SU4200甚高频发射机参考频率分析与校准

刘峰

摘 要：SU4200发射机广泛应用于民航VHF地空通信領域，提供高可靠的管制员与飞行员之间的话音服务，起着非常重要的作用。发射频率是VHF设备的重要参数之一，所有的话音通信都是建立在发射频率之上。发射频率的质量取决于参考频率的精度与准确度。参考频率是甚高频发射机中的核心关键之一，直接关系到射频信号的质量。本文针对SU4200甚高频发射机的参考频率进行深度剖析，包括产生参考频率所采用的元器件、性能参数、相关标准、以及如何进行校准等等。

关键词：SU4200;甚高频发射机;参考频率;校准

1 相关民航组织对甚高频发射机（地面系统）频率的要求

1.1 国际民航组织标准（ICAO）

在ICAO 附件10 中，对频率稳定度做了相关规定，工作频率和指派频率的偏差不能大于±0.005%，即50 ppm。当使用ICAO附件10第五卷（Aeronautical Radio Frequency Spectrum Utilization）中所述的25 kHz的信道间隔时，工作频率和指派频率的偏差不能大于±0.002%，即20 ppm。当使用第五卷中所述的8.33 kHz的信道间隔时，工作频率和指派频率之间的偏差不能大于±0.000 1%，即1 ppm。

1.2 中国民航标准（MH/T 4001）

在中国民用航空局发布的《甚高频地空通信地面系统：第一部分：话音通信系统技术规范》（MH/T 4001.1 - 2016）中，对发射机的频率误差作了相关规定，如表1所示。其中，对于涉及到的2或3频偏、4频偏、5频偏则采用ICAO附件10规定的标准。

2 SU4200甚高频发射机频率合成

2.1 频率合成原理

频率合成是指由一个或多个频率稳定度和精确度很高的参考信号源通过频率域的线性运算，产生具有同样稳定度和精确度的大量离散频率的过程。频率合成的方法可以归纳为直接合成法与间接合成法（锁相环路法）两大类，其中间接合成法又可分为脉冲控制锁相法、模拟锁相环路法和数字锁相环路法。这里主要介绍SU4200甚高频所采用的数字锁相环路法，其原理如图1所示。合成的频率由压控振荡器产生。当压控振荡器的频率由于某种原因发生变化时，必然相应地产生相位变化，这相位变化通过负反馈给鉴相器，在鉴相器中对反馈的信号与参考晶体振荡器的稳定相位进行比较，形成一个与相位误差成比例的误差电压，经过低通滤波器去除高频，取出其中的低频电压控制信号，用来控制压控振荡器中的压控元件，从而将压控振荡器的输出频率拉回到期望值上来。由于参考晶振的频率是固定值，而频率合成器所需输出的频率是可变的，为了使二者频率在鉴相器处相等，以便比较它们的相位，需要对 VCO 产生的反馈频率在送到鉴相器之前进行分频，而且分频比可以通过控制器进行控制。另外，由于分频比通常很大，因此分频电路分为固定分频和可变分频两部分。由于鉴相器往往是工作于较低的频率，因此参考晶振频率在送至鉴相器之前也需要进行分频。

2.2 参考信号源（晶振）

从频率合成原理可知，合成的频率的稳定度和精确度取决于参考信号源。SU4200发射机的参考信号源为一个10 MHz的晶振，位于设备内部A6 Black plane板上，如图2所示。晶振的厂家是德国KVG公司，频率为10 MHz，工作电压为12 V。

依据设备等级共有两种类型的晶振，即TCXO和OCXO。TCXO晶振的频率稳定度为±0.2 ppm，用于25 kHz频率间隔标准;OCXO晶振的频率稳定度为±0.02 ppm，用于25 kHz和8.33 kHz两种间隔标准。

2.2.1 TCXO

TCXO是Temperature Compensate Xtal（Crystal） Oscillator的简写，中文名是温补晶振，其结构框图如图3所示。TCXO采用热敏补偿网络形成一个反向的补偿电压，以抵消晶体本身受温度影响而产生的漂移，以达到在宽温温度范围内满足稳定度要求的晶体振荡器。补偿后频率稳定度在

10-6～10-7量级，由于其良好的开机特性、优越的性能价格比及功耗低、体积小、环境适应性较强等多方面优点，因而获得了广泛应用。

2.2.2 OCXO

OCXO是Oven Controlled Crystal Oscillator的简写，中文名是恒温晶体振荡器。OCXO利用恒温槽使晶体振荡器中石英晶体谐振器的温度保持恒定，将由周围温度变化引起的振荡器输出频率变化量削减到最小的晶体振荡器。OCXO是由恒温槽控制电路和振荡器电路构成。如图4所示，加热器在恒温箱控制的控制下，把恒温箱的温度控制在一个稳定的值，使得位于恒温箱中的晶体保持一个较高的稳定状态，从而使震荡电路产生频率具备较高的频率稳定度。

