参考依据。