民航甚高频通信系统的可靠性分析与措施

2023-11-29中国民用航空华北地区空中交通管理局天津分局郑涞

数字技术与应用 2023年11期

中国民用航空华北地区空中交通管理局天津分局郑涞

随着航班量的与日俱增、信道需求的不断增加以及电磁环境的日益复杂，对甚高频通信系统的可靠性提出了更高的要求。本文详细介绍了甚高频通信系统的工作原理以及影响其可靠性的因素，并从运行维护和通信干扰两个方面结合实际工作提出了相应措施，旨在为后续工作提供参考。

甚高频通信系统是民航地空通信业务中最重要的通信技术，其通话质量、稳定性及可靠性时刻影响着民航飞行的安全。VHF 通信的视距传播方式容易受到地形、地势和其他无线电台的影响，这对系统的内部结构基础和外部环境提出了更高的要求。为了促进我国民航事业的持续发展，充分了解甚高频通信系统的工作原理，深入研究甚高频通信系统的可靠性就显得尤为重要。

1 甚高频通信系统的工作原理

甚高频通信系统在民航地空通信中的主要应用包括话音通信和数据链通信。地空语音通信（如图1 所示）具有典型的话音特点，其中VHF 本地台用于机场、进近（终端）管制区的通信和管理，远端遥控台用于区域管制[1]。地空数据链通信则用于机场内替代话音通信以及航务管理通信，数字放行系统是替代话音通信的典型应用，增加了报文服务信息、管制员与飞行员自由信息等；航务管理通信用于航空器向航空公司下传发动机状态、当前位置等。

图1 甚高频地空语音通信工作方式Fig.1 VHF ground-to-air voice communication mode

目前，天津分局主用甚高频通信系统位于东区航管楼，采用16 信道设计，其中发射天线位于航管楼顶，接收天线位于塔台顶，为4 根共用天线，采用全向天线和垂直极化，天线特性阻抗为50Ω，备用甚高频系统位于西区航管楼。VHF 收发信机为OTE D100 型电台，工作频率为118.000～136.975MHz，频率间隔为25kHz，调制方式为DSB-AM，主要性能参数是采用交流220V±10%以及直流+24V±10%的双电源供电方式；载波功率：进近44dBm，塔台40dBm，地面37dBm；发射机调制度≥85%；接收机灵敏度≤-103.5dBm@1kHz MOD=30% SINAD=12dB。VHF 收发信机由DM 模块、TX 模块、RX 模块、PS 模块、CP 模块以及继电器组成。

（1）DM 模块：是OTE D100 电台的核心，主要由微控制器、FPGA、DSP、时钟生成器、音频解码器、接口电路等组成。DM 模块利用FPGA 执行中频信号的解调和音频信号的数字化处理；为电台的每个模块生成需要的不同频率的参考时钟；配置信息、各类参数的存储；电源供电监视；RCMS 相关信号的产生和处理。

（2）TX 模块：在物理上分为TX 板和PA 板，各自与电台背板连接。TX 板由数字部分和射频部分组成，数字部分通过RS422 串行数据线对来自DM 模块的IQ 样本进行管理。射频部分包括抗混叠滤波器、调制器、频率合成器和用于线性化的模拟反馈环路所需要的所有电路；PA 板是射频功率放大器部分。具体功能包括：DM模块的10MHz 参考频率与本地VCO 频率合成，形成本地载波信号；将来自DM 模块的IQ 数字信号转换为模拟信号，调制载波信号；将频率合成器送来的20mW 载波信号最高放大至50W；监控相关参数，例如，正向功率、反向功率和温度。

（3）RX 模块：基于超外差设计，将接收到的RF 信号进行二次下变频，放大，A/D 转换为I/Q 格式的数据流，通过RS422 串行接口将其发送到DM 模块。在物理上分为Front-End 板和RX 板。Front-End 板：射频输入信号首先通过两个可调谐的滤波器和一个低噪声放大器，用于满足灵敏度和镜像抑制的要求，信号再发送到第一混频器进行第一次下变频（21.4MHz）；RX 板分为射频部分和数字部分：射频部分提供中频信号处理、第二次下变频（455kHz）、信号AGC 和模数转换的功能，而数字部分提供完整的RX 模块控制、诊断和与外部单元的通信。

