FM?CDR與航空無線電導航ILS VOR兼容性研究

海霞　郭燁　盛國芳　李瀚卿　潘長勇

摘 要： 調頻頻段數字音頻廣播FM?CDR與航空無線電導航業務的兼容性研究對于推動地面數字廣播在我國的大規模推廣至關重要。在此分析不同頻率下的數字音頻廣播對航空無線電導航信號可能產生的干擾情況，并在綜合國內外對FM，DRM，HDRadio等音頻廣播技術相關兼容性研究課題的基礎上，提出可以用于實際開展的兼容性測試方案。通過選取設備、搭建平臺、初步測試、數據收集以及統計分析，驗證了該測試方案的合理性，并且得到了干擾信號與欲收信號同頻條件下FM?CDR與ILS，VOR業務之間的兼容性情況。

關鍵詞： FM?CDR； 航空無線電； 兼容性測試； 地面數字廣播

中圖分類號： TN966+.3?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

隨著科學技術的不斷發展，人類已經進入了突飛猛進的信息時代，傳統的廣播技術正面臨著互聯網傳媒、移動互聯網廣播等多種信息渠道的挑戰，模擬調頻、調幅廣播技術已經難以滿足廣大用戶日益增加的使用需求，廣播數字化是音頻廣播發展的必由之路。數字音頻廣播技術是廣播數字化的技術基礎。通過引入先進的數字編碼、調制、傳輸等技術，數字音頻廣播技術可以在音頻質量、頻譜利用率以及覆蓋范圍等方面全面優化現有音頻廣播技術的使用性能[1]。

從20世紀80年代開始，國際上陸續出現了Eureka?147 DAB，DRM以及HDRadio等多種標準或技術方案。但是經過研究與小規模的先導網試驗后發現，國際上的數字廣播標準在國內應用存在頻譜資源緊缺、接收機價格昂貴、專利授權等諸多問題。因此，在國家廣電總局的統一指導下，我國開始了具有我國自主知識產權的數字音頻廣播技術FM?CDR的體系研究[2]。目前調頻頻段數字音頻廣播FM?CDR信道和復用標準已經發布，并且由國家廣電總局發起，于2014年12月啟動了中央廣播電視節目無線數字化覆蓋工程[3]，相關技術得到了初步的應用，FM?CDR在我國的大規模推廣指日可待。

調頻頻段數字音頻廣播的工作頻段在87～108 MHz，根據我國無線電頻段分配標準，與航空無線電導航業務相鄰。在108～118 MHz頻段的航空無線電導航業務有2個不同的系統：儀表著陸系統（Instrument Landing System，ILS）和全向信標系統（Very High Frequency Omni?directional Range，VOR）。其中，ILS信號的航向信標部分工作頻率范圍為108～111.975 MHz，VOR工作頻率范圍為108～117.950 MHz。ILS與VOR航空導航業務的準確性影響著飛機的導航、降落、定位以及正常航行，更關系到飛行員飛行的安全，因此，保障航空無線電導航信號不被相鄰頻帶的廣播信號干擾至關重要。為了確保兩種業務在大規模應用時能夠互不干擾，分析相鄰頻帶上的數字音頻廣播與航空無線電導航業務的兼容性是非常必要的。本文通過分析數字音頻廣播對航空無線電導航業務可能產生的干擾情況，并綜合了國內外對音頻廣播DRM，HDRadio等與航空無線電導航業務兼容性相關的研究基礎，制定了對應的FM?CDR兼容性測試方案，并開展了初步的研究與測試。

1 音頻廣播對航空無線電導航業務的干擾

考慮到頻譜的分布特點以及接收機的射頻特性，通過對數字音頻廣播系統與航空無線電導航業務系統的分析，音頻廣播與航空無線電導航的干擾主要包括A1，A2，B1，B2四種類型[4]。A類干擾是由一個或多個廣播發射機在航空頻段的無用發射引起的，單個發射機產生的雜散發射或者幾個廣播發射機互調而在航空頻段上產生的頻率分量，稱之為A1型干擾；一個廣播信號可能包括落在航空頻段內的不可忽略的頻率分量，稱之為A2型干擾。B類干擾是指工作在航空頻段外的廣播發射在航空接收機上產生的干擾，航空頻帶以外的廣播信號使得接收機進入非線性，可能會在航空接收機內產生交互調制，稱之為B1型干擾；航空接收機的射頻部分被一個或多個廣播發射變為過載狀態時，可能產生靈敏度降低的情況，稱之為B2型干擾。這四種類型的干擾可以反映不同頻率組合下的業務之間兼容情況，不同類型干擾的機理不同，因此其對應的干擾特性也有差異。為了對四種類型的干擾進行研究，在實驗測試中需要全面模擬四種干擾類型的情況，并在之后的總結與分析中對比四種類型干擾的特點。

