基于1090ES的ADS-B信號接收處理設備設計

楊維波，何曉，趙強

（成都西科微波通訊有限公司，四川成都，610072）

0 引言

ADS-B(廣播式自動相關監視，Automatic Dependent Surveillance-Broadcast,)是一種基于全球衛星定位系統和空對空、地對空數據鏈通信，集通信、衛星導航和監視技術于一體的航空器運行監視技術。由于國際民航組織（ICAO）的推動，ADS-B已是新一代空中交通管理系統重要組成部分。

目前有3種數據鏈供用戶選擇：基于異頻雷達收發機的1090ES 數據鏈的S模式、模式4的甚高頻數據鏈（VDL-4）、通用通路異頻雷達收發機（UAT）【1-2】、。其中國際民航組織推薦使用的1090ES是全球可互用ADS-B地空數據鏈。

近年來，國內關于1090ES接收機的開發與應用有諸多介紹【3-4】。本文介紹了基于1090ES一次變頻的超外差變頻及中頻數字化接收處理設備一種設計。

1 信號格式

1090ES的信息格式是簡單的脈沖編碼，如圖1所示，分別由8uS的前同步脈沖串和112uS的數據脈沖構成長應答信號格式。

圖1 1090ES脈沖格式

前同步脈沖是由起始的8uS內兩組0.5uS寬的脈沖對組成。數據脈沖是由脈位調制的，其脈位位置隨著調制信息的二進制數而進行變化,所有脈沖的幅度和寬度是不變的。每位1uS間隔的前半周0.5uS內有脈沖時，可見邏輯電平為1；每位的后半周0.5uS內有脈沖時，可見邏輯電平為0。

1090ES的112bit數據部分應用DF17格式，包含有5個主要任務字段，詳見圖2。有圖2可見5bit格式描述符為第一個字段，1090ES則為固定值17（十進制數）；3bit的設備能力（CA）為第二個字段，描述了設備的數據傳輸能力；24位的設備唯一地址碼（AA）為第三個字段；56位消息信息（ME）為第四個字段，即設備的速度、呼號、位置等信息；24位PI信息為第五個字段，它提供奇偶檢驗和CRC檢驗，用于糾正錯誤檢測。

圖2 1090ES DF17格式任務字段

2 詳細設計

接受處理設備內部原理框圖，如圖3所示。設計時考慮到提高設備集成度和增加便攜性，采用一體化設計，將GPS/北斗天線、射頻信號接收天線、GPS/北斗接收模塊、射頻接收組件、信號采集處理模塊、電源模塊等功能模塊全部集成在一個機箱中。

圖3 接收處理設備原理框圖

如圖3所示，1090ES信號被天線接收后進入射頻接收組件。射頻接收組件采用采用一次變頻體制，將射頻信號下變頻到70MHz中頻，輸出到信號采集處理模塊。信號采集處理模塊對中頻信號進行高速ADC采集、脈沖信號檢測和脈沖參數測量，輸出全脈沖參數（PDW）。

GPS/北斗接收模塊與天線一同完成設備的高精度授時和自定位。

接收處理設備通過千兆以太網接口與系統上位計算機進行數據通信，系統可通過該網口實現對設備的控制、狀態監視和數據讀取。

2.1 射頻信號天線設計

接收天線由4個背腔偶極子單元以及對應的功分網絡組成。背腔偶極子天線單元結構簡單，饋電方便，定向性較好，工作帶寬較寬。功分器網絡用于背腔偶極子單元的饋電以及幅度加權，達到降低俯仰面副瓣電平的目的。另外合理的幅度加權還可以達到擴展天線波束寬度的目的。

該天線波束寬度特性為方位向≥100°，俯仰≥20°。

2.2 射頻接收組件

射頻接收組件的原理框圖如圖4所示。射頻接收組件采用一次變頻接收體制，集成了1個獨立的變頻通道和1個獨立的本振源。

圖4 射頻接收組件原理框圖

1090MHz信號首先經過限幅、帶通濾波器，分別對大信號信號進行限幅、帶外信號與鏡頻信號進行抑制，再下變頻到70MHz中頻。經窄帶濾波后，再經過一個幅度校正衰減器后通過中頻放大器放大，最后通過一個低通濾波器后輸出給信號采集處理模塊進行采樣處理。

2.3 信號采集處理模塊

信號采集處理模塊的原理框圖如圖 5所示。信號采集處理模塊主要功能是實現信號采集及信號處理。模塊使用高速ADC對中頻信號進行采集，信道化為中頻數據，并對其進行處理分析得到脈沖描述字（PDW，包含脈寬、幅度、到達時間、時標等信息），再通過網絡接口傳輸至上位機。信號采集處理模塊的核心控制器為FPGA，負責信號采集、信號處理、射頻通道控制等。MCU主要實現對內和對外的各種接口，MCU內置嵌入式Linux操作系統，可靠性高，可長時間穩定工作。

圖5 信號采集處理模塊的原理框圖

3 關鍵指標分析

3.1 工作靈敏度

可以根據接收通道主要部件噪聲系數、AD器件的噪聲系數增和益分配數據，利用噪聲系數級聯計算公式計算出接收支路總的噪聲系數NF=2.57dB。

數字接收機接收靈敏度公式見下式：

接收信號帶寬為B=8 MHz,信號處理正確解碼要求的信噪比為SNR=13dB，則接收工作靈敏度Prmin為-89.39dBm，滿足要求設備工作靈敏度優于-87dBm的要求。

3.2 偵收距離

在通視條件下，接收機的最大偵收距離計算公式如下所示：

目標發射功率Pt為500W，目標發射天線副瓣增益Gt為0dBi，偵收設備接收天線主瓣增益Gr為10dBi，目標信號頻率為1090MHz，大氣損耗L為0dB，偵收設備接收靈敏度Prmin為-87dBm，可計算在通視條件下的偵收距離R為1096Km，滿足指標優于500Km的設計要求。

4 結束語

本文介紹了一種基于1090ES的ADS-B信號接收處理設備的設計方案，并已在工程中得以應用。經實際測試，設備的接收靈敏度、偵收距離都優于指標要求。

設備采用了一體化設計，將功能單元集成為一體。在使用時可以安裝固定在三腳支架上，也可以使用抱箍等安裝附件進行上墻上桿安裝。設備具有結構緊湊、架設和拆卸方便、可靠性高等特點，具有廣泛的應用前景。