（4）PS 模块：将外部输入的220VAC 主电压和+24VDC备电压转换成各模块所需的直流电压（+28VDC，+13.5VDC，+5VDC，+3.3VDC）；提供GND 和告警信息（OverTemp，OverLoad，AC/DC Fail）。

（5）CP 模块：电台参数的监视和设置（通过显示屏和按键）；音频输入输出（通过扬声器和话筒接口）。

（6）继电器：电台不发射时，N 型端口与常闭SMA端口连通；电台发射时，N 型端口与常开SMA 端口连通，用于收发信机的收发切换和发射机的主备切换。

2 甚高频通信系统的运行维护

甚高频通信系统承载着民航地空通信业务，硬件设备的完整程度、质量优劣等直接关系到整个系统的稳定性和完好性，而地空通信业务的时效性取决于甚高频系统的可靠性。因此，甚高频通信设备的运行维护是影响系统可靠性的首要因素[2]，包括甚高频电台、传输接入设备、终端设备以及设备连线等（如图2 所示）。

图2 甚高频语音通信网络拓扑Fig.2 VHF voice communication network topology

2.1 VHF 电台故障

VHF 电台主要包括天线共用系统和单机系统，其中天线共用系统故障类型分为控制信号故障、音频信号故障以及电源故障。故障处置：（1）当设备控制面板出现告警信息时，根据OTE 设备技术手册告警信息处理表进行处理；（2）当设备出现供电方面故障时，依次检查交流电源、电源馈线、保险管、PS 模块有无故障，若有则需进行维护或更换；（3）当设备模块告警灯亮时，根据实际情况对模块进行更换；（4）当需要对设备参数进行配置时，使用LMT 软件执行相应操作；（5）当设备出现长发射故障时，应检查该路频率设备在语音系统配线架上是否出现短路情况，检查语音通信系统席位上话筒、耳麦等音频设备上是否出现故障。或当单机设备出现长发射故障时，应检查设备话筒是否故障，收发继电器是否长粘连；（6）当发射出现驻波比过大时，应依次检查天线、射频电缆、射频继电器、功放模块是否故障。

2.2 传输接入设备故障

传输接入设备主要用于键控信号以及话音数字化处理，在实际工作中故障较为常见，其原因包括：（1）硬件设置错误、软件参数改变和传输接口故障。故障处置：检查系统内是否存在器件故障或老化情况，如有则进行更换，并在更换完成后检查系统运行状态，以避免发生潜在的故障；（2）通信传输链路可能出现故障。故障处置：及时与运营商联系，核实所辖链路的通信状况是否正常，若正常，则对其他传输设备进行检查。

2.3 终端设备故障

语音通信交换系统和应急遥控盒均属于终端设备。当内话系统发生故障时，可能导致多个席位工作异常，在此类故障出现后，需要立即切换至应急遥控盒以确保地空通话正常进行。完成相应的应急处置后，可以通过系统监控确认系统故障点及其原因。对于主机内板卡出现告警的故障处理：戴上防静电护腕，拔插该板卡；查看该板卡状态是否正常，若仍有告警，则更换该板卡。对于监控系统无法监测的故障类型，需要技术维护人员根据管制员通报的具体运行情况排查相关问题。与系统故障相比，触摸屏异常、线路工作异常以及麦克风不工作等都会对系统造成影响。（1）当席位触摸屏故障时：1）若为触摸屏黑屏，检查电源并重启该触摸屏，若重启后仍黑屏，更换触摸屏；2）若为触摸屏左上角“LOCAL”灯变红，拔插电源插头并重启该触摸屏，若重启后仍为红色，在主机柜中找到该屏幕对应板卡热插拔后即可。（2）当某一频率无法使用时，确认是发射还是接收不可用，检查对应板卡状态是否正常，若正常则在配线架上用耳机测试该频率是否有音频信号，若没有，则为信号源端故障，需更换板卡。

2.4 设备连接故障

设备连接故障很难在日常检查工作中被发现，其故障类型主要包括线路短路、断路以及连接位置松动等。在实际工作中，需要依次检查其他类型的故障，以便发现此类故障。对于线路类型的故障处置：（1）可以使用万用表测试线路状态；（2）在条件允许的情况下，可采用替换法进行排查从而快速解决故障。为预防此类故障，在日常维护工作中应该对热缩管进行焊接操作，以避免人为因素引起的问题。