3 SU4200发射机参考频率校准

3.1 校准的要求

在SU4200厂家提供的用户手册中，把参考频率的校准列入了定期维护内容。理由是晶体振荡器存在自然老化的现象，频率会随着时间发生改变。建议在第一年运行后检查频率偏移，并在必要时重新调整。同时，厂家也建议在之后的参考频率校准周期以 3 年为间隔，进行定期维护，以确保指定的频率精度。

3.2 校准的方法

SU4200参考频率的校准需要借助频率测量的仪表，校准模型如图5所示。把SU4200发射机的射频口X3通过50欧姆同轴射频电缆连接到一个30 dB的衰减器，然后再通过射频电缆把经过30 dB衰减后的射频信号送给测量仪表。测量频率的仪表可以为频谱仪、频率计、VHF综测仪（CMA180、CM54、nrf2945等），但是要求仪表自身的精度要比SU4200高。

3.3 校准的步骤

3.3.1 TCXO的频率校准

本文频率校准的仪表选用R&S厂家的综测仪CM54。校准的过程要做好射频防护措施，既要保护设备、仪表等以免受到损坏，也要确保不往外辐射信号干扰到管制业务。具体步骤如下：

（1）待测件SU4200开机热机至少1分钟，等待TCXO进入稳定状态。

（2）测量仪表开机，按照要求进行热机，等待仪表进入稳定状态。设置相应的接口、功能等。CM54选择TX-TEST功能，RF频率选择COUNT计数功能。

（3）按照图5所示通过USB数据线把安装好R&S ZS 4200软件的计算机连接至等待频率校准的SU4200发射机。在ZS 4200软件上选择USB连接方式，让ZS 4200软件连上SU4200。ZS 4200依次进入Configuration -> Adjustment -> TCXO Adjustment。其中，TCXO調整值的范围为0～255。

（4）通过ZS 4200软件设置SU4200发射机的测试频率为120 MHz。

（5）通过ZS 4200软件设置SU4200发射机的Low功率模式的数值为5 W，并选择Low功率模式。

（6）通过ZS 4200软件设置SU4200发射机的工作模式为AM调幅模式。

（7）通过射频馈线把SU4200的发射射频端口X3的射频信号经过衰减后连接到测量仪表。

（注意：因为CM54支持大功率输入，所以也可以不用接衰减器。对于不支持大功率的仪表，一定要加上相应的衰减器，以免过高的功率烧坏仪表。）

（8）操作SU4200发射机面板菜单，进入到发射机测试目录，选择Test PTT功能，按下Enter发射一个未经调制的载波信号。

（9）在测量仪表中读取频率值，如图6所示。

（10）在ZS 4200软件中调整TCXO的值，使得仪表测量出来的数值尽可能的接近设定的频率（从前面章节的分析可知SU4200的TCXO晶振频率稳定度为±0.2 ppm，120 MHz对应的0.2 ppm为±24 Hz）。对于采用TCXO晶振的SU4200发射机，ZS 4200 TCXO Adjustment调整1位，晶振的频率大概变化11 Hz。在调整参数时要慢慢调整，不宜大跨度调整，过高的频率变化会引起发射机频率失锁，产生代码位0315的Tx INT ERF UNLOCK告警。

（11）调整完毕后，收拾规整好相应的仪表、设备、附属接线等。做好相应的记录。

3.3.2 OCXO的频率校准

OCXO的频率校准和TCXO的校准基本类似。不同的地方在于SU4200发射机所使用的OCXO的频率精度不一样，以及OCXO的开机后到热稳定的时间不一样，OCXO的热机时间要更长。校准步骤如下：

（1）待测件SU4200开机热机至少10分钟，等待OCXO进入稳定状态。

（2）-（9）与TCXO的校准步骤一致。

（10）在ZS 4200软件中调整TCXO的值，使得仪表测量出来的数值尽可能的接近设定的频率（从前面章节的分析可知SU4200的OCXO晶振频率稳定度为±0.02 ppm，120 MHz对应的0.02 ppm为±2.4 Hz）。对于采用OCXO晶振的SU4200发射机，ZS 4200 TCXO Adjustment调整1位，晶振的频率大概变化1.5 Hz。在调整参数时要慢慢调整，不宜大跨度调整，过高的频率变化会引起发射机频率失锁，产生代码位0108的OCXO OVEN WARNING告警。

（11）与TCXO的校准步骤一致。

4 结论和建议

发射频率是VHF地空通信中的载体，所有的话音通信都是建立在发射频率之上，而参考频率是决定发射频率质量的重要参数。本文从行业规范、发射频率产生原理、参考频率特征、电子元器件类别等方面对SU4200发射机参考频率进行了深度分析，并给出了SU4200发射机参考频率校准的方法与步骤。参考频率来源于晶振，但是，由于晶振自身结构存在自然老化现象，随着时间的变化会存在频率的改变，像在民航VHF地空通信等领域对频率有着高要求的应用场景，就需要定期对晶振的频率进行校准，以保障晶振输出频率的准确性。SU4200发射机在首次使用一年后需要对频率的偏差进行检查，之后，每隔3年都需要重新对参考频率进行校准，确保设备工作频率的准确性。

参考文献：

[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甚高频地空通信地面系统[S].中国民用航空局，2016.