飛機自動相關(guān)監(jiān)視信號接收系統(tǒng)設(shè)計*

吳凱峰， 宋 東， 劉柏兵， 李 哲， 鐘昊天

(西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，陜西 西安 710072)

0 引 言

傳統(tǒng)的接收機大多采用專用集成電路技術(shù)具有可擴展性差、算法無法升級及產(chǎn)品更新?lián)Q代的時間較長的缺點。隨著軟件無線電理念的產(chǎn)生與技術(shù)的不斷發(fā)展，軟件接收機逐步取代傳統(tǒng)接收機，運用于各種類型信號的接收。軟件接收機充分發(fā)揮了軟件無線電的思想—硬件軟件化，將數(shù)字信號處理模塊整體交由軟件來處理，使接收機研發(fā)過程中對靈活性的要求得到最大限度的提高。

本文設(shè)計的廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(automatic dependent surveillance-broadcast,ADS—B)軟件接收機系統(tǒng)，包括確定軟件無線電的采樣結(jié)構(gòu)與數(shù)字前端結(jié)構(gòu)及對采樣頻率與數(shù)字下變頻參數(shù)的分析，并設(shè)計了相應(yīng)的軟件處理模塊。為了證明設(shè)計的軟件接收機系統(tǒng)的可行性，利用通用軟件無線電平臺(universal software radio platform,USRP)及圖形化語言LabVIEW對設(shè)計驗證，進(jìn)行實際的ADS—B信號接收，實驗結(jié)果證明了設(shè)計的ADS—B軟件接收機系統(tǒng)的有效性。

1 ADS—B信號接收模型

1.1 1090ES模式ADS—B信號格式

1090ES(1 090MHz S模式擴展電文數(shù)據(jù)鏈)是一種基于S模式應(yīng)答機的技術(shù)，采用頻率為1 090MHz。ADS—B消息數(shù)據(jù)塊格式采用脈沖位置調(diào)制(pulse position modulation,PPM)編碼，在每一個被傳輸?shù)拿}沖前半部分為1，而后半部分為0，其中一個完整的ADS—B信號由8 μs的前導(dǎo)報頭脈沖和112 μs數(shù)據(jù)信息位脈沖組成，如圖1所示。

圖1 ADS—B信號格式

1.2 ADS—B信號接收機原理模型

設(shè)計的ADS—B接收機系統(tǒng)原理模型分為硬件部分(模擬部分與數(shù)字前端)與軟件部分(數(shù)字后端)，其接收系統(tǒng)原理模型如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原模型

2 硬件方案

2.1 軟件無線電采樣結(jié)構(gòu)方案

為了在實現(xiàn)需求的前提下保持較低的系統(tǒng)復(fù)雜度，選擇低中頻接收結(jié)構(gòu)作為軟件無線電接收前端,其結(jié)構(gòu)如圖3所示，作用為實現(xiàn)信號的正交下變換，用于射頻接收端第一級變頻，等效于x(t)e-jωLOt=x(t)[cos(ωLOt)-jsin(ωLOt)]。

圖3 低中頻接收結(jié)構(gòu)

2.2 接收機通道數(shù)字前端方案

首先對射頻模擬信號或者中頻信號通過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字化，然后采用數(shù)字下變頻和多速率數(shù)字信號處理技術(shù)，對信號進(jìn)行頻率變換、濾波、抽取等處理，將感興趣信號分離和提取出來，并將采樣速率降低到較低的速率，送到基帶信號處理單元對感興趣的信號進(jìn)行后續(xù)處理。本文采用適于設(shè)計的基于數(shù)字混頻正交變換的數(shù)字下變頻。正交數(shù)字下變頻法主要有數(shù)字混頻器、數(shù)字控制振蕩器(numerically controlled oscillator,NCO)和數(shù)字濾波器3部分組成，如圖4所示。

圖4 數(shù)字下變頻器的組成

其前部分作用：將采樣后的復(fù)信號混頻下變頻，用于二次變頻，數(shù)學(xué)原型為

[xI(t)+jxQ(t)]×e-jωct=[xI(t)+jxQ(t)]×[cos(ωct)-jsin(ωct)]

