国外L频段航空电子设备电磁兼容设计分析及启示

摘 要:介绍了国外工作于960～1 215 MHz L频段航空电子设备的信号特点,对可能存在的诸多电磁兼容问题进行了分析,综合采取了频分多址、时分多址、码分多址、扩频及频带滤波等电磁兼容技术,降低了设备的电磁干扰,提高了设备的抗干扰能力,从国外设备的长期使用来看,这些技术非常成功有效。简要介绍了我国现阶段L频段设备情况,给出了四点启示,以供广大读者参考。

关键词:L频段;航空电子设备;电磁兼容设计;电磁干扰

中图分类号:TN973;TN966 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)03-023-06

Analysis and Enlightenment of Electromagnetic Compatibility

Design in the Foreign L Frequency Band Avionics

HE Jin

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu,610036,China)

Abstract:Signal characteristics in the 960～1 215 MHz L frequency band foreign avionics are introduced,the possible electromagnetic compatibility problems are analysed,technologies of FDMA,TDMA,CDMA,spread spectrum,frequency band filters and so on are adopted,electromagnetic jam between equipments and systems is reduced,anti-jamming capability is improved,these ways are successful and effective by long period use of foreign equipments. And the present situation in national L frequency band equipments is introduced,four enlightenments are given for readers.

Keywords:L frequency band;avionics;EMC design;electromagnetic jamming

0 引 言

在国际电信联盟对无线电频率的划分中,L频段通常为1~2 GHz。其中,960~1 215 MHz频段,在世界范围内保留给航空无线电导航业务中机载空中导航电子辅助设备,以及任何直接相关的陆基设施的使用和发展。由于L频段的外部噪声低,各种射频器件及配套电路技术成熟,在军民系统中得到了广泛的应用。其中,分布在960~1 215 MHz频段的设备数量众多,民用的有二次航管设备(ATC)、空中交通防撞系统(ACAS)、测距设备(DME)、军用的有敌我识别系统(IFF)、空中战术导航系统即塔康(TACAN)、联合战术信息分发系统(JTIDS)数据链等。如何在机载平台有限的空间和复杂的电磁环境中实现上述功能设备的正常使用,一直是笔者思索的问题。

本文主要对国外L频段960~1 215 MHz航空电子设备的电磁兼容设计进行研究分析,针对可能出现的电磁兼容问题,采取的措施和方法,简要介绍我国现阶段设备情况,以及给我们的启示。

1 机载L频段电子设备种类及信号特点

1.1 航管应答机

航管应答机[1]的主要功能是帮助识别单独的飞机,有助于飞机安全通过受管制的空域。工作原理是采用“一问一答”的工作方式,实现设备之间信息的交互。具体为地面一次雷达把探测到的目标方位、距离、工作模式等信息送给二次监视雷达询问机,地面询问机将发射一连串的询问脉冲给机载航管应答机,应答机根据询问模式和自身状态,用一连串含有与飞机相关的信息送给地面询问机。询问设备发射频率为1 030 MHz,应答设备发射频率为1 090 MHz,常用模式有A(飞机编号),C(飞机高度)模式。近年来,增加了S模式。A,C模式采用了脉冲调幅方式(PAM),S模式采用调幅和二进制差动相移键控(DPSK)组合调制方式。

1.2 空中交通防撞系统

空中交通防撞系统[2]为飞机提供了一种监控与碰撞预防系统,以帮助飞机避免碰撞事故。其工作原理是将监视设备与二次监视雷达询问机安装在飞机上,利用对方飞机的航管应答机,确定对方飞机的编号、航向和高度,并显示相互之间的距离间隔;同时,利用定向询问天线,测量与对方飞机的相对方位,从而使飞行员知道在一定范围内飞行的航空器之间的相互间隔,并及时采取措施,避免碰撞。监视范围一般为前方30海里,上、下方3 000 m,侧面和后方的监视距离较小。简而言之,即是民用二次监视雷达询问机和应答机在防撞系统中的具体应用。