2 國內外研究綜述

在建立調頻廣播FM的技術標準之時，國內外就曾對相鄰頻帶上的音頻廣播業務與航空業務的兼容性進行了深入的研究，國際電信聯盟第1小組在1995年發布了有關FM與航空無線電導航業務的兼容性的相關建議書SM1009，具體闡釋了FM對航空無線電業務產生干擾的原理與可能產生的干擾類型，并根據測試與分析提出了相關的兼容性分析標準[4]。據此，國際電信聯盟第1小組在1995年還發布了用于判定87～107 MHz頻帶廣播業務與108～118 MHz頻帶航空業務的兼容性以及測定航空接收機特征的測試規程的建議書SM1140，對研究FM與ILS/VOR業務的兼容性提供了標準的測試方案[4]。

自國外相繼出現Eureka?147 DAB，DRM，HDRadio等數字音頻廣播技術之后，國外研發機構曾對這些系統與航空無線電導航業務之間的兼容性進行了測試與分析，比較典型與完整的是慕尼黑無線電監測站于2007年9月進行的DRM120，DRM+和HDRadio對FM廣播、窄帶FM（BOS）及航空無線電導航的干擾測試，慕尼黑無線電監測站分別對比了DRM，HDRadio等數字音頻廣播系統以及FM調頻廣播系統對相鄰頻帶業務的干擾，并對業務之間的兼容性給出了定量以及定性的結論，對于指導建立DRM，HDRadio等數字音頻廣播技術的標準提供了重要建議與參考[5]。

為了研究調頻頻段數字音頻廣播FM?CDR與航空無線電導航業務的兼容性，本文主要借鑒了國際電聯建議書SM1140中的航空接收機的相關測試規程，并以慕尼黑無線電監測站所得到的測試為參考，制定了用于測定FM?CDR與航空無線電ILS，VOR業務兼容性的測試方案。

3 兼容性測試方案

為了研究在87～108 MHz頻率范圍內的數字音頻廣播系統FM?CDR與108～118 MHz相鄰高頻段的航空無線電導航業務ILS，VOR的兼容性問題，在本測試中，干擾信號是FM?CDR音頻廣播信號，欲收信號是航空無線電導航ILS與VOR信號。為了達到預定的測試目標，本文設計了兼容性測試系統框圖如圖1所示。

3.1 干擾信號發生與參數設置

FM?CDR系統提供了靈活的頻譜模式，不同地區可以根據所在地區的頻譜資源、臺站設備等情況選擇相應的頻譜模式，其中最常見的頻譜模式是模式9數/模同播廣播和模式1全數字廣播。

頻譜模式9為數/模同播模式，數字信號的帶寬不連續，數字音頻廣播信號的總帶寬為100 kHz，由兩個帶寬各為50 kHz的數字信號組成，在數字音頻廣播信號頻段中間是立體聲調頻廣播。

頻譜模式1為全數字模式，數字信號的帶寬連續，適用于在調頻廣播全部數字化以后或者頻譜資源不緊張的地區采用。如圖3所示。

在本測試方案中，為了對FM?CDR與航空無線電導航業務的兼容性進行全面的分析與測試，FM?CDR選擇最具代表性的模式1與模式9進行方案設計并開展測試。其中，在模式9狀態下，模擬音頻源采用立體聲信號發生器產生的粉色噪聲，立體聲調制信號左右信道相位相同，且信道之間存在6 dB的電平差異，信號的頻偏選用±32 kHz和±75 kHz準峰值頻偏，數字信號由FM?CDR激勵器產生[4]。FM?CDR激勵器如圖4所示。

3.2 欲收信號發生與參數設置

本測試方案主要針對ILS與VOR這兩項航空無線電業務，欲收信號分別是ILS信號與VOR信號。

測試擬采用的欲收信號發生器為IFR?2030航空標準信號源。如圖5所示。該信號源可以支持AM，FM以及脈沖調制，并且可以產生ILS與VOR航空標準信號，該信號源的載波頻率分辨率為0.1 Hz，RF輸出為0.1 dB。在此利用IFR?2030航空標準信號源產生相應的欲收信號，同時為欲收信號設置相應的參數：

