甚高频通信系统.docx

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甚高频通信系统

甚高频地空通信系统

一、无线通信基础

1、甚高频地空通信基础

通信以话音、图像、数据为媒体，通过光或电信号将信息传输到另一方。

甚高频通信系统供飞机与地面台站、飞机与飞机之间进行双向话音和数据通信联络。

甚高频系统采用调幅工作方式，其工作的频率范围由～（实际使用最大频率为136MHZ），频率间隔为25KHZ，这是国际民航组织规定的频率范围和频道间隔。

甚高频传输方式的特点是：

由于频率很高，其表面波衰减很快，传播距离很近，通信距离限制在视线距离内，所以它以空间波传播方式为主，电波受对流层的影响大；受地形，地物的影响也很大。

2、通信的分类：

（1）、模拟通信与数字通信

信道中传输的是模拟信号时称为模拟通信。

信道中传输的是数字信号时称为数字通信。

（2）、有线通信与无线通信

使用光缆、铜缆等进行连接的通信为有线通信。

使用电磁波、光波等连接的通信为无线通信。

3、甚高频收发信机分类：

（1）、按设备分为：

VHF便携收发信机，VHF单体收发信机，VHF共用天线系统。

（2）、按发射功率分为：

塔台设备的发射功率不应超过10W，进近设备发射功率在25W，航路对空设备发射功率应在50W。

VHF便携电台主要用于塔台指挥、校飞、电磁环境测量、应急等。

VHF单体收发信机适用于通信波道少，有足够天线场地的机场使用。

随着民航业务的发展，对VHF的波道数量需求越来越多，对天线场地和电磁环境的要求越来越高，逐步由VHF单体电台过渡到VHF共用天线系统。

VHF遥控台主要用于航路地空通信，通过设置遥控台来解决航路或区域的全程通信覆盖，解决本场的VHF作用距离以外不能覆盖的通信。

二、甚高频调幅AM收发信机工作原理

1、发射机

调幅发射机一般由音频放大器、振荡器、混频（调制器）、前置放大器、高频功率放大器等组成。

音频放大器的功能是将音频电信号进行放大，但是要求其失真及噪音要小。

混频器是将放大后的音频信号加在高频载波信号上面，形成的高频电磁波调制信号，其包络与输入调制信号呈线性关系，目的就是为了增强信息信号的抗噪声能力。

调制原理：

振荡器的主要作用是产生调制器所需的稳定的甚高频载波信号，一般都采用高性能、低噪声和高集成度的产品，如频率合成器。

前置放大器和功率放大器的作用是把调制后的高频信号放大，经天线发射到空中。

民航常用的设备，使用发射功率一般为10～50W，所以都采用多级放大器。

同时由于放大器在放大信号的同时，内部本身也会产生噪声，所以信号在输出端较之输入端的信噪比S/N值要小。

图1甚高频调幅发射机基本方框图

波形3

发射信号

波形2

振荡信号

波形1

话音信号

图2发射机信号波形

2、收信机

收信机由高频放大电路、混频放大器、振荡器、中放放大器、检波器、音频放大器和音频输出等组成的。

高频放大电路是是将天线接收下来的电磁波进行放大、滤波以及自动增益控制等功能。

混频器是将收到的高频信号和本机振荡器产生的振荡信号混合生成一个中频信号，然后送入中频放大器进行放大。

检波器目的是在放大后的中频信号中分离出声音信号，检波也叫解调是调制的反过程。

波形1

音频预放和音频放大，经检波后的音频信号经过音频预放后取出数据信号，送至监控单元。

然后将话音信号经过音频放大器和音频输出电路将收到的信号提供给管制员使用。

图3甚高频调幅收信机基本方框图

波形4

音频信号

波形2

振荡器

波形3

中频信号

波形1

天线接收信号

图4收信机信号波形

2、VHF通信信道（波道）

图5收发信机通信基本模型

通话双方使用同一频率，一个VHF通信信道，使用一个频率。

一方发送完毕，停止发射等待接收对方信号。

收发信机平时都处于接收状态。

通信方式为半双工信道。

4、地空通信在民航的应用

（1）、放行

（2）、地面滑行管制，对所有进离港航空器提供地面管制服务。

管制范围：

为机场活动区内跑道入口等待点、滑行道、联络道至停机桥（位）。

（3）机场管制，对所有进离港航空器提供空中管制服务。

管制范围：

跑道头延长线10km左右，跑道中线两侧10km左右，高度300m（含）以下。

（4）进近管制，对所有进离港航空器提供空中管制服务。

管制范围：

以机场为中心150km左右，高度6000m（含）

目前，民航地空通信的保障能力得到了显著的提高，甚高频地空通信已成为主要地空通信手段。

在机场终端管制范围内，甚高频通信可提供塔台、进近、航站自动情报服务、航务管理等通信服务。

在航路对空通信方面，随着在全国大中型机场及主要航路（航线）上的甚高频共用系统和航路甚高频遥控台的不断建设，实现我国东部地区6000米以上空域和其他地区沿国际航路6000米以上空域甚高频通信覆盖，在一些繁忙航路上达到了3000米以上的甚高频通信覆盖。

