调频广播与航空无线电业务电磁兼容分析

海 霞 闫国伟

（国家新闻出版广电总局广播科学研究院 国家新闻出版广电总局科技司）

摘要：本文介绍了调频广播与航空导航业务之间干扰分析及预测的现状，以ITU-R SM.1009-1建议书为基础，提出了调频广播与航空无线电业务电磁兼容分析软件的设计方法，给出了通过协调距离筛选调频广播电台的方法，对软件的兼容性分析实现步骤做了详细的描述，最后通过测试验证了软件有良好的功能和性能。关键词：电磁兼容 协调距离 软件设计

1 前言

民用航空无线电业务包含通信和导航两部分，其中导航业务的仪表着陆系统[1]（ILS：Instrument Landing System）和甚高频全向信标[2]（VOR：Very high frequency Omnidirectional Range）使用的频段108MHz-118MHz与调频广播业务[3] 使用的频段87MHz-108MHz相邻，相邻频段频率的使用可能会因调频广播发射台站天线架设位置高、发射功率大，发射天线多采用多频共塔形式等原因，导致几个广播信号频率产生的互调产物或带外辐射无用分量落在航空无线电专用频段内对航空无线电业务造成干扰。近几年，一方面我国调频广播无线台站总量的不断增加、调频广播频率需求不断增长，另一方面民用航空事业也在迅速发展，新建机场、新增航线越来越多，航班越来越密集，航空无线电频率复用程度越来越高，进一步加大了调频广播业务对航空无线电业务干扰的几率，调频广播对航空导航、通讯等航空无线电业务的干扰问题日益严重。如何预防两种业务间相互干扰，如何在两个部门进行频率规划初期进行兼容性分析预测来避免干扰已经成为两个部门相关研究机构必须重视的问题。为了尽可能的避免干扰，国际电联在1995年制定了ITU-R SM.1009-1建议书[4]，我国民用航空部门也在1994年也相继制定了GJBz 2081-94[5]和GB6364-1986[6]等相关标准，这些标准和建议书对调频广播业务与航空无线电业务间的兼容性分析提供了指导和依据。但是如何将这些标准运用到实际的规划预测中，特别在信息技术和计算机技术飞速发展的今天，将这些标准和理论转化为具有可操作性、能够自动运行的软件实现方法，是规划工程师应该考虑和探索的问题，本文介绍了作者通过项目研究，将建议书中介绍的兼容性评估标准转化为计算机软件实现方法中关键技术的步骤和过程。

2 干扰的类型

根据调频广播与航空无线电业务产生干扰的原理，干扰可以分为A类和B类两种类型。A类干扰由同台址的调频广播发射系统技术性能限制引起, 它对航空接收设备的影响表现为带内干扰，单部及多部广播发射机的非预收信号落入航空业务频段的干扰。按性质的不同又可分为A1和A2两类：A1类干扰是指单部广播发射机产生的杂散发射或由多部同台址广播发射机产生的互调产物落入航空业务频段造成的干扰；A2类干扰是指工作频率靠近108MHz的广播发射机带外辐射落入航空业务频段对108MHz附近的ISL/VOR航空业务造成的干扰。B类干扰由机载接收设备带外滤波性能不良，导致带外调频信号落人形成。根据干扰性质的不同也可分为B1和B2两类：B1类干扰是指航空频段以外的广播信号使航空接收机变为非线性状态，可能会使航空接收机产生互调，这种情况称之为B1类干扰；B2类干扰是指当航空接收机的射频部分被一个或多个广播发射变为过载状态时，可能发生灵敏度降低现象。

3 A类干扰的干扰分析

A类干扰是一个调频广播信号的无用分量或多个调频广播信号互调产物落在航空无线电频段内产生的干扰，A类干扰的无用信号是实际存在的因此可以用场强、保护率的方法进行兼容性分析。国际电联1009建议书给出的A1类干扰的计算公式如下：

公式（1）

其中：IM:A1类干扰余量（dB），如果IM大于0，则说明无用信号场强过大可能存在干扰；N:互调分量的数量（N=2或N=3）；Ei:在计算的测试点上广播发射机i无用信号的场强（dB（μV/m）），1009建议书规定广播信号的场强用自由空间场强预测模型进行计算公式如下：