1.3 敌我识别系统

敌我识别系统与民航二次雷达航管系统工作频段和工作原理相一致,目前北约各国列装的敌我识别系统是MK Ⅻ[3]。MK ⅫA[4]已完成研发,正在部分平台加装。该系统由询问设备和应答设备组成,询问采用窄波束定向天线,应答采用全向波束天线。MK Ⅹ除了兼容民航的A,C模式外,其1,2,3军用模式与A,C模式也类似。MK Ⅻ在MK Ⅹ基础上增加了军用加密模式4,而MK ⅫA在MK Ⅻ基础上增加了军用模式5,在新的IFF系统中,也增加了民用S模式。模式4采用了更为复杂的信号格式与加密功能。模式5除了提供加密能力之外,还采用了MSK调制的直接序列扩频和高数据率两种波形。其余模式与民用航管系统相类似。

1.4 测距设备

测距设备[5]是通过机载询问设备对地面应答设备(信标)的“一问一答”的工作模式,测量一个地面站到飞机的距离,在民航中应用非常广泛。采用双脉冲法测距,工作在962~1 213 MHz频段,共252个频道,频道间隔为1 MHz。测距设备包含普通测距设备(DME/N)和精密测距设备(DME/P)。DME/P与DME/N相兼容,有初始进近(IA)模式和最终进近(FA)模式,其中IA模式与DME/N工作方式相似。DME/N使用的脉冲为一对钟形脉冲,常为高斯脉冲,可用高斯(cos2/cos2)包络近似表示,带宽常取800 kHz。对于DME/P系统IA模式与DME/N相同,而FA模式,为了提高测距精度,采用的脉冲波形近似为cos/cos2包络的形状,其前后沿为非对称形,前沿较IA模式陡峭了许多,带宽常取3.5 MHz。

1.5 塔康

塔康[6,7]是一种军用全向测距系统,它采用和测距设备DME/N类似的测距技术。测角信息通过对信标的幅度调制信息获得,信标用15 Hz和135 Hz信号调制,数据与15 Hz和135 Hz的参考脉冲同时传输。机载设备用测距设备的应答技术测距,接收数据调制信息测角。塔康设备的工作频率为962~1 213 MHz,信标设备的体积较小,适合于船载和机动战术系统使用。机动台地面设备发射峰值功率大于500 W,固定台大于3 000 W,接收灵敏度优于-92 dBm。机载设备峰值功率大于500 W,接收灵敏度优于-90 dBm,信号带宽为800 kHz。

1.6 联合战术信息分发系统

JTIDS系统[6]是一个综合通信、导航、识别的系统,是一个大容量、高速率、抗干扰、保密的数据分发系统,为各个作战平台提供信息数据共享服务。其工作频段为969~1 206 MHz,采用跳频跳时直接序列扩频技术,跳频速率每秒7万多跳,单个频点驻留时间为13 μm,信号驻留时间为6.4 μm,总共有51个间隔为3 MHz的信道,扩频码速为5 MHz,MSK调制,发射功率大于200 W,收发均采用全向天线。

2 电磁兼容设计技术分析

由于各个设备同处一个频段,部分设备的工作频点重合,各个设备的有效发射信号及杂谐波信号非常容易进入其他设备的接收信道,加上本身设备接收的所需信号,这些信号会发生交叉调制、相互调制、强信号抑制弱信号的接收等。通常情况下会降低设备的灵敏度,增加误码率,设备性能下降;严重情况下,设备的接收信道堵塞,设备功能完全偿失,甚至烧毁接收机前端。其中,测距设备、塔康设备、航管应答机、防撞系统、敌我识别AC模式,采用幅度调制,编码简单,本身抗干扰能力弱,受无用信号影响甚大;而JTIDS,IFF模式4、模式5采用的技术较为先进,如抗干扰能力强的扩频、跳频、MSK调制、RS编解码等技术,大大提高了设备的生存适应能力。

工程应用中,常采用的电磁兼容技术为多址技术,比较典型的有频分多址、时分多址、码分多址、混合多址以及空间隔离、滤波等技术。通过对这些设备之间电磁兼容设计的深入研究分析,结合当前的技术设计水平,对这些设备中具体采用的技术措施和解决的电磁兼容问题进行了讨论。

