INDRA DVOR VRB-53D調相原理探討

趙宇偉

摘要：近幾年民航各地方空管局陸續更新安裝全新的INDRA DVOR VRB-53D型全向信標系統。針對此套新的全向信標系統，通過理論分析闡述了載波和邊帶信號的相位控制調整以及誤差來源，為民航安徽省空中交通管理分局啟動了新一代DVOR/DME平臺的搭建工作打下基礎。

關鍵詞：全向信標;相位調整;偏移;誤差來源

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.16.086

0引言

全向信標定相涉及到載波信號相位與邊帶信號相位之間的正確關系。在VRB-53D中，兩個邊帶之間的相位始終是正確的。這是因為兩個邊帶信號都使用DDS（數字直接合成技術），并且來自同一個信號源。從DVOR天線環上相對于中央天線對稱的兩個天線輻射到空間的邊帶信號也已經均衡。下面，將會詳細闡述全向信標定相的理論基礎。

1全向信標定相理論

在DVOR中，RF定相的目的是確保載波和兩個邊帶信號在空間合成后，形成一個適當的調幅信號。在這個里調制信號是9960Hz副載波。如果這三個信號之間的相位關系不正確，則產生的調幅信號將嚴重失真或幅值偏低。

在DVOR中，天線環上任意點處邊帶和載波的“同相”條件被定義為產生最大副載波（9960Hz）振幅的相位。這在圖1（1）的矢量圖中表示。

在這個圖中，上邊帶（USB）和下邊帶（LSB）在載波方向上的相位差是相等的。“同相”信號的必要條件是，在任意時刻，兩個邊帶與載波之間的夾角相等，但方向相反（或兩者都為零）。這個角度φ如圖1（1）所示。

如果兩個邊帶相對于載波的相位在相反的方向上移動相等的量則不影響空間合成效果。只要兩個邊帶信號相對于載波之間的相位是相等的，那么依然滿足“同相”條件。以這種方式移相的效果是在載波上引起合成AM的移相。

上面的描述用代數的方式描述如下：

如果：

載波=cosωct

那么：

上邊帶（USB）=KUcos（（ωc+ωm）t+U）

下邊帶（USB）=KLcos（（ωc+ωm）t+L）

其中：

KU，KL是邊帶信號的幅度;

ωC是載波的角頻率;

ωm是調制信號的角頻率;

U是上邊帶相位（相對于載波信號）;

L是下邊帶相位（相對于載波信號）。

三個信號之和的包絡將是：

E=1+Kcos（ωmt+r）

條件是KU=KL，且K=KU+KL，U+L2=0

例如：U=-L=r

當兩個邊帶相對于載波的相相位差不相等時，就會出現相位失調的情況。如圖1（2）中矢量圖所示。這里USB落后載波1并且LSB領先載波2。兩個邊帶的合成矢量R與載波不在同一相位上。以下兩種方法都可以實現“同相”條件：

（1）改變載波相位和邊帶合成矢量R一致。

（2）改變一個邊帶的相位，使合成矢量R與載波一致。

2相位調整的基礎

用于調整DVOR中的邊帶相位的方法基于以下原理：當載波與上、下邊帶合成矢量相差90°時，副載波調制為零。對組合信號的數學分析表明，調幅的包絡在基本調制頻率（ωm）下不包含任何分量，當U+L2=±90°時，如圖1（3）所示。

調整這個零點比嘗試調整最大副載波幅度要“更加銳利”。

改變載波相位90°相當于改變一個邊帶的相位180°。固定相移可以應用于LSB（理論上180°，但通常更小。），然后將USB調整為0。然后，固定相移（或預設值）被移除，以使信標正確定向。此相位預設是通過對LSB應用相位延遲來產生的。LSB的預設值可以通過下式給出：

預設值=2×（90°-偏移）

其中“偏移”為載波相位從“共線”相位設置中偏移的量（偏移的典型值是8°，預設值就等于164°）。

3誤差來源

本文前面描述的理想條件僅適用于天線環上的一個點。當邊帶圍繞天線環切換時，會發生相位變化。這樣就產生了兩個相位誤差源：天線陣效應和近場效應。

3.1天線陣效應

天線陣效應（就是天線互耦）導致接收機從“切向”天線接收的信號延遲從“共線”天線接收的信號（關于接收點位置，見圖2）。這意味著，當邊帶從“共線”天線輻射時，如果載波和邊帶合成矢量是同相的，那么當“切線”天線發生輻射時，載波將超前邊帶合成矢量。對于一個標準的DVOR臺站，這個誤差通常是16°。通過將相位調整到這兩個點之間的中間位置，使誤差減小到±8°，可以將這種影響降至最低。在VRB-53D中，由于信號補償，天線耦合度大大降低，相位差滯后最小化。

3.2近場效應

近場效應僅發生在當接收機位于“近場”的區域。這是由于從接收機到載波天線的距離小于從接收機到“切線”天線的距離。這個距離D，如圖2所示。對于遠場接收機（大于1500米），這個誤差可以忽略不計。

當從切線天線輻射時，這種效應導致邊帶滯后于載波。距離載波天線80米處的監視器天線接收到的信號會出現邊帶滯后載波大約40°。理想情況下，信標的邊帶相位應使用遠場接收器進行調整。然而，由于近場效應只會使“切線”天線失去“同相”，因此使用正常監視天線（80米處）并觀察“共線”天線的信號進行相位調整，可以獲得令人滿意的結果。

4近場監控天線效應

近場監視天線接收到的副載波信號比遠場監視天線接收到的副載波信號具有更多的60Hz寄生調幅。這是因為當從“切線”天線輻射時，由于近場效應，邊帶的相位滯后。這種相位誤差會導致副載波幅度降低（在“切線”點），從而導致副載波上的AM增加。當副載波調幅深度在遠場（大于1500米）中小于40%時，那么從80米處的監視器天線上觀察，調幅深度將小于55%。

5結束語

DVOR VRB-53D作為新一代的全向信標系統，與以往的Thales DVOR432的主要不同在于相位控制等主要功能集中在DDS（直接數字式頻率合成器）芯片中完成。直接數字合成以及調制相比于以前的模擬合成調制方式抗干擾性能得到加強，具有更強的穩定性，給設備維護工作帶來了便利。通過對載波和邊帶信號的相位控制調整以及誤差來源的理論分析，為今后設備的技術保障工作打下了基礎。

參考文獻

[1]Indra.DOPPLER VOR MODEL VRB-53D Technical Handbook[Z].2012-03-16.

[2]倪育德，盧丹.導航原理與系統[M].北京：清華大學出版社，2015.