5、无线电通信频段

名称

甚低频

低频

中频

高频

甚高频

符号

VLF

LF

MF

HF

VHF

频率

3～30KHZ

30～300KHZ

～3MHZ

3～30MHZ

30～300MHZ

波段

超短波

长波

中波

短波

米波

波长

1KKm～100Km

10Km～1Km

1Km～100m

100m～10m

10m～1m

传播特性

空间波为主

地波为主

地波与天波

天波与地波

空间波

主要用途

海岸潜艇通信；远距离通信；超远距离导航

越洋通信；中距离通信；地下岩层通信；远距离导航

船用通信；业务无线电通信；移动通信；中距离导航

远距离短波通信；国际定点通信

电离层散射（30-60MHZ）；流星余迹通信（30-144MHZ）；对空间飞行体通信；移动通信

名称

超高频

特高频

极高频

符号

UHF

SHF

EHF

频率

3-30GHZ

30-300GHZ

波段

分米波

厘米波

毫米波

波长

1m-0.1m

10cm-1cm

10mm-1mm

传播特性

空间波

空间波

空间波

主要用途

小容量微波中继通信：

（352-420Mhz）;对流层散射通信（700-10000Mhz）;中容量微波通（1700-2400MHZ）

大容量微波中继通信（3600-4200MHZ）；大容量微波中继通信（5850-8500MHZ）；数字通信；卫星通信；国际海事卫星通信（1500-1600MHZ）

再入大气层时的通信；波导通信

三、民航甚高频通信基础

1、频率

甚高频英文简称VHF（VeryHighFrequency），传输特性类似于光波，具有直线传播的特性，其绕射能力差，为视距范围内的通信。

其稳定性高，外界干扰小，有时会受天气等因素影响通信效果。

ITU国际电信联盟，成立于1865年5月17日，1947年10月15日成为联合国的一个专门机构，总部设在瑞士日内瓦，是电信界最权威的标准制订机构。

ITU在1947年的《国际无线电规则》分配给民航使用的VHF为，载波：

～；频段：

～（见国际民用航空组织公约附件10《航空电信》4.5.1.3）。

中国民航局无线电管理委员会办公室负责国内频率的分配。

具体频率所使用的业务，中国民航局无线电管理委员会办公室已经按计划分配。

使用单位不得随意挪用，即批复给A扇区的频率，不能用于B扇区。

为我国民航与军航飞行协调频率。

定为全世界统一的搜索救援频率。

2、频率间隔

为了保证信道正常工作，使信道间相互不受干扰，又要使信道数量最大化，需要设置合理的频率间隔。

现在规定频率使用采用25KHz间隔。

20世纪80年代以前制造的设备，有50KHz为信道间隔，目前还有少量机载设备使用。

20世纪90年代中后期，VHF设备制造厂商已普遍生产信道间隔的设备。

若采用25KHz，地空通话共502个信道（除应急、搜索救援和保留给地空数据链VDL的信道以及特殊频段）。

ICAO国际民航组织，为解决通信容量不足，将25KHz除3得到，从而使可指配的信道数量增加3倍。

到目前（2010年4月）实际使用中，所分配的频率基本都是以50KHz为间隔，2009年开始有个别地空数据链使用25KHz间隔。

50KHz频率间隔排列从开始，，，，，……。

图6频谱上载波排列

kHz频率设置和显示格式

频率间隔

（khz）

设置频率

（MHZ）

25KHZmode

显示频率（MHZ）

mode

显示频率（MHZ）

25

-

-

25

-

-

25

-

-

25

-

-

25

-

-

25

kHzmode从千分之一位上看是有规律的。

3、频偏与频率准确度

多台站工作产生干扰，频偏只在地面发射机上设置，收信机上不设置；2台发射机的差频，在飞机的收信机产生新的频率干扰；VHF发射机可以一般设置5频偏，每2个频偏间隔≥5KHz；在采用同频异址覆盖时，使用25KHz频率间隔时，最大频偏载波不超过8KHz。

当使用频率间隔时，不采用频偏技术。

由于设置了频偏对发射设备的频率准确度要求更高。

4、频带宽度和工作模式

我们现在使用的是模拟方式工作，25KHz频率间隔，调幅AM，双边带模式DSB。

民航现用调幅话发射类别

调制方式及含义

发射标志

用途

频带宽（KHZ）

双边带（单路）

A3E

对空通信

6

单边带SSB、全载波（单路）

H3E

对空通信

3

单边带减载波（单路）

R3E

对空通信

单边带、抑制载波（单路）

J3E

对空和平面通信

27

工作频带的大小取决于发射机，与发射设备的功率、滤波器有关。

5、通信距离

由地球半径Ro=6370km，推导出：

通信距离

由于大气的不均匀性对电波传播轨迹要产生影响，所以，直接波传播所能到达距离应修正为：

通信距离

根据目前电磁环境的实际情况，VHF地面电台与8400m高的飞机之间的通信距离在300km时，可以得到较好的地空通信效果，但是在青浦区管有使用350km以上的通信距离，所产生的通信不可靠因素也较多。