2.1 频分复用技术

频分复用技术是无线电通信设备最常使用、最为有效的电磁兼容设计技术,下面对工作于960~1 215 MHz频段内设备按量产先后顺序对工作频率分配进行分析。

二次航管,ACAS,IFF工作频率为固定频点,设备内部收发频率相差60 MHz,其工作频率如表1所示。

表1 二次航管,ACAS,IFF工作频率

询问发射频率 /MHz应答发射频率 /MHz

1 0301 090

塔康系统有X,Y两种工作模式。X工作模式,从1X波道到126X波道,机载设备的发射频率为1 025~1 150 MHz,连续占用126个波道频率;地面信标发射频率分成两段,1X~63X低波道的发射频率为962~1 024 MHz,64X~126X高波道的发射频率为1 151~1 213 MHz。Y模式机载设备从1Y~126Y波道发射频率为1 025~1 150 MHz,与X模式完全相同;信标从1Y~63Y波道的发射频率为1 088~1 150 MHz,64Y~126Y波道的发射频率为1 025~1 087 MHz,恰好是机载设备高、低波段发射频率的对换。X,Y模式波道间隔都为1 MHz,设备内部收发频率相差63 MHz。塔康波道、模式、频率之间的关系如表2所示。

表2 塔康波道、模式、频率之间的关系

波道模式机载发射频率 /MHz信标发射频率 /MHz

1X~63X1 025~1 087962~1 024

64X~126X1 088~1 1501 151~1 213

1Y~63Y1 025~1 0871 088~1 150

64Y~126Y1 088~1 1501 025~1 087

DME设备与塔康工作频段一致,但其波道分配严格按照《国际民用航空公约附件10》中规定。在DME/N的126个波道中,第1~16波道、57~79波道不用,有X,Y两种模式。DME/N波道、模式、频率之间的关系如表3所示。

表3 DME/N波道、模式、频率之间的关系

波道模式机载发射频率 /MHz信标发射频率 /MHz

17X~56X1 041~1 080978~1 017

17Y~56Y1 041~1 0801 104~1 143

80X~126X1 104~1 1501 167~1 213

80Y~126Y1 104~1 1501 041~1 087

而在DME/P的126个波道中,第1~16波道、57~79波道以及120~126波道不用,第17~56波道有X,W,Y,Z四种模式。Y和Z模式的频率相同,X和W模式的频率相同,但X和W模式只有偶数波道有效。Y和Z模式地面应答频率比机上询问频率高63 MHz,而X和W模式地面应答频率比机上询问频率低63 MHz。第80~119波道只有Y,Z二种模式,地面应答频率比机上询问频率低63 MHz。DME/P波道、模式、频率之间的关系如表4所示。

表4 DME/P波道、模式、频率之间的关系

波道模式机载发射频率 /MHz信标发射频率 /MHz备注

17Y(Z)~56Y(Z)1 041~1 0801 104~1 143

80Y(Z)~119Y(Z)1 104~1 1431 041~1 080

17X(W)~56X(W) 1 041~1 080978~1 017波道取偶数

JTIDS系统在设计时,为了避免与IFF/ATC系统频率(1 030 MHz,1 090 MHz)产生干扰,JTIDS不在这些频率的±20 MHz范围内工作。设频率编号为n,则工作频点如表5所示。

表5 JTIDS工作频率

频率编号(n)工作频率 /MHz

0~13969+3×n

14~181 053+3×(n-14)

19~501 113+3×(n-19)

敌我识别系统从20世纪40年代二次世界大战发展起来,现已广泛装备部队,成为判别目标敌我属性的主要装备,民用航管系统仅是敌我识别系统中A,C模式解密后的具体应用。塔康是美国1955年研制并大量装备部队投入使用,DME是在军用塔康基础上发展起来的民用测距系统。JTIDS是美国从20世纪70年代开始研制,到现在大量装备并投入使用。从各个设备的研发生产装备过程来看,后来研发的DME和JTIDS设备在系统设计时为了减小对敌我识别/航管系统的影响,避开IFF系统工作带宽内的频点,并预留了一定的保护频带,为采用别的电磁兼容技术预留了一定的空间。塔康系统在实际使用时,也可参照DME对波段的划分,对IFF系统影响的频点限制使用。

同频干扰在技术上很难根本性解决和消除,也是军事应用中电磁干扰设备最常用的技术,非常容易造成对被干扰设备的接收机输入信噪比降低、信号饱和、阻塞,甚至烧毁接收机。采用频分复用设计,可使塔康、DME、JTIDS与IFF/ATC设备之间同时使用,基本上解决了同频干扰问题。

