基于Octave 的同频干扰仿真分析

李 菁

（中国民用航空华北地区空中交通管理局，北京 100621）

0 引 言

在民航通信中，同频异址的甚高频台对于增加通信距离、扩大信号覆盖范围扮演着极其重要的角色。在民航地空通信中，特别是在区域管制场景下，管制部门会将多个甚高频台站信号接入信号比选器，同时使用多个台站对飞机进行呼叫[1]。然而，这种方式也带来了无线电同频干扰的问题，给通话质量带来影响。本文将对民航无线电同频干扰的产生、现象及原因进行分析与仿真，并对同频干扰的解决方法进行描述，便于技术人员深刻直观地理解同频干扰。

1 民航甚高频地空通信

1.1 甚高频通信系统的概念

甚高频通信指的是将基带信号调制到甚高频的频段上进行通信，即将甚高频作为载波进行通信。在民航空管行业中，往往采用118 ～136.975 MHz 频段。为了防止干扰，在实际使用中，所用频率之间需要保持一定间隔，在民航中频率间隔有25 kHz 和8.33 kHz 两种。

1.2 民航甚高频通信原理

甚高频通信是通过频谱搬移的方式，将频率较低的信号搬移到频率较高的频段上去。在实际的语音通信中，就是将来自管制的话音信号（300 ～3 400 Hz）调制到甚高频频段（118 ～136.975 MHz）并发射。模拟调制方式有3 种，分别是调幅（Amplitude Modulation，AM）、调频和调相。相比于调频与调相，调幅信号更容易实现，且相关的电路比较简单。因此，民航地空通信往往采用调幅的模式。

基带信号m(t)与直流分量A0叠加，之后再乘以载波信号，输出的信号就是AM 信号[2]。AM 调制的相关模型如图1 所示。

图1 AM 信号调制器模型

通过上述模型计算可得，AM 信号的时域表达为

式中：sAM(t)为已调信号；A0为外加的直流分量；m(t)为均值为0 的语音信号；m'(t)为归一化的语音信号；M为调制度。将AM 信号进行傅里叶变换后可得频域信号为

从式（2）中可以看出，信号经过调制就是在频域上进行搬移，且AM 信号包含了载波分量。当m(t)为单频率正弦波且频率为ωH时，AM 信号的典型波形和频谱分别如图2（a）、图2（b）所示。

图2 AM 信号的时域和频谱

由图2 可知，基带信号m(t)的带宽为ωH。AM 信号的频谱由2部分组成，分别是载波分量以及边带分量，边带分量又分为上边带和下边带。上边带的频谱与基带信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。显然，无论是上边带还是下边带，都包含基带信号的信息。所以，AM信号是包含离散载波分量的双边带信号，其带宽是m(t)带宽的2 倍，即BAM=2Bm=2ωH[3]。

2 同频干扰分析

2.1 同频干扰的概念

无线电干扰是在无线通信中，一些电磁能量通过耦合方式（直接或间接）进入接收系统或信道，导致接收信号质量下降、误码甚至通信中断的现象[4]。在民航地空通信中，同频干扰、互调干扰、邻频干扰、带外干扰以及阻塞干扰多为常见[5]。

民航地空通信中，特别是区域管制地空通信中，由于空域面积较大或管制合扇指挥，业内往往采用同频率多个台站同时发射，这样会导致部分空域为多台站信号重叠。虽然这种方式能够提高覆盖面积，但当飞机飞经多重信号覆盖的区域时，飞机的接收机往往会受到啸叫干扰，这种干扰在民航通信中被称为同频干扰。

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2.2 超外差接收机原理

在民航地空通信中，接收机大多为超外差式接收机。射频信号进过滤波和放大后通过混频器变频到中频再进行解调。其构成如图3 所示。

图3 超外差式接收机原理

如图3所示，接收信号首先通过滤波器和放大器，再与本振信号进行混频，混频后生成中频信号，中频信号再进行放大[6]。放大后的中频信号进行检波后就是音频信号。

在超外差接收系统中，变频器是非线性器件，放大器也具有一定的非线性特性，设系统的伏安特性为

设输入的射频信号和本振信号为U1msinω1t、U2msinω2t。当2 个射频信号进入非线性器件后，将U1msinω1t+U2msinω2t代入上述伏安特性公式并经过变换可以得到

式中：cU1mU2mcos(ω1+ω2)t为通过本振与有用信号的差频得到包含语音信息的中频信号[7]。

2.3 同频干扰产生的原理

假设某电台的载波频率为ω，另一部电台的载波频率为ω+△ω，虽然2 台发射机标称频率相同，但电台因频率稳定度或多普勒效应等原因，载波频率被接收时多少有所差异。设音频信号为m(t)，2 个台站的载波分别cosωCt、cos(ωC+Δω)t，则在接收机处接收到2 路信号的线性叠加为

经过和差化积公式变换后可得

2.4 同频干扰的Octave 仿真

Octave 为GNU 项目下的开源软件，Octave 语法与MATLAB 语法非常接近，可以很容易地将MATLAB 程序移植到Octave[8]。

在Octave 中设置信号为单频率归一化正弦信号，幅度为1，频率为10 Hz，信号m(t)的表达式为

设载波频率为200 Hz，误差为2 Hz，即接收到的信号x1与x2的中心频率分别为200 Hz、202 Hz。由于2 个台站距离及设置原因，接收机接收到的信号幅度及调制度有所不同，经过设置后2 个信号为

上述2 个信号在接收机处线性叠加可得信号x，表达式为

3 同频干扰的解决方案

目前，在区域管制的情况下，同时使用多个相同频率的情况非常常见，因此需要尽量克服同频异址的缺点。从上述的分析中可以看出，在甚高频接收系统中，多个频率由于线性叠加的原因产生的差频是产生同频异址干扰的关键。

实际使用中，音频的能量主要集中在300 ～3 400 Hz。根据相关规范，接收机后级放大器的带宽也接近于300 ～3 400 Hz。因此，将差频信号提高到3 400 Hz 以上，便能有效消除同频干扰[9]。在实际使用中，往往采用设置频偏的方式抑制同频干扰，频偏设置应根据实际台站信号覆盖重数及电台频率稳定度等因素进行合理的设置[10]。

4 结 论

随着空域环境与扇区结构愈发复杂，甚高频电台也随之增多，在地空通信中同频干扰也成了管制指挥的安全隐患。本文介绍了目前空中交通管制所使用的甚高频地空通信系统，分析了甚高频地空通信的基本原理，结合甚高频系统结构深入分析了同频异址干扰的因素，并利用Octave 软件对同频干扰现象进行了仿真。针对上述同频干扰问题，本文从提出采取设置电台频偏的手段减少干扰问题。