SU4200甚高頻發射機參考頻率分析與校準

劉峰

摘 要：SU4200發射機廣泛應用于民航VHF地空通信領域，提供高可靠的管制員與飛行員之間的話音服務，起著非常重要的作用。發射頻率是VHF設備的重要參數之一，所有的話音通信都是建立在發射頻率之上。發射頻率的質量取決于參考頻率的精度與準確度。參考頻率是甚高頻發射機中的核心關鍵之一，直接關系到射頻信號的質量。本文針對SU4200甚高頻發射機的參考頻率進行深度剖析，包括產生參考頻率所采用的元器件、性能參數、相關標準、以及如何進行校準等等。

關鍵詞：SU4200;甚高頻發射機;參考頻率;校準

1 相關民航組織對甚高頻發射機（地面系統）頻率的要求

1.1 國際民航組織標準（ICAO）

在ICAO 附件10 中，對頻率穩定度做了相關規定，工作頻率和指派頻率的偏差不能大于±0.005%，即50 ppm。當使用ICAO附件10第五卷（Aeronautical Radio Frequency Spectrum Utilization）中所述的25 kHz的信道間隔時，工作頻率和指派頻率的偏差不能大于±0.002%，即20 ppm。當使用第五卷中所述的8.33 kHz的信道間隔時，工作頻率和指派頻率之間的偏差不能大于±0.000 1%，即1 ppm。

1.2 中國民航標準（MH/T 4001）

在中國民用航空局發布的《甚高頻地空通信地面系統：第一部分：話音通信系統技術規范》（MH/T 4001.1 - 2016）中，對發射機的頻率誤差作了相關規定，如表1所示。其中，對于涉及到的2或3頻偏、4頻偏、5頻偏則采用ICAO附件10規定的標準。

2 SU4200甚高頻發射機頻率合成

2.1 頻率合成原理

頻率合成是指由一個或多個頻率穩定度和精確度很高的參考信號源通過頻率域的線性運算，產生具有同樣穩定度和精確度的大量離散頻率的過程。頻率合成的方法可以歸納為直接合成法與間接合成法（鎖相環路法）兩大類，其中間接合成法又可分為脈沖控制鎖相法、模擬鎖相環路法和數字鎖相環路法。這里主要介紹SU4200甚高頻所采用的數字鎖相環路法，其原理如圖1所示。合成的頻率由壓控振蕩器產生。當壓控振蕩器的頻率由于某種原因發生變化時，必然相應地產生相位變化，這相位變化通過負反饋給鑒相器，在鑒相器中對反饋的信號與參考晶體振蕩器的穩定相位進行比較，形成一個與相位誤差成比例的誤差電壓，經過低通濾波器去除高頻，取出其中的低頻電壓控制信號，用來控制壓控振蕩器中的壓控元件，從而將壓控振蕩器的輸出頻率拉回到期望值上來。由于參考晶振的頻率是固定值，而頻率合成器所需輸出的頻率是可變的，為了使二者頻率在鑒相器處相等，以便比較它們的相位，需要對 VCO 產生的反饋頻率在送到鑒相器之前進行分頻，而且分頻比可以通過控制器進行控制。另外，由于分頻比通常很大，因此分頻電路分為固定分頻和可變分頻兩部分。由于鑒相器往往是工作于較低的頻率，因此參考晶振頻率在送至鑒相器之前也需要進行分頻。

2.2 參考信號源（晶振）

從頻率合成原理可知，合成的頻率的穩定度和精確度取決于參考信號源。SU4200發射機的參考信號源為一個10 MHz的晶振，位于設備內部A6 Black plane板上，如圖2所示。晶振的廠家是德國KVG公司，頻率為10 MHz，工作電壓為12 V。

依據設備等級共有兩種類型的晶振，即TCXO和OCXO。TCXO晶振的頻率穩定度為±0.2 ppm，用于25 kHz頻率間隔標準;OCXO晶振的頻率穩定度為±0.02 ppm，用于25 kHz和8.33 kHz兩種間隔標準。

2.2.1 TCXO

TCXO是Temperature Compensate Xtal（Crystal） Oscillator的簡寫，中文名是溫補晶振，其結構框圖如圖3所示。TCXO采用熱敏補償網絡形成一個反向的補償電壓，以抵消晶體本身受溫度影響而產生的漂移，以達到在寬溫溫度范圍內滿足穩定度要求的晶體振蕩器。補償后頻率穩定度在

10-6～10-7量級，由于其良好的開機特性、優越的性能價格比及功耗低、體積小、環境適應性較強等多方面優點，因而獲得了廣泛應用。

2.2.2 OCXO

OCXO是Oven Controlled Crystal Oscillator的簡寫，中文名是恒溫晶體振蕩器。OCXO利用恒溫槽使晶體振蕩器中石英晶體諧振器的溫度保持恒定，將由周圍溫度變化引起的振蕩器輸出頻率變化量削減到最小的晶體振蕩器。OCXO是由恒溫槽控制電路和振蕩器電路構成。如圖4所示，加熱器在恒溫箱控制的控制下，把恒溫箱的溫度控制在一個穩定的值，使得位于恒溫箱中的晶體保持一個較高的穩定狀態，從而使震蕩電路產生頻率具備較高的頻率穩定度。

3 SU4200發射機參考頻率校準

3.1 校準的要求

在SU4200廠家提供的用戶手冊中，把參考頻率的校準列入了定期維護內容。理由是晶體振蕩器存在自然老化的現象，頻率會隨著時間發生改變。建議在第一年運行后檢查頻率偏移，并在必要時重新調整。同時，廠家也建議在之后的參考頻率校準周期以 3 年為間隔，進行定期維護，以確保指定的頻率精度。