2.2 杂谐波带外抑制

960~1 215 MHz频段设备多为无线电导航用,无论对军对民都非常重要。塔康、DME其带宽为800 kHz或3.5 MHz;IFF,JTIDS带宽为6~8 MHz。为了抑制设备间的边带干扰,降低无用信号的交叉和相互调制幅度,仅仅采用频分复用措施还是不够的,系统设计时,还需对发射频谱进行优化设计,常采用的技术有基带成形滤波、射频滤波等。

2.2.1 基带成形技术

JTIDS和IFF系统模式5采用直接序列扩频系统,采用MSK调制方式,码速为5 MHz。下面对5 MHz码速MSK调制方式基带成形前后的频谱进行分析。

图1为5 MHz码速的MSK调制仿真图。从图1中可以看出,偏离中心频率20 MHz,MSK信号的带外抑制为45 dB左右。基带加窗成形滤波,仿真结果如图2所示,20 MHz以外带外抑制已达90 dB,10 MHz以外带外抑制已达70 dB以上。可见,基带成形技术能有效降低带外干扰电平。

图1 MSK信号频谱仿真图(5 Mb/s)

图2 MSK加信号窗后的频谱仿真图(5 Mb/s)

当然,对DME、塔康、二次航管雷达等调幅信号采用基带成形技术,也可降低其带外干扰。随着数字和软件技术的飞速发展,除了对调制信号采用基带成形滤波技术外,也常采用中频数字调制,如常用的中频70 MHz。由于中频较低,且是固定频率,一方面,采用数字调制技术,可提高调制频谱的纯度,减少带外干扰电平;另一方面,也可采用市场上滤波效果良好的标准中频滤波器,对中频信号滤波后,可进一步提升带外抑制指标,提高频谱的利用率,增加与邻道的保护带宽。

2.2.2 射频滤波

虽然发射频谱采用基带成形滤波后,带外抑制指标可大大提高,但若采用非线性功放,必然造成旁瓣的再生,放大带外干扰信号,带外抑制性能下降,因此还需对功放输出的射频信号进行滤波。

上个世纪L波段设备,受制于集成电路单管输出功率、散热、制造设计等诸多原因,为提高功放输出效率,常采用饱和功放的非线性固态发射机,调制信号经功放放大后,其带外抑制指标有所恶化,恶化程度与功放的饱和深度有关,饱和越深,恶化越厉害,带外抑制指标越差。随着集成电路和制造技术的飞速发展,现已有很成熟的大功率单管线性功率器件,若在固态发射机中采用线性功放,则其带外抑制指标恶化很少,主要由其输入信号带外抑制而定。故在基带成形滤波、线性功放的基础上,再对发射输出滤波,可进一步提高带外抑制指标,特别是谐波抑制指标。

根据理论计算和工程经验,一般带外抑制达到60 dB以上,设备间的干扰就会减少,满足设备使用。由上分析可知,各个设备采用基带成形和射频滤波技术后, JTIDS的频谱在15 MHz以外,DME在10 MHz以外均可实现此指标,而DME,JTIDS与IFF,ATC之间实际留下足够的保护间隔,故可保证两类设备间的正常工作。除此之外,还可采用调制频谱利用率高,带外抑制指标高的新型调制方式。如在扩频通信中,常采用BPSK调制,BPSK调制带外抑制指标较差,频谱利用率不高;而JTIDS和IFF模式5就采用了带外衰减更快和频谱利用率更高的MSK调制方式。

2.3 码分多址及扩频技术

以上两节主要是对DME、塔康、JTIDS与IFF/ATC两类设备的电磁兼容设计分析,解决了两类设备同时工作可能存在的电磁兼容问题。DME、塔康、JTIDS三种设备工作在相同频段,工作频点也有交差重合,然而这三种设备怎样正常工作呢?