公式（2）

其中：E：广播信号场强（dB（μmV/m））；P：广播电台的最大e.r.p.（dBW）；d：倾斜路径距离（km）；H：增益修正值（dB）。Si:广播发射机i的A1类干扰抑制（dB），具体见表1009建议书；PR:适用于互调产物和航空频率之间的频率差的保护率（dB），具体见表1009建议书。Ew：预收信号场强，即航空信号场强（dB（μV/m））。根据上述余量计算公式，我们可以计算几个确定的广播频率是否会对某个航空频率产生干扰。但是在不确定广播频率的情况下计算可能存在的干扰，如果把每一个广播频率都逐一带入公式计算，显然工作量巨大，而且大多都是无用计算。所以在此我们可以借鉴广播频率与广播频率间相互协调的办法，首先计算出一个协调范围，只有在此协调范围内的广播频率参与进一步计算。根据上面的余量公式（1）可知，当余量IM大于0时存在干扰，为了避免干扰进而可得：

公式（3）

将自由空间场强计算公式（2）带入可得：

公式（4）

将公式（4）进一步推导可得：

公式（5）

由此可知当调频广播台站与航空无线电台站距离大于d时一定不会对航空无线电台站产生干扰，因此，只需进一步分析航空无线电台站与调频广播台站间的距离小于协调距离d的情况，划定了计算分析的范围后，大大降低了计算量，提高了工作效率。A2类干扰协调距离的推导原理与A1类干扰相同。

4 B类干扰的干扰分析

B类干扰是广播信号使航空接收机变为非线性状态，在非线性过程中航空接收机使用的有用射频信道上产生了互调产物。使航空接收机产生非线性状态的一个必要条件是至少有一个信号广播信号有足够的振幅使航空接收机进入非线性区域，这时即使其它广播信号的振幅相当低也可能产生干扰。这个足够的振幅就是1009建议书中提到的至少有一个广播信号的信号电平大于启动值，且其他信号电平均需都大于截止值，才会产生B1类干扰。启动值和截止值的计算公式如下：

dBm 公式（6）

dBm 公式（7）

其中：Lc：修正因子（dB），计算公式如下：

Lc=NA– Nref

公式（8）

式中：NA：航空接收机输入端的有用信号电平（dBm），Nref：航空接收机输入端有用信号的参考电平（dBm）。ILS时为-86 dBm ，VOR时为-79 dBm。K：修正因子。两信号情况下：ILS时为146，VOR时为139；三信号情况下ILS时为140，VOR时为133；f:广播频率（MHz）；S:考虑到ICAO附件10的接收机抗扰度标准公式并未提供全面的兼容性评估公式，特留出3dB的容限。根据上述B1类干扰的产生条件可知：当引起干扰的两个或三个广播信号的场强都大于截止值时，才可能引起干扰，这样我们可以像进行A类干扰那样先推导出一个协调距离缩小计算范围后，再进一步进行干扰分析。推导过程如下：根据公式截止值，可以推出:

dBm 公式（9）

因为对数函数的值始终大于0，所以截止值的最小值大于等于-66dBm，可以认为信号电平小于-66dBm的广播台站一定不会产生干扰。上述协调距离的推算过程中为了不把可能的干扰情况漏掉，尽可能将协调距离的值取到最大。对于87.5MHz-108.0 MHz频段的广播信号1009建议书规定下面的功率计算公式：

公式（10）

其中：N：在航空接收机输入端的广播信号电平（dBm）。E：广播信号的场强（dB（mV/m））Ls：3.5 dB的信号分支器损耗，Ls = 3.5 dB。L(?f?）： 低于108 MHz的广播频率f（MHz）上1.2 dB/MHz的天线系统频率相关损耗（针对水平极化天线），L(?f?）=（108-f）×1.2 dB。La： 9 dB的天线系统固定损耗，La =9 dB。将截止值带入公式（10）有：

公式（11）

同时考虑到了广播信号各种可能的频率，取所有可能频率的最小值为108MHz，把算得的最小功率转换为最小场强，可得：

公式（12）

将各个参数的值带入，可得：

公式（13）

（dB（mV/m） 公式（14）

据上面自由空间场强计算公式（2）及公式（5）可得：

协调距离

公式（15）

可以认为协调距离d之外不会产生B1类干扰的，协调距离内是否有干扰，还要进一步判断。上述协调距离的推算过程中，考虑到了各种可能取所有可能中使协调距离最大的可能。B2类干扰协调距离的推导原理与B1类干扰相同。