3.2 校準的方法

SU4200參考頻率的校準需要借助頻率測量的儀表，校準模型如圖5所示。把SU4200發射機的射頻口X3通過50歐姆同軸射頻電纜連接到一個30 dB的衰減器，然后再通過射頻電纜把經過30 dB衰減后的射頻信號送給測量儀表。測量頻率的儀表可以為頻譜儀、頻率計、VHF綜測儀（CMA180、CM54、nrf2945等），但是要求儀表自身的精度要比SU4200高。

3.3 校準的步驟

3.3.1 TCXO的頻率校準

本文頻率校準的儀表選用R&S廠家的綜測儀CM54。校準的過程要做好射頻防護措施，既要保護設備、儀表等以免受到損壞，也要確保不往外輻射信號干擾到管制業務。具體步驟如下：

（1）待測件SU4200開機熱機至少1分鐘，等待TCXO進入穩定狀態。

（2）測量儀表開機，按照要求進行熱機，等待儀表進入穩定狀態。設置相應的接口、功能等。CM54選擇TX-TEST功能，RF頻率選擇COUNT計數功能。

（3）按照圖5所示通過USB數據線把安裝好R&S ZS 4200軟件的計算機連接至等待頻率校準的SU4200發射機。在ZS 4200軟件上選擇USB連接方式，讓ZS 4200軟件連上SU4200。ZS 4200依次進入Configuration -> Adjustment -> TCXO Adjustment。其中，TCXO調整值的范圍為0～255。

（4）通過ZS 4200軟件設置SU4200發射機的測試頻率為120 MHz。

（5）通過ZS 4200軟件設置SU4200發射機的Low功率模式的數值為5 W，并選擇Low功率模式。

（6）通過ZS 4200軟件設置SU4200發射機的工作模式為AM調幅模式。

（7）通過射頻饋線把SU4200的發射射頻端口X3的射頻信號經過衰減后連接到測量儀表。

（注意：因為CM54支持大功率輸入，所以也可以不用接衰減器。對于不支持大功率的儀表，一定要加上相應的衰減器，以免過高的功率燒壞儀表。）

（8）操作SU4200發射機面板菜單，進入到發射機測試目錄，選擇Test PTT功能，按下Enter發射一個未經調制的載波信號。

（9）在測量儀表中讀取頻率值，如圖6所示。

（10）在ZS 4200軟件中調整TCXO的值，使得儀表測量出來的數值盡可能的接近設定的頻率（從前面章節的分析可知SU4200的TCXO晶振頻率穩定度為±0.2 ppm，120 MHz對應的0.2 ppm為±24 Hz）。對于采用TCXO晶振的SU4200發射機，ZS 4200 TCXO Adjustment調整1位，晶振的頻率大概變化11 Hz。在調整參數時要慢慢調整，不宜大跨度調整，過高的頻率變化會引起發射機頻率失鎖，產生代碼位0315的Tx INT ERF UNLOCK告警。

（11）調整完畢后，收拾規整好相應的儀表、設備、附屬接線等。做好相應的記錄。

3.3.2 OCXO的頻率校準

OCXO的頻率校準和TCXO的校準基本類似。不同的地方在于SU4200發射機所使用的OCXO的頻率精度不一樣，以及OCXO的開機后到熱穩定的時間不一樣，OCXO的熱機時間要更長。校準步驟如下：

（1）待測件SU4200開機熱機至少10分鐘，等待OCXO進入穩定狀態。

（2）-（9）與TCXO的校準步驟一致。

（10）在ZS 4200軟件中調整TCXO的值，使得儀表測量出來的數值盡可能的接近設定的頻率（從前面章節的分析可知SU4200的OCXO晶振頻率穩定度為±0.02 ppm，120 MHz對應的0.02 ppm為±2.4 Hz）。對于采用OCXO晶振的SU4200發射機，ZS 4200 TCXO Adjustment調整1位，晶振的頻率大概變化1.5 Hz。在調整參數時要慢慢調整，不宜大跨度調整，過高的頻率變化會引起發射機頻率失鎖，產生代碼位0108的OCXO OVEN WARNING告警。

（11）與TCXO的校準步驟一致。

4 結論和建議

發射頻率是VHF地空通信中的載體，所有的話音通信都是建立在發射頻率之上，而參考頻率是決定發射頻率質量的重要參數。本文從行業規范、發射頻率產生原理、參考頻率特征、電子元器件類別等方面對SU4200發射機參考頻率進行了深度分析，并給出了SU4200發射機參考頻率校準的方法與步驟。參考頻率來源于晶振，但是，由于晶振自身結構存在自然老化現象，隨著時間的變化會存在頻率的改變，像在民航VHF地空通信等領域對頻率有著高要求的應用場景，就需要定期對晶振的頻率進行校準，以保障晶振輸出頻率的準確性。SU4200發射機在首次使用一年后需要對頻率的偏差進行檢查，之后，每隔3年都需要重新對參考頻率進行校準，確保設備工作頻率的準確性。

參考文獻：

[1]SU4200VHF Transmitter Operation Manual[M].Mnuich，Germany.Rohde&Schwarz GmbH&CO.KG.2014

[2]ICAO Annex 10 Volume Ⅲ Communication Systems[S]. ICAO.2007.

[3]MH/T 4001.1-2016甚高頻地空通信地面系統[S].中國民用航空局，2016.