(1)

使頻譜向下搬移ωc，去掉中頻，將有用信號最終搬移到基帶。

數(shù)字濾波器采用多級數(shù)字濾波器，并將結(jié)構(gòu)簡單、無須乘法運算的積分—梳頭級聯(lián)(cascaded integrator-comb,CIC)濾波器作為第一級濾波器，將設(shè)計復(fù)雜度高、幅頻特性好的有限長單位沖擊響應(yīng)(fininte impulse response,FIR)濾波器作為最后一級濾波器。通過數(shù)字濾波器濾出的感興趣信號，依次經(jīng)過一定整數(shù)倍的抽取，數(shù)據(jù)得到降低，再傳給之后的模塊進(jìn)行處理。

2.3 中頻A/D采樣速率及抽取參數(shù)分析

1090ES模式的ADS—B信號的碼元速率為1 Mbps，消息數(shù)據(jù)塊格式采用PPM編碼，調(diào)制方式是二進(jìn)制振幅鍵控(2ASK)，工作頻率為1 090 MHz。根據(jù)2ASK信號帶寬B2ASR為基帶信號帶寬的2倍，而歸零波形基帶信號的帶寬為Bs=1/τ，τ=0.5 μs為ADS—B信號的電脈沖寬度，故在只計譜的主瓣時，帶寬為4 MHz，為了留一定余量，及增強抗干擾性，取B2ASK=6 MHz。

2.3.1 帶通采樣

根據(jù)奈奎斯特采樣定理，對中頻帶通信號，取帶寬為B，只要取fs≥2B的某些值，即可保證信號頻譜不重疊。在實際應(yīng)用中，AD采樣前需要加抗混疊帶通濾波器(band-pass filter,BF)，以消除帶外噪聲帶來的頻譜混疊。采樣速率由式2fH/n≤fs≤2fL/(n-1)確定。其中，fH為信號的最高頻率,fL為信號的最低頻率,n為整數(shù)，其取值范圍為2≤n≤fH/(fH-fL)。

采樣速率的確定：取中頻為fo=60 MHz，B2ASK=6 MHz，則fH=63 MHz，fL=57 MHz，可得126/n≤fs≤114/(n-1)，fs越低，采樣后頻譜的間隔越小，抗混疊帶通濾波器實現(xiàn)越困難。故在ADC滿足的情況下，盡量取較大的采樣速率。本文取采樣頻率為100 MHz，一方面避免了由于濾波器的不理想而產(chǎn)生的混疊，另一方面可以增大中頻的選擇范圍，及最多可以處理帶寬為40 MHz的中頻信號，為以后的工程改進(jìn)與實現(xiàn)增加了靈活性。

2.3.2 信號的整數(shù)倍抽取

為了降低后面的信號處理的數(shù)據(jù)吞吐量，減少解碼算法的計算量，加快信號的處理速度，需要在不使信號失真的前提下，對A/D采樣后的ADS—B信號進(jìn)行整數(shù)倍抽取。設(shè)原始采樣速率為x(n)，抽取倍數(shù)為D，則抽取后的新序列為xD(m)，即xD(m)=x(mD)=x(mD)，m=0,±1,±2,…,其中D為正整數(shù)。1090ES模式的ADS—B接收機中，ADS—B信號經(jīng)過PPM編碼后，碼元速率為2 Mbps，考慮到軟件處理部分需要1個碼元5個采樣點，使輸出速率為10 Mbps，故在數(shù)字下變頻通道結(jié)構(gòu)中，通道的抽取倍數(shù)為10。

2.4 接收機通道結(jié)構(gòu)總體方案

最終的接收通道的設(shè)計方案結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 軟件處理模塊

根據(jù)1090ES ADS-B信號的特點，ADS—B接收系統(tǒng)軟件處理模塊可以分為報頭檢測模塊與數(shù)據(jù)位處理模塊。其中報頭檢測模塊包括：脈沖檢測模塊、脈沖位置(VPP)檢測模塊、上升沿位置(LEP)模塊、邊沿信號(DF)檢測模塊、報頭初始檢測模塊、交疊測試模塊、參考功率計算模塊及功率一致性檢測模塊；數(shù)據(jù)位處理模塊包括：數(shù)據(jù)位判定模塊、檢錯糾錯模塊及信息解碼模塊。各模塊的主要功能如下：