JTIDS采用扩频、跳频、检错纠错的伪随机脉冲编码技术[8-10],具有很强的抗有源干扰和防窃性能,发射信号频谱展宽,某一频率的发射时间只有6.4 μs,由于塔康、DME设备采用多次“询问、应答”的工作方式完成测距,故对其性能影响甚微。另一方面,塔康、DME系统的发射信号为窄带频谱,且是脉冲式,发射占空比也不大,常常固定到一频率工作,JTIDS系统是高速跳频,采用宽带和相关接收后干扰影响较小,而且在频谱展宽和采用纠检错措施后,有干扰也被减弱或消除,所需信息易恢复。故JTIDS系统在设计时,采用多种技术手段和措施,充分考虑了对塔康和DME系统的兼容。

JTIDS和IFF模式5都采用直接序列码扩频技术,作为两种不同功能设备,由于采用各自的加密算法和加密数据,故其产生的扩频码都不相同,利用扩频码的自相关特性,可以使用不同的扩频码来区分两种设备。通过码分多址技术,可以分离这两种设备,实现两种设备的同时使用。

2.4 时分复用技术

当同平台的多个系统(设备)工作在同一频段时,还可采取闭锁方式来实现兼容工作。即一个系统发射时,输出闭锁信号给其他系统,禁止其他系统的工作;当发射完成后,输出解锁信号,恢复其他系统的工作。由此可知,多系统是分时工作的,因此可看成一种时分多址技术,这是一种简单有效的电磁兼容设计方式。该方式的优点在于在时域上将各系统分开,不存在相互干扰问题;其缺点也是很明显的,会影响其他系统的正常使用,特别是一些发射占空比较大,持续时间长的系统对实时性要求很高的设备影响很大,如JTIDS设备发射时对敌我识别设备的影响,并且用户往往要求一些设备同时工作。故时分复用方式只能作为电磁兼容设计的补充技术,可作为主动发射,实时要求不高,发射时间持续较短的设备间使用,而不能作为实时性要求高的设备电磁兼容设计手段。

L频段设备按使用环境可分为民用和军用两部分,可在民用管制区域,启用民用设备,如ATC、DME;在军用管制区域,启用军用设备,如IFF,JTIDS。这是时分复用的一种方式。当然,也可根据飞行过程中的不同阶段和任务要求,启用相对应设备。如民航飞机在起飞、巡航、进近阶段启用ATC设备,在下降、进近、着陆阶段启用DME设备;军航在巡航阶段启用塔康、JTIDS设备,在战斗阶段启用IFF设备。2.5 其他技术

采用空分多址技术,即对各个设备天线合理布局,增加设备间的空间隔离,可以有效降低干扰电平,减少两者之间的相互影响。工程实践中,JTIDS和DME共用一副天线,布局在飞机机头,而IFF和ATC共用另一副天线,布局在飞机机尾。

设备一方面要降低对外的干扰电平,减少带外辐射,同时也要提高设备自身的抗干扰能力。各个设备发射功率大约都在几百瓦以上,若各个平台或同一平台设备间距离很近,发射信号到达相关设备的天线输入口信号幅度很大,若接收机不采取一定的措施,其前端的低噪放易饱和、阻塞、甚至损环,常在接收机输入口增加抗大功率烧毁的限幅器和预选器,提高低噪放的饱和电平和解码信噪比,降低设备的解码灵敏度,增强抗烧毁能力和抗干扰能力。

总之,国外L频段航空电子设备电磁兼容设计不是简单地采用某一技术,而是结合平台、系统具体应用,多种技术相结合,系统整体地解决电磁兼容问题。从国外长达五十多年的应用情况来看,其采用的措施非常有效,得到了广大用户的认同。随着电子技术的飞速发展,基带数字滤波、大功率线性功放、跳扩频技术、信道编解码、数字信号处理算法等成熟技术与新型技术的相继应用,不但提升了设备的性能,也提高了设备电磁兼容设计的能力,达到了双重功效。

3 启示

建国50多年来,我国在960~1 215 MHz频段的无线电导航设备[11]从无到有,发展异常迅速。在自力更生,艰苦奋斗的方针指引下,经历了从无到有,从引进仿制到自行独立设计,从科研到生产,从单一设备到复杂的系统,我国完全能独立设计与制造,形成了DME、塔康、JTIDS、ATC、IFF等设备的研发生产装备一条完整的产业链,甚至有部分产品广销海外。

