飞机自动相关监视信号接收系统设计*

吴凯峰， 宋 东， 刘柏兵， 李 哲， 钟昊天

(西北工业大学 航空学院，陕西 西安 710072)

0 引 言

传统的接收机大多采用专用集成电路技术具有可扩展性差、算法无法升级及产品更新换代的时间较长的缺点。随着软件无线电理念的产生与技术的不断发展，软件接收机逐步取代传统接收机，运用于各种类型信号的接收。软件接收机充分发挥了软件无线电的思想—硬件软件化，将数字信号处理模块整体交由软件来处理，使接收机研发过程中对灵活性的要求得到最大限度的提高。

本文设计的广播式自动相关监视(automatic dependent surveillance-broadcast,ADS—B)软件接收机系统，包括确定软件无线电的采样结构与数字前端结构及对采样频率与数字下变频参数的分析，并设计了相应的软件处理模块。为了证明设计的软件接收机系统的可行性，利用通用软件无线电平台(universal software radio platform,USRP)及图形化语言LabVIEW对设计验证，进行实际的ADS—B信号接收，实验结果证明了设计的ADS—B软件接收机系统的有效性。

1 ADS—B信号接收模型

1.1 1090ES模式ADS—B信号格式

1090ES(1 090MHz S模式扩展电文数据链)是一种基于S模式应答机的技术，采用频率为1 090MHz。ADS—B消息数据块格式采用脉冲位置调制(pulse position modulation,PPM)编码，在每一个被传输的脉冲前半部分为1，而后半部分为0，其中一个完整的ADS—B信号由8 μs的前导报头脉冲和112 μs数据信息位脉冲组成，如图1所示。

图1 ADS—B信号格式

1.2 ADS—B信号接收机原理模型

设计的ADS—B接收机系统原理模型分为硬件部分(模拟部分与数字前端)与软件部分(数字后端)，其接收系统原理模型如图2所示。

图2 系统原模型

2 硬件方案

2.1 软件无线电采样结构方案

为了在实现需求的前提下保持较低的系统复杂度，选择低中频接收结构作为软件无线电接收前端,其结构如图3所示，作用为实现信号的正交下变换，用于射频接收端第一级变频，等效于x(t)e-jωLOt=x(t)[cos(ωLOt)-jsin(ωLOt)]。

图3 低中频接收结构

2.2 接收机通道数字前端方案

首先对射频模拟信号或者中频信号通过A/D转换器进行数字化，然后采用数字下变频和多速率数字信号处理技术，对信号进行频率变换、滤波、抽取等处理，将感兴趣信号分离和提取出来，并将采样速率降低到较低的速率，送到基带信号处理单元对感兴趣的信号进行后续处理。本文采用适于设计的基于数字混频正交变换的数字下变频。正交数字下变频法主要有数字混频器、数字控制振荡器(numerically controlled oscillator,NCO)和数字滤波器3部分组成，如图4所示。

图4 数字下变频器的组成

其前部分作用：将采样后的复信号混频下变频，用于二次变频，数学原型为

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

(1)

使频谱向下搬移ωc，去掉中频，将有用信号最终搬移到基带。

数字滤波器采用多级数字滤波器，并将结构简单、无须乘法运算的积分—梳头级联(cascaded integrator-comb,CIC)滤波器作为第一级滤波器，将设计复杂度高、幅频特性好的有限长单位冲击响应(fininte impulse response,FIR)滤波器作为最后一级滤波器。通过数字滤波器滤出的感兴趣信号，依次经过一定整数倍的抽取，数据得到降低，再传给之后的模块进行处理。

2.3 中频A/D采样速率及抽取参数分析

1090ES模式的ADS—B信号的码元速率为1 Mbps，消息数据块格式采用PPM编码，调制方式是二进制振幅键控(2ASK)，工作频率为1 090 MHz。根据2ASK信号带宽B2ASR为基带信号带宽的2倍，而归零波形基带信号的带宽为Bs=1/τ，τ=0.5 μs为ADS—B信号的电脉冲宽度，故在只计谱的主瓣时，带宽为4 MHz，为了留一定余量，及增强抗干扰性，取B2ASK=6 MHz。

2.3.1 带通采样

根据奈奎斯特采样定理，对中频带通信号，取带宽为B，只要取fs≥2B的某些值，即可保证信号频谱不重叠。在实际应用中，AD采样前需要加抗混叠带通滤波器(band-pass filter,BF)，以消除带外噪声带来的频谱混叠。采样速率由式2fH/n≤fs≤2fL/(n-1)确定。其中，fH为信号的最高频率,fL为信号的最低频率,n为整数，其取值范围为2≤n≤fH/(fH-fL)。

