INDRA DVOR VRB-53D调相原理探讨

赵宇伟

摘要：近几年民航各地方空管局陆续更新安装全新的INDRA DVOR VRB-53D型全向信标系统。针对此套新的全向信标系统，通过理论分析阐述了载波和边带信号的相位控制调整以及误差来源，为民航安徽省空中交通管理分局启动了新一代DVOR/DME平台的搭建工作打下基础。

关键词：全向信标;相位调整;偏移;误差来源

中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.16.086

0引言

全向信标定相涉及到载波信号相位与边带信号相位之间的正确关系。在VRB-53D中，两个边带之间的相位始终是正确的。这是因为两个边带信号都使用DDS（数字直接合成技术），并且来自同一个信号源。从DVOR天线环上相对于中央天线对称的两个天线辐射到空间的边带信号也已经均衡。下面，将会详细阐述全向信标定相的理论基础。

1全向信标定相理论

在DVOR中，RF定相的目的是确保载波和两个边带信号在空间合成后，形成一个适当的调幅信号。在这个里调制信号是9960Hz副载波。如果这三个信号之间的相位关系不正确，则产生的调幅信号将严重失真或幅值偏低。

在DVOR中，天线环上任意点处边带和载波的“同相”条件被定义为产生最大副载波（9960Hz）振幅的相位。这在图1（1）的矢量图中表示。

在这个图中，上边带（USB）和下边带（LSB）在载波方向上的相位差是相等的。“同相”信号的必要条件是，在任意时刻，两个边带与载波之间的夹角相等，但方向相反（或两者都为零）。这个角度φ如图1（1）所示。

如果两个边带相对于载波的相位在相反的方向上移动相等的量则不影响空间合成效果。只要两个边带信号相对于载波之间的相位是相等的，那么依然满足“同相”条件。以这种方式移相的效果是在载波上引起合成AM的移相。

上面的描述用代数的方式描述如下：

如果：

载波=cosωct

那么：

上边带（USB）=KUcos（（ωc+ωm）t+U）

下边带（USB）=KLcos（（ωc+ωm）t+L）

其中：

KU，KL是边带信号的幅度;

ωC是载波的角频率;

ωm是调制信号的角频率;

U是上边带相位（相对于载波信号）;

L是下边带相位（相对于载波信号）。

三个信号之和的包络将是：

E=1+Kcos（ωmt+r）

条件是KU=KL，且K=KU+KL，U+L2=0

例如：U=-L=r

當两个边带相对于载波的相相位差不相等时，就会出现相位失调的情况。如图1（2）中矢量图所示。这里USB落后载波1并且LSB领先载波2。两个边带的合成矢量R与载波不在同一相位上。以下两种方法都可以实现“同相”条件：

（1）改变载波相位和边带合成矢量R一致。

（2）改变一个边带的相位，使合成矢量R与载波一致。

2相位调整的基础

用于调整DVOR中的边带相位的方法基于以下原理：当载波与上、下边带合成矢量相差90°时，副载波调制为零。对组合信号的数学分析表明，调幅的包络在基本调制频率（ωm）下不包含任何分量，当U+L2=±90°时，如图1（3）所示。

调整这个零点比尝试调整最大副载波幅度要“更加锐利”。

改变载波相位90°相当于改变一个边带的相位180°。固定相移可以应用于LSB（理论上180°，但通常更小。），然后将USB调整为0。然后，固定相移（或预设值）被移除，以使信标正确定向。此相位预设是通过对LSB应用相位延迟来产生的。LSB的预设值可以通过下式给出：

预设值=2×（90°-偏移）

其中“偏移”为载波相位从“共线”相位设置中偏移的量（偏移的典型值是8°，预设值就等于164°）。

3误差来源

本文前面描述的理想条件仅适用于天线环上的一个点。当边带围绕天线环切换时，会发生相位变化。这样就产生了两个相位误差源：天线阵效应和近场效应。

3.1天线阵效应

天线阵效应（就是天线互耦）导致接收机从“切向”天线接收的信号延迟从“共线”天线接收的信号（关于接收点位置，见图2）。这意味着，当边带从“共线”天线辐射时，如果载波和边带合成矢量是同相的，那么当“切线”天线发生辐射时，载波将超前边带合成矢量。对于一个标准的DVOR台站，这个误差通常是16°。通过将相位调整到这两个点之间的中间位置，使误差减小到±8°，可以将这种影响降至最低。在VRB-53D中，由于信号补偿，天线耦合度大大降低，相位差滞后最小化。

3.2近场效应

近场效应仅发生在当接收机位于“近场”的区域。这是由于从接收机到载波天线的距离小于从接收机到“切线”天线的距离。这个距离D，如图2所示。对于远场接收机（大于1500米），这个误差可以忽略不计。

当从切线天线辐射时，这种效应导致边带滞后于载波。距离载波天线80米处的监视器天线接收到的信号会出现边带滞后载波大约40°。理想情况下，信标的边带相位应使用远场接收器进行调整。然而，由于近场效应只会使“切线”天线失去“同相”，因此使用正常监视天线（80米处）并观察“共线”天线的信号进行相位调整，可以获得令人满意的结果。

4近场监控天线效应

近场监视天线接收到的副载波信号比远场监视天线接收到的副载波信号具有更多的60Hz寄生调幅。这是因为当从“切线”天线辐射时，由于近场效应，边带的相位滞后。这种相位误差会导致副载波幅度降低（在“切线”点），从而导致副载波上的AM增加。当副载波调幅深度在远场（大于1500米）中小于40%时，那么从80米处的监视器天线上观察，调幅深度将小于55%。

5结束语

DVOR VRB-53D作为新一代的全向信标系统，与以往的Thales DVOR432的主要不同在于相位控制等主要功能集中在DDS（直接数字式频率合成器）芯片中完成。直接数字合成以及调制相比于以前的模拟合成调制方式抗干扰性能得到加强，具有更强的稳定性，给设备维护工作带来了便利。通过对载波和边带信号的相位控制调整以及误差来源的理论分析，为今后设备的技术保障工作打下了基础。

参考文献

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

[2]倪育德，卢丹.导航原理与系统[M].北京：清华大学出版社，2015.