3 甚高频通信系统的通信干扰

民航地空通信业务中的无线电干扰从产生机理上可分为同频干扰、互调干扰、邻道干扰、杂散辐射干扰等，其中影响较大的是互调干扰和同频干扰。

3.1 互调干扰

甚高频通信系统元件的非线性问题是导致互调干扰的主要原因，经过非线性作用会产生许多谐波和组合频率分量[3]。两个或两个以上不同频率的干扰信号进入非线性电路，干扰信号（ωA、ωB、ωC）与被干扰信号（ωS）需满足以下条件：2ωA-ωB=ωS或ωA+ωB-ωC=ωS，干扰电台与被干扰电台同时工作且干扰信号幅度足够大。互调干扰会影响管制员与机组地空通信质量；增加发射机故障率，缩短其寿命；降低有效功率；影响空间电波秩序。

3.1.1 互调干扰分为发射机互调、接收机互调和外部互调

（1）发射机互调是指多台发射机同时工作，由于合路器的隔离度不足而导致信号耦合，干扰信号进入发射机末级功率放大器，产生新的组合频率信号并同有用信号发射；（2）接收机互调是由高放级和第一混频级的电路非线性问题导致；（3）外部互调是由于发射机馈线、高频滤波器等无源器件接触不良以及异种金属的接触部分非线性等原因，使强电场的发散信号引起互调。

3.1.2 发射机互调的预防措施

（1）适当增加发射天线间的距离，保证耦合损耗大于50dB；（2）在发射机和天线间插入单向隔离器；（3）输出端采用高Q 值滤波器；（4）增大发射机的互调变换损耗。

3.1.3 接收机互调的预防措施

（1）提高接收机前端电路的线性度，如使用有平方律特性器件；（2）接收机前端滤波采用多级调谐回路，提升接收机的选择性；（3）选用无三阶互调的频道组工作；（4）增加信号衰减器抑制强干扰信号，使其不能进入高放级和第一混频级。

3.1.4 外部互调的预防措施

（1）完善防潮、防锈等日常维护措施；（2）加强设备检测避免接触不良等问题；（3）增加监测系统识别干扰源。

3.2 天津本场干扰处置

天津分局东区主用甚高频系统自投产运行以来，多次发生阵发性全频率干扰事件，期间主用VHF 接收机无法正常工作，现象为受到啸叫声干扰且无有用信号，而同频异址的备份甚高频系统工作状态正常。在后续调查工作中发现其主要发生在雷暴前或雷暴期间，持续时间为5 ～15min。

3.2.1 干扰排查

干扰发生在雷雨天气且为全频干扰，以互调干扰为切入点。（1）技术人员对腔体滤波器和隔离器进行检测，结果分别显示邻道衰减超过60dB 以及反向衰减超过45dB；（2）使用干扰分析仪对塔顶周围的电磁环境进行测试未找到可能的干扰源；（3）检测塔顶接地电阻1 ～1.2Ω，天馈线及SPD 均正常；（4）检测塔顶障碍灯电磁外泄正常；（5）对塔顶裸露生锈的金属部位进行防锈防腐处理。

3.2.2 干扰原因

（1）塔顶天线设置集中，容易引起互调干扰和外部电磁背景噪声干扰；（2）馈线未采用屏蔽技术，在遭遇雷电电磁脉冲或空间电磁场变化时，外部电磁脉冲容易通过长导体耦合对接收机造成干扰；（3）共用天线和射频电路中部分金属接头接触不良，易产生互调干扰；（4）VHF 设备及天线接地设置存在缺陷。

3.2.3 处置措施

（1）根据公式c=λ×f 以及VHF 电台的工作频率118.000 ～130.000MHz，计算得出电台对应工作波长为2.54 ～2.30m。天线距离塔顶平面的相对高度应避免λ/4，合理设置相对高度0.63 ～1.14m；（2）整理天线馈线并采取有效的屏蔽措施，采用金属桥架敷设方式来屏蔽线缆以及金属箔带缠绕方式来屏蔽桥架外的线缆；（3）检查收发信机的线缆接地、屏蔽和SPD 并改进其安装工艺，检查金属接头连接情况并处理接触不良或锈蚀问题；（4）断开天线、馈线、接收机与塔顶预留扁钢之间的接地连接，从总等电位汇集板引出设备专用的两根屏蔽接地电缆，分别通过塔身电缆桥架敷设至维修环机房与塔顶设备接汇集铜板，并将设备等电位接汇集铜板使用绝缘子固定。