1)脈沖檢測模塊：對輸入數(shù)字幅度信號進(jìn)行分析，檢測出VPP和LEP符合要求的脈沖。

2)VPP檢測模塊：比較VPP信號與標(biāo)準(zhǔn)報頭，判斷在0，1，3.5，4.5 μs處是否存在有效位置，結(jié)果作為報頭初始檢測模塊的輸入之一。

3)LEP檢測模塊：比較輸入的LEP信號與標(biāo)準(zhǔn)報頭，判斷在0，1，3.5，4.5 μs處是否存在上升沿信號，且在這4個時間點上存在上升沿的個數(shù)是否不小于2，結(jié)果作為報頭初始檢測模塊的輸入之一。

4)DF檢測模塊：判斷在 8.5，9.5，10.5，11.5，12.5 μs位置上是否存在邊沿信號，若有不少于4個沿變化，代表此處存在PPM 編碼的數(shù)據(jù)。DF檢測是為了確定后面的數(shù)據(jù)位的脈沖未被污染。

5)報頭初始檢測模塊：以VPP 檢測模塊、LEP 檢測模塊、DF 檢測模塊檢測結(jié)果為輸入信號，若同時滿足，則通過報頭初始檢測；反之，不通過。

6)交疊測試模塊：解決可能出現(xiàn)的多個S模式報頭交疊的現(xiàn)象。

7)參考功率計算模塊：計算出此報頭的參考功率，用于數(shù)據(jù)提取以及置信度的判斷等。

8)功率一致性檢測模塊：為了在確定報頭無交疊污染的情況下也沒有自身的報頭功率缺損，其方法為取得4個報頭脈沖的平均值，與參考電平進(jìn)行比較，如果其差值在+3 dB之內(nèi)，則進(jìn)行下一步檢測。

9)數(shù)據(jù)位判定模塊：與參考功率進(jìn)行比較，獲取數(shù)據(jù)位上的代碼信息，得出二進(jìn)制編碼形式下為1或者0及各數(shù)據(jù)位的置信度。

10)檢測糾錯模塊：對所得到的二進(jìn)制編碼進(jìn)行檢測，判斷是否錯碼，若發(fā)生錯碼，且錯碼數(shù)不超過5時對置信度低的數(shù)據(jù)位進(jìn)行誤碼糾錯。

11)信息解碼模塊：對接收到信號進(jìn)行相應(yīng)解碼，獲得信號中所包含的信息。

軟件模塊處理流程如圖6所示。

4 基于USRP N210與LabVIEW接收機實現(xiàn)與數(shù)據(jù)分析

試驗主要設(shè)備為一臺USRP N210設(shè)備和一臺普通的臺式電腦。軟件采用LabVIEW。試驗過程中，進(jìn)行了多次短暫的ADS—B信號接收，其中一次接收的部分結(jié)果組成為：最前面6位數(shù)據(jù)代表ICAO碼；緊靠近ICAO碼的是接收到的ADS—B信息類型；之后的數(shù)據(jù)為該信息類型所對應(yīng)的信息。分析結(jié)果的具體數(shù)據(jù)可知，數(shù)據(jù)在時刻變化，且數(shù)據(jù)量的變化符合飛機實際的飛行情況。為了證明數(shù)據(jù)的真實性，通過ICAO碼的查詢，確定了相應(yīng)航班在時間上的符合。

圖6 軟件處理流程

5 結(jié)束語

介紹了ADS—B軟件接收機系統(tǒng)的具體設(shè)計過程，分析了設(shè)計的相關(guān)理論問題，并采用硬件平臺USRP N210與LabVIEW語言對設(shè)計進(jìn)行了驗證，實測數(shù)據(jù)表明了接收系統(tǒng)的可行性與有效性。基于軟件無線電的軟件接收機，可以利用軟件靈活的處理接收到的信號，符合未來信號接收機的發(fā)展趨勢，具有廣泛的應(yīng)用前景。