图7地空通信距离示意图

6、发射功率与EIRP等效全向辐射功率

我们称呼的发射功率是发射机在射频输出段的输出功率，实际在天线输入口，得到功率要小的多。

VHF共用天线系统，由于采用大量射频器件，在天线口往往只能得到2/5的功率。

EIRP等效全向辐射功率，是发射天线真正向空中辐射的功率：

EIRP（dBm）=发射机输出功率+天线增益-射频器件的损耗-射频电缆损耗

EIRP计算举例：

一部50W（47dBm）的发射机，向空中有效辐射为：

42dBm=47dBm（TXPOWER）+2dBi（天线增益）-7dB（总衰减）

实际只有25WdBi的参考基准为全方向性天线。

7、驻波比

我们希望将发射机输出的功率，通过负载（天馈系统）全部辐射出去。

当VSWR为1时，工作在最佳状态，一般VSWR≤能正常工作，若达到时，有一半功率被反射回来了。

8、平均故障间隔时间MTBF（MeanTimeBetweenFailures）

具体是指产品从一次故障到下一次故障的平均时间，这是衡量设备可靠性的一项重要的指标。

MTBF计算中主要考虑的是产品中每个元器件的失效率。

多信道：

≥15000h；单信道：

≥20000h，相当于625/833天无故障。

9、收信机静噪门限SQ与线路静噪控制SQ

收信静噪门限SQ，是收信机内部控制射频信号的模拟门电路，控制信号是一个可变的值；线路SQ是收信机输出的，控制终端设备的信号，用直流电压控制。

控制方式，在收信机内可以设置。

收信静噪门限SQ，目前常用的控制有两种方式，电平方式和信（载）噪比方式。

静噪门限开启电平>静噪门限关闭电平≥灵敏度

目前我们常用配置：

静噪门限开启电平-105dBm、静噪门限关闭电平-107dBm、收信机灵敏度-110～-108dBm，这样在耳机中得到的音频质量较好。

（不一定所有的收信机都做得到），若电平配置不当，接收信号在管制员耳机中会发生断续。

对于静噪门限开启值的合理设置可以有效避免干扰的产生。

10、发射功率

一般区域地面甚高频发射机发射功率是50W，进近25W，塔台10W。

对于发射功率的合理设置，可以有效避免自身互调干扰的产生。

在一个VHF系统内，为了避免系统内产生的自身干扰，需要考虑以下因素：

信道间隔、天馈部件性能、发射功率、接收静噪门限、系统内信道总数量等。

发射功率与静噪门限的对应关系（建议值）

位置

发射功率（W）

接收静噪门限

信噪比（dB）

电平（dBm）

塔台

10

12

-103

进近

25

10

-105

区域

50

9

-107

11、收发信机与终端设备相连接的方式

（1）、语音信号：

发射音频TX（地－空方向）：

600Ω平衡，频率范围300～3000Hz；

接收音频RX（空－地方向）：

600Ω平衡，频率范围300～3000Hz；

