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3344xs:多普勒效应与THALES DVOR设计

2019-01-11 04:17 来源:冰冰智能手机网 对此文章感兴趣的有:
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摘 要VOR系统是通过比较两个30Hz信号的相位实现飞机方位的确定,其中一个30Hz为基准信号,另外一个30Hz为可变信号。目前,我们使用的VOR设备绝大部分都是DVOR,其30Hz基准信号由中央天线辐射,30Hz可变信号是利用多普勒效应通过模拟边带天线旋转实现,并在空间合成DVOR全信号。本文从调频原理及多普勒效应来分析DVOR合成原理,并基于此展开对THALES DVOR4000型设备部分设计方式及调机参数影响因素的讨论。

【关键词】调频 多普勒效应 9960副载波 相位 模拟旋转 混合函数

1 调频原理

正弦波的瞬时频率ω(t)与信号f(t)呈线性函数关系,称之为FM波。

FM波瞬时相角为

,则FM波表达式为:

如果调制信号为正弦调制信号,

即,则FM波表达式为:

(1)

其中:为调频指数,代表调频波最大相位偏移,最大频偏为。

2 多普勒效应

多普勒效应就是由于某种辐射源,如声源、光源或其他波源的运动,或观察者的运动,使观察者所接收的声频、光频或其他的频率发生改变的一种现象。

其实质就是,在辐射振荡源与接收点之间存在有相对运动时,接收点所接收的信号的频率与辐射振源辐射信号的频率不相等,即当发射天线与接收天线之间有相对运动时,接收频率fr与发射频率ft不再相同,差值就是多普勒勒频率fd,其大小与收发天线之间的径向运动速度分量成比例,其计算公式如下:

(2)

式中:VR为接收天线径向速度,VT为发射天线径向速度,当接收天线和发射天线相互靠近时,两者均为正值,当发射天线和接收天线距离远离时,两者均为负值。

3 DVOR全信号的形成

3.1 多普勒效应在DVOR系统中应用

通常实际情况下,我们不考虑飞机的速度及载波频率的多普勒效应,即认为边带天线在运动而飞机不动,如图1所示,边带天线的速度矢量V可以分解为Vd和Vh,而且在距离够远的情况下,我们认为Vd为飞机与边带天线之间的相对速度即为径向速度。

因此公式(2)可以变成如下:

(3)

式中:λ为无线电波波长,c为无线电波在空间的传播速度。这里可以看到,多普勒频率(fd)与收发天线间的相对运动速度(Vd)和波长相关,当Vd为每秒一个波长时,fd为1Hz。

根据图1所示,天线沿圆周运动,A、B两点表示

在圆周上对称运动的某两边带天线,飞机为接收方向,

根据多普勒效应,由公式(3)可得:

飞机接收边带天线A的频率瞬间值为:

(4)

飞机接收边带天线B频率瞬间值为:

(5)

其中:Red/s;

由公式(4)(5)很容易得出边带天线的直径,如果令

,则R=2.5λ,当ft=113MHz时,R=6.75 m。

DVOR是利用此原理,使边带信号在边带天线阵中旋转发射,与接收端形成相对运动,把纯9960Hz信号变成9960Hz±480Hz的调频信号,然后与载波调制,形成VOR全信号。

3.2 DVOR全信号的形成

从公式(4)(5)我们可以看到,对于每对边带天线,其对飞机产生的多普勒频移为:

我们根据公式(1),我们可以得到飞机接收的上下边带频率,对于上边带

同样,对于下边带

其中,,即是调频指数,由以上分析很容易可得其值为16,而影响其大小的因素就为边带天线的直径。

中央天线辐射的是30Hz AM信号:

上下边带与载波信号在空间合成,进行调幅,因此全信号表达式为:

(6)

4 THALES DVOR设计

根据前面几部分介绍的原理知识,下面从全信号的合成以及天线模拟旋转设计来探讨THALES DVOR4000部分设计方式。

4.1 上下边带相位的设置

由公式(6)可以看到,影响DVOR全信号合成比较大的两个因素分别是上下边带的相位和幅值,如果上下边带幅值一致,则公式(6)就可以变成

(7)

从公式(7)我们可以看到,如果上下边带合成相位与载波相位不一致,

则在上下边带合成的载波相位就会出现很大的谐波成分,因此在DVOR设备调机过程中,我们必须保证边带合成相位与载波相位同相。

在THALES DVOR设备中,为方便上下边带调整,其LSB的相位是固定不变的,通过调整USB的相位使合成相位与载波相位达到一致,如图2所示。

在此情况下,如果(以载波相位为基准)

则公式(7)可以变成:

(7)

由公式(7)可以看到,9960全波形如图3所示。

4.2 9960Hz AM的形成

从公式(7)中,可以很清晰看到,在空间中,上下边带与载波合成了一个调幅信号,调制度为

,为是我们监控软件中显示的9960Hz AM。

4.3 天线模拟旋转与混合函数的设计

4.3.1 天线模拟旋转

由以上分析,我們可以知道,为实现多普勒效应并合成理想VOR信号,必须保证:

(1)天线必须模拟旋转以实现调频,并保证连续辐射。

(2)辐射能量必须平衡,不能忽大忽小。

为达到以上目的,其中比较简单的就是如图4所示,设计成30根边带天线,每1/30s的时间由其中一根边带天线辐射边带信号,尽管这样设计简单,但谐波成分大。


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(责任编辑:奇偶工作室

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