（1） ILS信號標稱調制參數為：20%調制度，理想下滑道標稱配置為0.093；

（2） VOR信號標稱調制參數為：30%調制度，相位偏移[4]設為0。

在本方案中，當進行ILS業務兼容性測試時，設置ILS信號發射頻率為108.1 MHz，接收機輸入功率為-86 dBm；當進行VOR業務兼容性測試時，設置VOR信號發射頻率為108.2 MHz，接收機輸入功率為-79 dBm。

3.3 測試接收系統

測試接收系統由測試接收機和數據分析系統組成，數據分析系統可以對接收機接收到的信號進行數據采集、處理與評估，得到干擾程度的判定結果。

由于音頻廣播的頻段可以延伸至108 MHz左右，選用的航空接收機必須滿足國際民用航空組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）規定的抗FM干擾相關特殊要求。對于當前兼容性測試，擬選用RNA?34BF VOR/ILS飛行校檢接收機，該接收機是Honeywell公司生產的，用于精確測量VOR以及ILS空間信號而設計的全數字通信導航設備。RNA?34BF內部設置了相應的ILS與VOR模塊，可以提供完整的航向信標與精確飛行方位信息。

數據分析系統主要由數據采集單元和數據處理單元組成。航空接收機的輸出可通過ARINC 429總線連接到數據采集單元。數據采集單元可通過ARINC 429板卡利用LabViewRT實時操作系統對接收機的輸出進行采集并利用GPS的PPS秒脈沖進行高精度的數據同步，最后對采集到的數據進行組幀并通過網絡通信發送至數據處理單元。數據處理單元通過解析網絡幀數據對接收到的采樣數據進行統計分析，繪制數據曲線，評估測量結果并保存文件。數據采集處理系統如圖6所示。

根據航空無線電導航業務的失效判定標準，中心誤差為標準偏差的5%，為數據處理單元制訂了相應的測量結果評估方法。在接入干擾信號前，首先對航空無線電系統本身的穩定性進行評估，接收機采樣1 000個樣本數據，計算其標準差σ。接入干擾信號后，接收機采樣1 000個樣本數據，不斷調整可調衰減器的衰減量，如果多于50個樣本數據超過相應的判決門限，則判定已經達到了超限干擾。據此，設計與開發了相應的評估軟件，可用于實際測試中的數據處理與分析。數據評估軟件如圖7所示。

4 測試方案的驗證

根據測試方案，對同頻情況下的調頻頻段數字音頻廣播FM?CDR與ILS，VOR業務的兼容性進行測試與分析，以驗證本文所提出的兼容性測試方案的合理性。

本文選取了A1類干擾情況下與航空無線電導航業務同頻的音頻廣播進行相應的兼容性測試。

選取發射頻率為108.1 MHz，接收機輸入功率為-86 dBm的ILS信號作為欲收信號，分別選取頻率為108.1 MHz的±32 kHz，±75 kHz頻偏的調頻廣播、模式1數字音頻廣播、±32 kHz，±75 kHz頻偏的模式9數字音頻廣播作為干擾信號，記錄每一組實驗條件下的接收臨界功率，并計算得到相應條件下ILS業務所需要的保護比（保護比=航空無線電導航業務功率/音頻廣播接收臨界功率），得到如表1所示的測試試驗結果。

通過分析圖像可以得到如下結論：

（1） 在音頻廣播與航空無線電導航業務同頻情況下，±32 kHz頻偏的音頻廣播的保護比高于±75 kHz頻偏的音頻廣播，頻偏越小、干擾越強；調頻廣播與數/模同播音頻廣播的干擾強度基本一致，頻譜模式1數字音頻廣播的干擾最小，這是因為頻偏越小的音頻廣播，能量更加集中，對同頻的航空無線電導航業務干擾更強。

（2） 在音頻廣播與航空無線電導航業務同頻情況下，同樣的測試條件下，VOR業務所需的保護比更高。因此VOR業務抗音頻廣播干擾的能力弱于ILS業務，在臺站設置時，應優先考慮與VOR業務之間的兼容情況。

以上測試驗證了本文設計的兼容性測試方案的合理性與可行性，但是在之后的研究中，仍需進一步研究各種頻率關系下的干擾情況，從而形成完整的FM?CDR與航空無線電導航ILS與VOR業務的兼容性結論。

5 結 語

音頻廣播數字化是音頻廣播發展的必然趨勢，FM?CDR作為中國發展中的具有自主知識產權的數字音頻廣播標準，在大規模應用之前，對FM?CDR與相鄰頻帶上的航空無線電導航業務的兼容性研究是非常重要的，在未來的時間內，有必要為這一兼容性提供更加全面的定量數據與定性的結論，并將這一成果充分的體現在FM?CDR的相關標準中，保障航空無線電業務不受干擾。

參考文獻

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