5 兼容分析模块

有了上述干扰分析的基本方法，就可以着手进行兼容分析软件各功能模块的设计了，一款软件能够正常的运行、计算，除了要有关键算法的实现模块外，还应具备数据库、软件设置、结果输出等基本的功能模块，兼容分析软件模块设计如下图所示：

图1 电磁兼容软件结构

1) 航空台站信息管理模块处理航空台站的基本信息，支持台站的新增、修改和删除等数据库操作，计算、存储航空台站测试点等相关信息。2) A类干扰电磁兼容分析模块根据用户设置的计算参数进行A类干扰分析计算，将计算结果以表格或图像的形式输出。通过航空台站信息管理模块进行数据管理，并通过地理信息处理模块进行空间分析运算。3) B类干扰电磁兼容分析模块根据用户设置的计算参数进行B类干扰分析计算，将计算结果以表格或图像的形式输出。通过航空台站信息管理模块进行数据管理，并通过地理信息处理模块进行空间分析运算。4) 地理信息处理模块为电磁兼容分析过程中测试点计算、地形特征提取、操作范围计算等功能提供技术支持，也为台站、测试点、计算结果的可视化显示提供一个直观的地图载体。5) 系统设置模块为用户提供各种系统设置的人机界面接口，可以设置数据库存存储位置、计算参数、计算结果报表输出路径等。6) 报表输出模块为用户提供输出标准规范格式的报表。

6 干扰分析过程

兼容分析软件干扰计算过程如图2所示，通过以下计算流程来实现上述各模块的功能需求：

图2 干扰计算流程

兼容分析主要过程包含以下6个步骤：1）确定需要进行干扰分析的测试点。2）计算协调距离。确定协调距离范围内的FM广播电台为干扰计算对象。3）进行频率匹配。对A1、B1类互调干扰都有，

两信号的情况 公式（16）

三信号的情况 公式（17）

其中fintermod为互调产物频率（MHz），f1、f2、f3为广播频率（MHz）且f1≥f2≥f3，如果fintermod计算结果与航空台站频率差在的200kHz以内，则记录该FM台站及相关频率。对A2类干扰，直接记录与航空导航频率差在300kHz以内的FM广播台站。对B2类干扰，协调范围内的所有FM电台都参与计算。4）计算测试点上第3）步记录的广播信号的场强及功率。5）计算测试点上航空导航信号的场强及功率。6）通过1009建设书中兼容分析的标准进行A1、A2、B1、B2类干扰判断。

7 软件测试

为了验证软件的功能和性能，设计一组包含10个FM广播台站、6个I LS台站、3个VOR台站的测试数据，将该数据导入数据库，同时，也将相同的数据导入瑞典瑞普公司开发的WRAP软件，分别进行兼容性分析，计算结果对比如表1所示：

表1 兼容性计算测试结果

	检出A1类干扰数量(组)	检出A2类干扰数量(组)	检出B1类干扰数量(组)	检出B2类干扰数量(组)
电磁兼容软件	430	57	16	9
WRAP	429	52	12	10

由表1可见，电磁兼容软件检出的干扰数量与WRAP软件检出的数量基本相当，再进一步查看报表比较每一个干扰对应的干扰源和测试点，相似度也达到95%。项目组对WRAP软件的电磁兼容分析方法进行了详细的测试，其方法符合ITU-R SM.1009-1建议书。可见，电磁兼容软件已经达到了能够对调频广播业务与航空导航业务进行干扰分析计算的基本效果。

8 总结

广播与航空业务之间的干扰问题日益严重，两种业务间的干扰分析和预测的需求也日渐强烈，电磁兼容软件的实现将对广播与民航业务之间的协调、管理提供科学、有效的手段。下一步，可进一步完善电磁兼容软件的功能，将软件计算与频谱监测硬件设备结合起来，通过实测数据来不断修正计算结果，以得到更准确的干扰分析结果。 参考文献：[1] MH/T 4006.1-1998 航空无线电导航设备第1部分：仪表着陆系统(ILS)技术要求。[2] MH/T4006.2-1998航空无线电导航设备第2部分：甚高频全向信标(VOR)技术要求。[3] GB/T 4311-2000 米波调频广播技术规范。[4] ITU-R SM.1009-1 Compatibility between the sound-broadcasting service in the band of about 87-108 MHz and the aeronautical services in the band 108～137 MHz。[5] GJBz 2081-94，87-108MHz频段广播业务和108-137MHz频段航空业务之间的兼容[S]. 1994。 编辑：中国新闻技术工作者联合会