深入理解空間調制

顓建

摘 要 DVOR導航系統在空管和機場有著廣泛的應用，它是CVOR系統的升級和增強版，相比于CVOR，DVOR有著信號穩定、抗干擾強、對地形要求小、方位分辨率強等優點，深受民航系統的青睞。本文從空間調制的理論出發，深入探討DVOR設備原理，結合THALES DVOR 432設備詳細論述信號從產生到發射的過程，以及信號在空中的合成。

關鍵詞 空間調制；DVOR；混合調制；多普勒效應

中圖分類號 V2 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）14-0001-02

1 多普勒效應頻移

多普勒效應是指物體輻射的波長因為波源和觀測者的相對運動而產生變化。多普勒效應的實質是頻率發生了變化，DVOR設備使用此原理，將發射源方位信息與調頻波相位很巧妙的一一對應起來，如圖1所示，根據多普勒效應，當發射源在半徑為r的圓周上做勻速運動時，接收點接收到的信號為調頻信號，根據多普勒頻移公式不難導出接收點的信號。

理解了多普勒效應后，我們便可以知道，在DVOR系統中是沒有頻率調制這一環節的，它靠的是天線的模擬旋轉來產生多普勒頻移以達到調頻的目的。

2 空間調制

空間調制只是相位控制合成的另一種說法，在DVOR原理中，空間調制具體是指發射的信號在空間中疊加合成為一個標準的調幅波信號。DVOR發射機的一項重要功能就是將3個精密控制的信號發射出去以便在空間中合成一個標準的調幅波。

習慣上將叫作上邊帶頻率，將叫作下邊帶頻率，需要注意的是在幅度調制中幅度，頻率、和，相位三個要素必須相互匹配，否則合成的信號將變形。

很多時候我們關注的是信號的幅度，頻率、和，這兩個信號量，而忽略了相位，其結果就是在空間合成的信號比我們預想的信號大相徑庭，甚至得不到調幅信號，很多材料上對這個現象的解釋可以用圖2表示。

兩個矢量信號和分別代表著上下邊帶，代表它們的初始相位，當兩個邊帶合成信號的方向與載波信號方向一致時，合成信號最優，當兩個邊帶合成信號的方向與載波方向的夾角為90°時，合成信號最差，甚至出現調制度消失的情況，如圖3藍色（合成信號最優）和紅色（合成信號最差，調制度消失）的波形所示。

根據式（5）很容易在復平面上做出如下圖4所示的圖形，其合成信號與模和相位的關系一目了然。上邊帶超前（滯后）載波的相位等于下邊帶滯后（超前）載波的相位，此時上邊帶和下邊帶的合成信號落在載波方向上，經過時刻上邊帶的相位為，載波的相位為，下邊帶相位為，則上邊帶超前載波的相位為，而下邊帶滯后載波的相位也是，所以兩個邊帶的合成信號依然落在載波的方向上。隨著信號不停地旋轉合成的信號改變的只是數值上的大小，而方向和載波保持一致，體現為調制波在載波上的調制，三個信號的合成波則仍然為一個標準的調幅波。

3 混合調制

混合調制在DVOR設備中尤其重要，它在信號合成的最后環節扮演著將之前所述信號準確地發射到空中的角色，以前關于混合函數的研究已經很透徹了，但都是從頻域方面進行的分析，這里將給出另一種解答。從功能性上來說混合函數的作用類似于FFT中窗函數的作用，在THALES DVOR 432中有3種混合函數可以選擇，主用的是余弦平方波。THALES DVOR 432共有48根邊帶天線，其混合調制示意圖如圖5所示，上、下邊帶在奇偶天線上輪流輻射，在某一時刻，空中輻射的邊帶信號為：

混合函數滿足奇偶相加等于1的信號有很多可以選擇，例如矩形波。邊帶與混合函數調制后的信號幅頻特性如圖6所示，可以很明顯的看到矩形波的旁瓣比余弦平方波大的多，其不能夠很好的抑制旁瓣，諧波電平較大，鋸齒波等于矩形波的積分，也會出現類似的情況，這里就不再深入討論了（矩形波相當于邊帶波形乘以1，也就是不加任何混合函數直接發射出去）。

以上都是傳統的混合函數分析方式，下面從另一個角度討論混合函數為何選擇余弦平方波。假設設備載波頻率為113MHz，則上邊帶的頻率為113.009 96MHz，從1號天線切換至3號天線輻射的時間為，約有156 958.3個周期的上邊帶信號輻射出去，如果選擇的混合函數為矩形波則3號天線初始輻射的信號電平為，依次切換下去，將在某個時刻天線輻射初始電平為最大值，此時對于天線轉換開關來說無疑是一個巨大的沖擊，設備損耗會變得尤其顯著。如果使用余弦混合函數調制，邊帶天線切換時，邊帶電平會始終先變為零，然后再逐漸變大，對設備損耗來說會變得微不足道，如圖7所示。

綜上所述，可以看出來混合函數為余弦平方波可以有效地減少信號輻射過程中的諧波分量，又可以使邊帶能量非常平滑的從一個天線切換至另一個天線，對保護設備有著重要作用。

4 結論

本文詳盡地闡述了DVOR信號空間調制的主要內容，從信號的調制、合成等基本概念出發，深入淺出地解釋了DVOR設備為何要這樣設計，以及這樣設計的好處。空間調制和混合調制關系密切，每一個環節都很重要，在發射通路上缺一不可，值得思考的是如果標準調幅波不分解為上、下邊帶和載波信號分別輻射，機載接收機接收到的信號還是有效的信號嗎？答案是不能保證空間信號的有效性，因為天線的模擬旋轉會帶來高次諧波，雖然去除直流分量的邊帶合成信號也有類似的波形，但是卻不符合多普勒效應產生的30Hz頻率調制，想要盡可能地消除高次諧波必須增加混合調制，這樣一來標準調幅波必須分解并分別輻射出去。