（2）、控制信号

发射键控信号PTT（PUSHTOTALK）：

接地/悬空/电压控制；

接收线路静噪控制信号SQL：

接地/悬空/电压控制；

SG:

信号地，为PTT和SQL提供回路信号

四、天线和射频电缆

1、天线

甚高频地空通信电磁波使用垂直极化方式，天线分为有增益、无增益天线；全向、定向天线；单一、组合天线。

主要参数：

连接接口方式、频率范围、驻波、增益值、阻抗、极化、功率、承载风力。

1副共用天线频率间隔，必须大于500KHz，最好大于1MHz；一般VHF共用器系统，1个信道都按主备机配置，1付天线容纳4个信道工作。

天线承载发射功率在1000W以上，形状为筒状，有2～3dB增益，筒内密封不好容易进水，冬天结冰后VSWR很大，在共用天线系统中，会影响多个信道的正常工作。

2、射频电缆

射频电缆分为编织网、波纹管、螺旋管，电缆损耗：

100m损耗，直径10mm编织网4dB；1/2波纹管；7/8波纹管dB。

一般在共用天线系统中，馈线大于50米，使用7/8波纹管电缆，馈线小于50米使用1/2波纹管电缆。

在单机中，目前使用10mm编织网电缆很多，随着工业制造水平的提高，螺旋管电缆的柔软性、损耗等也较理想，目前使用较多。

连接跳线，由于7/8波纹管电缆很硬，在连接天线时一定要用软跳线，一般使用编织网电缆、目前也有使用螺旋管电缆作跳线。

在电缆转弯呈90度时，我们可以使用90度转换接头或90度接头。

五、防雷与接地

射频电缆三点接地，射频电缆室外段，电缆铜外壳需要三点接地，使用三个电缆外皮接地夹，均等三段接地。

接地与室外地必须可靠连接。

避雷器主要参数：

工作频率、承载功率、放电电流、插入损耗、回波损耗等。

四分之一波长避雷器使用的工作频率很高（800MHz以上），雷电产生的电磁感应频率，比较我们工作频率低，当雷电产生时，若电缆上有感应则对地呈短路状态。

目前我们使用的避雷器，可替换地气体管避雷器较多。

图8天馈室外接地示意图

图9可替换地气体管避雷器

六、滤波器

重要指标：

插入损耗、带宽内衰减，中心杆调整中心频率，接口上的匹配环调整插入损耗。

在调整中心频率和插入损耗时，两者有牵连。

举例：

一般我们将插入损耗设置在1dB时，测量±500K（1MHz）带宽的衰减，常规的滤波器衰减可以达到≥15dB，略差的滤波器衰减可以达到≥12dB，好的滤波器衰减可以达到32dB以上（双腔滤波器实现）。

图10滤波器特性曲线

七、无线电干扰

无线电干扰是指在无线电通信过程中发生的,导致有用信号接收质量下降、损害或阻碍的状态及事实。

无线电干扰信号是指通过直接耦合或间接耦合方式，进入接收设备信道或系统的电磁能量，它可以对无线电通信所需接收信号的接收产生影响，导致性能下降，质量恶化，信息误差或丢失，甚至阻断了通信的进行。