采样速率的确定：取中频为fo=60 MHz，B2ASK=6 MHz，则fH=63 MHz，fL=57 MHz，可得126/n≤fs≤114/(n-1)，fs越低，采样后频谱的间隔越小，抗混叠带通滤波器实现越困难。故在ADC满足的情况下，尽量取较大的采样速率。本文取采样频率为100 MHz，一方面避免了由于滤波器的不理想而产生的混叠，另一方面可以增大中频的选择范围，及最多可以处理带宽为40 MHz的中频信号，为以后的工程改进与实现增加了灵活性。

2.3.2 信号的整数倍抽取

为了降低后面的信号处理的数据吞吐量，减少解码算法的计算量，加快信号的处理速度，需要在不使信号失真的前提下，对A/D采样后的ADS—B信号进行整数倍抽取。设原始采样速率为x(n)，抽取倍数为D，则抽取后的新序列为xD(m)，即xD(m)=x(mD)=x(mD)，m=0,±1,±2,…,其中D为正整数。1090ES模式的ADS—B接收机中，ADS—B信号经过PPM编码后，码元速率为2 Mbps，考虑到软件处理部分需要1个码元5个采样点，使输出速率为10 Mbps，故在数字下变频通道结构中，通道的抽取倍数为10。

2.4 接收机通道结构总体方案

最终的接收通道的设计方案结构如图5所示。

3 软件处理模块

根据1090ES ADS-B信号的特点，ADS—B接收系统软件处理模块可以分为报头检测模块与数据位处理模块。其中报头检测模块包括：脉冲检测模块、脉冲位置(VPP)检测模块、上升沿位置(LEP)模块、边沿信号(DF)检测模块、报头初始检测模块、交叠测试模块、参考功率计算模块及功率一致性检测模块；数据位处理模块包括：数据位判定模块、检错纠错模块及信息解码模块。各模块的主要功能如下：

1)脉冲检测模块：对输入数字幅度信号进行分析，检测出VPP和LEP符合要求的脉冲。

2)VPP检测模块：比较VPP信号与标准报头，判断在0，1，3.5，4.5 μs处是否存在有效位置，结果作为报头初始检测模块的输入之一。

3)LEP检测模块：比较输入的LEP信号与标准报头，判断在0，1，3.5，4.5 μs处是否存在上升沿信号，且在这4个时间点上存在上升沿的个数是否不小于2，结果作为报头初始检测模块的输入之一。

4)DF检测模块：判断在 8.5，9.5，10.5，11.5，12.5 μs位置上是否存在边沿信号，若有不少于4个沿变化，代表此处存在PPM 编码的数据。DF检测是为了确定后面的数据位的脉冲未被污染。

5)报头初始检测模块：以VPP 检测模块、LEP 检测模块、DF 检测模块检测结果为输入信号，若同时满足，则通过报头初始检测；反之，不通过。

6)交叠测试模块：解决可能出现的多个S模式报头交叠的现象。

7)参考功率计算模块：计算出此报头的参考功率，用于数据提取以及置信度的判断等。

8)功率一致性检测模块：为了在确定报头无交叠污染的情况下也没有自身的报头功率缺损，其方法为取得4个报头脉冲的平均值，与参考电平进行比较，如果其差值在+3 dB之内，则进行下一步检测。

9)数据位判定模块：与参考功率进行比较，获取数据位上的代码信息，得出二进制编码形式下为1或者0及各数据位的置信度。

10)检测纠错模块：对所得到的二进制编码进行检测，判断是否错码，若发生错码，且错码数不超过5时对置信度低的数据位进行误码纠错。

11)信息解码模块：对接收到信号进行相应解码，获得信号中所包含的信息。

软件模块处理流程如图6所示。

4 基于USRP N210与LabVIEW接收机实现与数据分析

试验主要设备为一台USRP N210设备和一台普通的台式电脑。软件采用LabVIEW。试验过程中，进行了多次短暂的ADS—B信号接收，其中一次接收的部分结果组成为：最前面6位数据代表ICAO码；紧靠近ICAO码的是接收到的ADS—B信息类型；之后的数据为该信息类型所对应的信息。分析结果的具体数据可知，数据在时刻变化，且数据量的变化符合飞机实际的飞行情况。为了证明数据的真实性，通过ICAO码的查询，确定了相应航班在时间上的符合。

图6 软件处理流程

5 结束语

介绍了ADS—B软件接收机系统的具体设计过程，分析了设计的相关理论问题，并采用硬件平台USRP N210与LabVIEW语言对设计进行了验证，实测数据表明了接收系统的可行性与有效性。基于软件无线电的软件接收机，可以利用软件灵活的处理接收到的信号，符合未来信号接收机的发展趋势，具有广泛的应用前景。