基于射频记录与回放的航空无线电信号监测系统的实现

正文:

引言

近年来, 随着经济的飞速发展, 民航航班数量也急速增加, 高频率的航班起降给民航空管对空通信带来了挑战。同时, 机场内部和周围的无线电发射设备也在快速增加。这些无线电设备的频率、功率、信号质量、电磁兼容情况都不相同, 经常发生航空无线电频段被干扰的事件, 尤其是在甚高频对空话音通信频段, 干扰尤为严重。自2013年国家对广播药品广告进行严格管理, 药品广告越来越多地使用“黑广播”来播出, “黑广播”的播放设备成本低, 质量差, 很容易干扰到航空甚高频频段, 降低飞行员与空管的通讯质量和效率, 给飞行安全带来了极大的影响。

为了降低干扰对飞行安全的影响, 就需要对航空频段进行监测, 及时发现干扰, 通知空管人员做好应对, 并联合相关部门排查干扰。本文描述了一种基于射频记录与回放的航空无线电信号监测系统, 可以全天候监测航空甚高频频段频谱, 当频谱异常时, 发出预警, 并对航空甚高频讯频段进行全频带信号记录, 对已录制的射频信号进行回放, 批量导出电台音频作为音频档案, 为后续分析和干扰排查提供依据。相对于传统的录制电台解调的音频来研判干扰的方法, 能回放频谱发生异常时全频段的射频场景, 并对记录的射频信号进行各种解调尝试, 快速判读干扰类型和频带, 为排查干扰提供更为直观、准确的依据。

1. 系统原理

本系统采用高速信号采集模块采集接收航空甚高频频段射频信号, 提取信号中的特征值经模数转换成数字信号, 然后对数字信号进行数字下变频得到基带信号, 再对基带信号进行流盘、处理、分析和解调。

航空甚高频频段的频率从118MHz至136.975MHz。根据奈奎斯特采样定律, 为使信号不混叠, 采样率需要大于信号最高频率的两倍, 采集接收航空甚高频频段射频信号需要大于273.95MS/s的采样率。假设用最高频率的2.5倍作为采样率, 采样率就要高达342.4375MS/s。若采用16位分辨率的模数转换模块, 甚高频频段射频模数转换后的数据率高达684.875MB/S。这么高的采样率和数据率对硬件的要求非常高, 硬件费用也非常昂贵。为了降低硬件要求, 本系统引入欠采样技术和数字下变频技术来降低对采样率和数据率。

图1左上是航空甚高频射频信号频谱示意, 首先, 采用高速采样模块采集信号, 根据采样理论, 采样后的频谱会周期延拓, 如图1右上所示;然后对采样后的信号正交下变频到基带, 如图1左下所示;最后通过低通滤波器对信号进行降采样, 如图1右下所示。就完成了对航空甚高频射频信号的欠采样和数字下变频。使采样率和数据率大幅下降, 降低了对硬件的要求。

2. 系统架构

本系统选用ITU规范的接收机, 完全覆盖航空高频频段。采用软件无线电技术, 大动态范围直接数字化, 欠采样技术, 高速PXIe数据总线, 高速点到点实时数据链路, 数字下变频, 现场可编程逻辑门阵列和嵌入式独立冗余磁盘阵列等最新的、先进的无线电、计算机和数字信号处理技术, 通过软硬件的结合, 形成一个完整的、专用的射频信号监测平台, 集监测、报警、记录、回放、分析等功能为一体。具体架构如图2:

3. 系统功能

本系统软件是由系统管理、信号监测记录、信号记录文件回放和批量音频文件导出软件等组成, 具体功能如下:

系统管理软件中, 可以配置当前航空甚高频频段的频率使用情况和干扰报警阈值。当监测的频谱发生异常超过报警的阈值时, 将会产生预警。

信号监测记录软件有以下三个功能:第一整个航空甚高频频段的宽带频谱测量和信号检测;第二电台频谱分析、参数指标测量以及音频解调监听;第三自动或手动宽带信号实时流盘记录。

回放软件回放记录的宽带信号, 完全重现当时的射频场景, 对记录的宽带信号进行频谱测量和信号检测, 对记录的任意时刻任意频率进行频谱分析、参数指标测量以及音频解调监听, 便于干扰的查看和分析。

批量音频文件导出软件可以根据用户定义的频点列表对已录制的信号进行解调和测量, 并将解调出的音频进行批量存档, 便于音频回放, 为干扰查处、信号分析提供依据。

4. 总结

本文描述的基于射频记录与回放的航空无线电信号监测系统, 采用先进软硬件架构、软件无线电技术和数字信号处理技术。通过对航空甚高频频段进行全频段的频谱监测, 协助监测人员及时发现干扰;通过对干扰发生时航空甚高频频段全频段信号录制和回放, 协助监测人员进行干扰分析、干扰场景重现和干扰排查, 助力航空飞行安全保障。

摘要：本文描述的基于射频记录与回放的航空无线电信号监测系统, 采用先进的软硬件架构、软件无线电技术和数字信号处理技术, 通过对航空甚高频频段进行全频段的频谱监测, 协助监测人员及时发现干扰。通过对干扰发生时航空无线电甚高频语音通讯频段全频段信号录制和回放, 协助监测人员进行干扰分析、干扰场景重现以及干扰排查, 助力航空飞行安全保障。

关键词：射频记录,航空,无线电信号,监测系统

参考文献

[1] 薛成钧.民航无线电干扰计算分析和管理对策[D].内蒙古大学, 2016.

[2] 彭超.民航VHF地空通信干扰问题研究[J].科技与创新, 2016, 11:113-114.