但设备、系统在研制、使用过程中,常会碰到一些意想不到的电磁兼容问题,甚至影响设备、系统的正常使用。为了少走弯路,提高效率,国外电子设备常采用的技术我国可以消化吸收,借鉴参考。笔者通过对国外相关设备电磁兼容设计的研究分析,结合我国当前的具体情况,得到了几点启示和心得体会,与广大读者共同分享。

3.1 加强频谱规划及管理

频分复用技术是电磁兼容设计最基本的措施,也是减小设备间同频干扰最为有效的手段,国外的电子设备电磁兼容设计优先采用该技术。频率分配是频谱管理部门的主要职责,国外的频率分配非常规范,如敌我识别从上世纪40年代开始,就已使用1 030 MHz,1 090 MHz,后来的DME,JTIDS设备就避开这两个频点,并预留了一定的保护带宽。我国的频谱分配管理较为复杂,一般民用的归国家无线电管理委员会管理,而军用又归口各军兵种管理。为了避免频率分配的重合,国家应该有统一的部门,对频率集中分配管理,原则上谁先申请批准,谁先使用,后申请者理应避开已申请批准使用的频率。尤其是现代科技的迅猛发展,电子设备种类繁多,频率资源非常紧缺,频率分配管理更需加强。

3.2 降低设备电磁辐射和提高设备抗干扰能力

降低设备的电磁辐射,就减少了对外在电子设备的干扰;提高自身设备的抗外界干扰能力,设备就更加稳定、可靠,更具有竞争力和生命力。要实现这一目标,不仅要采用传统的技术,如射频滤波、接收增加限幅器预选器;还应引入新的技术,如对发射波形基带成形滤波,采用调制效率更高,频谱利用率更高的新型调制方式。如过去军用中抗干扰用的扩频、跳频技术在数字移动电话中广泛运用;相反,现在数字移动电话中运用很成功的调制、基带处理等技术也可在军用设备中引进使用。同时,还应加快调制、解调、数字处理等新技术的研究,一方面可提高设备的性能,另一方面也可降低设备的电磁辐射,增强设备的抗干扰能力。

3.3 加强电磁兼容设计培训和提升电磁兼容设计能力

民用电子产品要通过3C强制论证,军用产品要通过国军标的电磁兼容试验,这是电子设备电磁兼容设计的基本要求。要实现这一要求,最为有效的方式是各级研发人员从思想上高度重视,从行动上落实到具体的产品开发过程中,并且安排专职人员对电磁兼容设计进行规划指导及验证,让电磁兼容设计贯穿于方案设计、模块研制、整机研制生产全过程中。采取事前设计,事后验证,电磁兼容试验就会少走弯路,既提高了工作效率,又降低了开发成本,达到双盈。而电磁兼容设计能力不是与生俱来的,是要在工作中不断学习的,能力的提升是一个不断渐近的过程。对一个新员工进行专门的电磁兼容设计培训,用一整套电磁兼容规范准则来指导其设计,而对设计设备系统的老员工,应结合具体工程,进行专职再培训和作业指导,提升设计能力。国内大的通信设备厂家如中兴、华为在这方面都做得非常好,有一套完整的电磁兼容设计规范来指导产品的研发设计,值得学习和借鉴。

3.4 提高电磁兼容预分析及总体设计能力

在机载平台上,有通信、导航、识别、监视、火控、飞控等各种电子设备,分布频段广泛,如何让这些设备系统正常运行,这对总体系统设计人员提出了很高的要求。系统设计人员应通过理论计算、仿真、试验验证等方式来分析设备间的电磁兼容性,合理布局天线孔径,对设备系统频谱特性、杂散输出和抗干扰能力等指标进行分配,综合采用频分、码分、时分等多种技术措施,采用新技术、新体制,加强设备一体化、综合化设计,深入研究电磁兼容管理技术,对各设备系统的运用模式进行研究,探索出一条行之有效、方便实用的电磁兼容方案,满足设备正常使用,让用户满意。

4 结 语

L频段设备除了上述介绍的几种设备外,还有全球导航系统、第二代第三代移动通信设备等诸多通信导航

设备,这个频段内的设备多,电磁环境非常复杂,笔者仅是根据搜集到的资料和自身工程经验,对国外的L频段主要航空电子设备电磁兼容设计进行了研究分析,以供从事频谱规划、设备研发、系统设计的人员借鉴参考。

参考文献

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