因此，通常说，无用信号引起有用信号接收质量下降或损害，我们称之为无线电干扰。

1、按通信专业的无线电干扰分类

（1）、噪声干扰

这种噪声的大小在城市商业区、工业区、居民区、郊区而不一样。

如：

自然噪声：

雷电、磁暴、太阳黑子、宇宙射线等；内部噪声：

设备的随机热噪声等；人为噪声：

电器、电力、汽车点火等。

（2）、同频干扰

凡是无用信号的载频与有用信号的载频相同，并对接收同频道有用信号的接收机造成干扰的都称为同频干扰。

为提高频率利用率，不同扇区使用同一频率，在相隔一定距离之外，可以使用相同频率，这就是频率的异地复用。

若设置不当就会产生同频干扰。

信道阻塞，飞机发射机故障，如PTT长发射。

（3）、邻频道干扰

邻频干扰就是工作在相邻信道的发射机发射的信号，落入接收机通带内造成的干扰，称为邻频干扰。

从中频放大器窜入收发信机决定频率的器件参数变化，发射机的谐波或杂散辐射在接收有用信号的通带内造成的干扰。

（4）、互调干扰

互调干扰是指几个不同频率的信号通过非线性电路时，产生与有用信号频率相同或相近的频率组合，而对通信系统构成的一种干扰。

又分为发射机互调干扰和接收机互调干扰。

无线电互调干扰频率一般都会满足以下关系式

f3=mf1±nf2

f3－产生新的干扰频率，f1－干扰频率，f2－干扰频率，mn－系数

发射机互调干扰是多部发射机信号落入另一发射机，并在此未级功放的非线性作用下相互调制，产生不需要的组合频率，对接收信号频率与这些组合频率相同的接收机造成的干扰，称为发射机互调干扰。

图11发射机互调干扰的产生

例如：

上海进近与，当2个频率一起工作时，会产生：

2×－=

又是进近03扇区的工作频率。

接收机互调干扰是当多个强信号同时进入接收机时，在接收机前端非线性电路作用下，产生互调频率，互调频率落入接收机中频频带内造成的干扰，称为接收机互调干扰。

图12接收机互调干扰的产生

2、从民航自身特点对无线电干扰的分类

由于民航地空通信保障的特点，范围大，高度很高，机载设备的特殊性，我们本着解决干扰的实际情况，分为：

（1）、地面干扰

在地面通过接收机能直接收到干扰信号，一般干扰源小于50km。

在地面收到的干扰，一般使用监测设备都能查找到。

可以使用定向天线、场强仪或频谱分析仪。

（2）、空中干扰

在地面接收不到干扰，只有在空中才能接收到的干扰信号，它是典型的互调干扰。

飞机在空中飞行时由于经常更换频率，所以机载VHF设备不加装滤波器，干扰信号较容易串入机载接收机混频端，引起干扰。

要查找空中干扰只能用对比分析，掌握干扰地区的广电等发射设备的频率，很难使用监测设备直接查找到干扰源。

（3）、广播干扰是目前危害我们最多的干扰源

目前所发生空中杂音、广播干扰，非一般性无线电设备所能产生，大多是广电部门使用低质无线电发射设备所产生，我们发现广电部门同址共塔、异址设置大功率调频广播、电视发射机的现象极为普遍，发射机的功率从1kw到10kw不等（据无线电管理部门介绍，发射应该功率设置在3kw），发射机射频部件故障导致杂散发射超标，调频广播频率设置不合理等，这些都是最直接危害民航地空通信的主要原因。

