基于Octave 的同頻干擾仿真分析

李 菁

（中國民用航空華北地區空中交通管理局，北京 100621）

0 引 言

在民航通信中，同頻異址的甚高頻臺對于增加通信距離、擴大信號覆蓋范圍扮演著極其重要的角色。在民航地空通信中，特別是在區域管制場景下，管制部門會將多個甚高頻臺站信號接入信號比選器，同時使用多個臺站對飛機進行呼叫[1]。然而，這種方式也帶來了無線電同頻干擾的問題，給通話質量帶來影響。本文將對民航無線電同頻干擾的產生、現象及原因進行分析與仿真，并對同頻干擾的解決方法進行描述，便于技術人員深刻直觀地理解同頻干擾。

1 民航甚高頻地空通信

1.1 甚高頻通信系統的概念

甚高頻通信指的是將基帶信號調制到甚高頻的頻段上進行通信，即將甚高頻作為載波進行通信。在民航空管行業中，往往采用118 ～136.975 MHz 頻段。為了防止干擾，在實際使用中，所用頻率之間需要保持一定間隔，在民航中頻率間隔有25 kHz 和8.33 kHz 兩種。

1.2 民航甚高頻通信原理

甚高頻通信是通過頻譜搬移的方式，將頻率較低的信號搬移到頻率較高的頻段上去。在實際的語音通信中，就是將來自管制的話音信號（300 ～3 400 Hz）調制到甚高頻頻段（118 ～136.975 MHz）并發射。模擬調制方式有3 種，分別是調幅（Amplitude Modulation，AM）、調頻和調相。相比于調頻與調相，調幅信號更容易實現，且相關的電路比較簡單。因此，民航地空通信往往采用調幅的模式。

基帶信號m(t)與直流分量A0疊加，之后再乘以載波信號，輸出的信號就是AM 信號[2]。AM 調制的相關模型如圖1 所示。

圖1 AM 信號調制器模型

通過上述模型計算可得，AM 信號的時域表達為

式中：sAM(t)為已調信號；A0為外加的直流分量；m(t)為均值為0 的語音信號；m'(t)為歸一化的語音信號；M為調制度。將AM 信號進行傅里葉變換后可得頻域信號為

從式（2）中可以看出，信號經過調制就是在頻域上進行搬移，且AM 信號包含了載波分量。當m(t)為單頻率正弦波且頻率為ωH時，AM 信號的典型波形和頻譜分別如圖2（a）、圖2（b）所示。

圖2 AM 信號的時域和頻譜

由圖2 可知，基帶信號m(t)的帶寬為ωH。AM 信號的頻譜由2部分組成，分別是載波分量以及邊帶分量，邊帶分量又分為上邊帶和下邊帶。上邊帶的頻譜與基帶信號的頻譜結構相同，下邊帶是上邊帶的鏡像。顯然，無論是上邊帶還是下邊帶，都包含基帶信號的信息。所以，AM信號是包含離散載波分量的雙邊帶信號，其帶寬是m(t)帶寬的2 倍，即BAM=2Bm=2ωH[3]。

2 同頻干擾分析

2.1 同頻干擾的概念

無線電干擾是在無線通信中，一些電磁能量通過耦合方式（直接或間接）進入接收系統或信道，導致接收信號質量下降、誤碼甚至通信中斷的現象[4]。在民航地空通信中，同頻干擾、互調干擾、鄰頻干擾、帶外干擾以及阻塞干擾多為常見[5]。

民航地空通信中，特別是區域管制地空通信中，由于空域面積較大或管制合扇指揮，業內往往采用同頻率多個臺站同時發射，這樣會導致部分空域為多臺站信號重疊。雖然這種方式能夠提高覆蓋面積，但當飛機飛經多重信號覆蓋的區域時，飛機的接收機往往會受到嘯叫干擾，這種干擾在民航通信中被稱為同頻干擾。

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2.2 超外差接收機原理

在民航地空通信中，接收機大多為超外差式接收機。射頻信號進過濾波和放大后通過混頻器變頻到中頻再進行解調。其構成如圖3 所示。

圖3 超外差式接收機原理

如圖3所示，接收信號首先通過濾波器和放大器，再與本振信號進行混頻，混頻后生成中頻信號，中頻信號再進行放大[6]。放大后的中頻信號進行檢波后就是音頻信號。

在超外差接收系統中，變頻器是非線性器件，放大器也具有一定的非線性特性，設系統的伏安特性為

設輸入的射頻信號和本振信號為U1msinω1t、U2msinω2t。當2 個射頻信號進入非線性器件后，將U1msinω1t+U2msinω2t代入上述伏安特性公式并經過變換可以得到

式中：cU1mU2mcos(ω1+ω2)t為通過本振與有用信號的差頻得到包含語音信息的中頻信號[7]。

2.3 同頻干擾產生的原理

假設某電臺的載波頻率為ω，另一部電臺的載波頻率為ω+△ω，雖然2 臺發射機標稱頻率相同，但電臺因頻率穩定度或多普勒效應等原因，載波頻率被接收時多少有所差異。設音頻信號為m(t)，2 個臺站的載波分別cosωCt、cos(ωC+Δω)t，則在接收機處接收到2 路信號的線性疊加為

經過和差化積公式變換后可得

2.4 同頻干擾的Octave 仿真

Octave 為GNU 項目下的開源軟件，Octave 語法與MATLAB 語法非常接近，可以很容易地將MATLAB 程序移植到Octave[8]。

在Octave 中設置信號為單頻率歸一化正弦信號，幅度為1，頻率為10 Hz，信號m(t)的表達式為

設載波頻率為200 Hz，誤差為2 Hz，即接收到的信號x1與x2的中心頻率分別為200 Hz、202 Hz。由于2 個臺站距離及設置原因，接收機接收到的信號幅度及調制度有所不同，經過設置后2 個信號為

上述2 個信號在接收機處線性疊加可得信號x，表達式為

3 同頻干擾的解決方案

目前，在區域管制的情況下，同時使用多個相同頻率的情況非常常見，因此需要盡量克服同頻異址的缺點。從上述的分析中可以看出，在甚高頻接收系統中，多個頻率由于線性疊加的原因產生的差頻是產生同頻異址干擾的關鍵。

實際使用中，音頻的能量主要集中在300 ～3 400 Hz。根據相關規范，接收機后級放大器的帶寬也接近于300 ～3 400 Hz。因此，將差頻信號提高到3 400 Hz 以上，便能有效消除同頻干擾[9]。在實際使用中，往往采用設置頻偏的方式抑制同頻干擾，頻偏設置應根據實際臺站信號覆蓋重數及電臺頻率穩定度等因素進行合理的設置[10]。

4 結 論

隨著空域環境與扇區結構愈發復雜，甚高頻電臺也隨之增多，在地空通信中同頻干擾也成了管制指揮的安全隱患。本文介紹了目前空中交通管制所使用的甚高頻地空通信系統，分析了甚高頻地空通信的基本原理，結合甚高頻系統結構深入分析了同頻異址干擾的因素，并利用Octave 軟件對同頻干擾現象進行了仿真。針對上述同頻干擾問題，本文從提出采取設置電臺頻偏的手段減少干擾問題。