无线电管理应以技术手段、法律手段、经济手段和行政手段来实现。

处理无线电频率相互有害干扰，应当遵循中华人民共和国无线电管理条例：

“带外让带内、次要业务让主要业务、后用让先用、无规划让有规划”的原则。

广电部门应降低超标的发射功率、维修故障设备、加装滤波器、合理使用频率。

只有通过综合治理才能有效地防止对民航地空通信的干扰。

3、发射设备必须符合的三项技术标准：

频带宽度允许限度（双边带电话（航空地空通信）6KHz）

残波辐射功率允许限度（杂散比基波平均功率衰减、杂散辐射功率）

频率偏差允许值（频率准确度）

4、排查干扰常用仪器

场强仪：

RSEB200便携式RSESMB标准型RSESMC简单型

频谱仪：

RSFSH3TektronixYBT250便携式

天线：

RSHE200、HE300有源方向性天线HK116双锥型天线

场强仪+频谱仪：

RSPA100

使用以上的仪器和天线组合，都可以查找到地面直接干扰。

八、电磁环境

1、接收场强

接收场强表明天线接收信号的强度，接收电磁场强度单位dBμV/m，环境电磁场强度E（dBμV/m）=接收机测试值（dBμV）+天线系数（dB/m）+射频器件的衰减（dB），天线系数由制造天线厂家给出。

国际民用航空组织公约附件10航空电信第一册，地面设备设备特性中，要求地面甚高频接收电磁场强度E≥20μV/m=-80dBm相当于28dBμV/m（主观感觉信号有5个）

国际民用航空组织公约附件10航空电信第一册，机载设备设备特性中，要求机载甚高频接收电磁场强度E≥75μV/m=-70dBm=37dBμV/m（主观感觉信号有5个）；扩展通信距离接收电磁场强度可以达到30μV/m相当于31dBμV/m。

接收极限值=12dBμV/m=-95dBm

当测量值大于接收机本底噪声6dB分贝时，认为是有效信号，这时的信号强度会对正常通信有影响。

差值＝测试值－标准极限值。

信号按照差值大小被分为四类，分别是≥0dB（肯定超标）、≤-3dB（可能会超标）、≤-6dB（不会超标）、≤-20dB（无影响信号）。

九、气候的变化对甚高频地空通信的影响

气候的变化对甚高频地空通信服务半径有较大影响，由于甚高频频率较高，相应的波长较短，空中的雨滴、雪花、大雾、尘土等会使甚高频信号的传播损耗增加。

在通信距离近的地方，场强比较强，这种情况不易被察觉，而在通信距离远的地方，由于场强比较弱，通信效果有着明显的下降。

此外一天中电波在空间的传播损耗也是有变化的。

在通信距离远的地方，由于场强比较弱，较易被察觉。

有时在地面会收到遥远的另一地面台的发射信号，这是什么原因呢产生这种现象必须同时满足两个条件：

1.发射机有足够大的发射能量输出；2.电波传播上有特殊传输线——“大气波导”。

大气波导由大气层的下层与地表面所构成。

电波在大气层的下层与地表面之间来回反射，由近及远向外传播。

形成大气波导的气候条件大致是：

地面上空的温度、湿度随着高度的增加而出现反常的变化。

比如，随着高度的增加，湿度反常地减小，而温度却反常地升高。

当陆地上温暖干燥的空气转移到水面上时，就发生了这种反常情况。

和水面接触的最下面一层空气温度高、湿度小的现象。

还有另一种情况，在晴朗的夜间，地表面冷却，而上层空气还保持着较高温度时，也会形成大气波导。

如形成大气波导的区域很大，那么甚高频信号就能传播得更远。

图13大气波导现象

十、声音质量与通信距离的关系

条件：

1.通信地势平坦，海上比陆地通信效果要好；

2.管制员与飞行员相互通话信号质量同等；机载VHF发射机25W。

3.无电磁干扰；

4.VHF设备调试符合标准；

5.地面电台天线高度30m。

十一、甚高频通信台选址

遵守《中国民用航空地面无线电台（站）电磁环境测试规范》

甚高频地空通信地面设备通用规范第1部分：

甚高频设备技术要求（MH/T－2006），要求与广播电视大功率发射天线距离大于6km。

为了达到甚高频通信更好的覆盖效果，我们尽量将VHF台建在高处，若建在高山上，考虑的情况有：

维护管理、出故障后的响应时间、防火防盗、维护成