S模式应答机中频数字信号处理方法研究

吴秀明，贺星

（中电科西北集团有限公司西安分公司，西安 710068）

0 引言

机载S模式应答机是在传统A/C模式应答机的基础上发展而来，采用选择寻址二次监视雷达系统的机载设备，它既可以回答现行的地面二次雷达的询问信号，也可以对新的选择寻址二次监视雷达系统得询问信号做出应答。

随着空中交通的迅速发展，空域中飞行器密度的增加和地面询问站数量的增加，对于S模式应答机的数据处理能力提出了更高的要求。本文着重介绍了 S模式应答机中频数字信号处理的实现方法，通过对传统锁相环的 DPSK解调算法的研究分析，提出了快速载波频率捕获的DPSK解调算法，并在Matlab建模仿真及FPGA硬件平台实现，验证了该方法的可行性。

1 S模式询问信号格式

S模式询问信号的射频为1030MHz，采用PAM调制方式，信号格式如图1所示。

其中，P1、P2为 0.8μs的脉冲信号，间隔 2μs，采用脉冲幅度调制，兼容A/C模式，P6脉冲采用差分相移键控（DPSK）调制方式，数据长度为56bit或112bit。 P5脉冲为S模式旁瓣抑制信号，可能覆盖在离P6同步倒相位置两边的0.4μs的间隔内。在所有的仅S模式全呼叫询问中，当扫掠波束不正对目标时，P6才可能被P5所覆盖。P6中的同步倒相位置被 P5覆盖时，在所要求的时间间隔中，应答机将不会在同步倒相位置上检测到触发信号，故应答机不作答。

图1 S模式询问信号示意图（单位：μs）

2 中频信号处理流程

1030MHz的射频信号经过射频前端高频数字信号处理，下变频为70MHz的中频信号作为S模式询问信号，根据欠采样定理，选取 40MHz频率对中频信号进行采样，再根据A/D转换对信号频谱的搬移情况，容易得出最靠近零频的中心频率为10MHz；幅度解调模块对采样信号进行低通滤波及整流处理，输出S模式询问信号的包络；前导脉冲检测模块通过实时检测脉冲宽度和幅度判断脉冲的有效性，识别有效脉冲，若检测到有效的S模式前导脉冲及P6脉冲上升沿，则启动DPSK解调模块。S模式中频信号处理的流程如图2所示。其中DPSK解调算法模块是中频数字信号处理的核心，本文将在第3节重点介绍。

3 DPSK解调算法对比研究

3.1 传统的DPSK解调算法原理

S模式的数据传输采用DPSK调制方式，该调制方式是用前后相邻码元的载波相对相位变化来表示二进制信息的一种调制方式。解调方式分为相干解调和非相干解调，本文采用相干解调的方式对S模式数据进行解调，解调的难点在于载波恢复电路的设计。一般我们希望提取的本地载波和接收信号的载波能够保持同频同相，但是实际上无论用何种方法，由于电路参量及噪声的影响，直接提取出的载波总是会和接收信号存在一定的频差。工程上通常采用Costas环路法提取同步载波，该方法基于锁相环原理，使用相乘器和较简单的低通滤波器实现。具体工作原理如图3所示。

图2 S模式中频信号处理流程

输入信号分别与本地振荡器（数字电路中指DDS）产生的相互正交的两路信号即同相支路I路和正交支路Q路相乘。相乘后的两路信号分别经过相同性能的低通滤波器输出到鉴相器。环路滤波器除了完成对鉴相器输出的相差值的调整以外还起到低通滤波的作用。DDS在环路滤波器输出的误差电压的控制下调整其输出频率使其最终与输入信号频率一致进而完成整个环路的锁定。通过对Costas环路的Matlab仿真分析，Costas环完成频率捕获所需要的时间受环路系数、初始频偏及噪声的影响。当输入信号的初始频差比较大时，环路进入锁定状态将会耗费大量的时间。

由第1节S模式二次雷达询问信号格式可知，其数据由前导加数据信息组成，为了解调正确的数据信息，环路必须在前导头完成载波频率捕获，使环路达到锁定状态。而S模式二次雷达突发性询问信号前导检测到正确的载波频率锁定只有1.25μs，传统方法无法保证在前导头规定时间内完成频率捕获，这可能导致解调输出误码率较大。基于上述分析，本文提出一种载波频率快速捕获的DPSK解调算法。

图3 传统DPSK解调算法原理

3.2 载波频率快速捕获的DPSK解调算法

假设单载波输入：

本地：

通过计算S模式P6脉冲1.25μs前导头的10个采样点进行差积点积运算后通过反正切计算出本地载波与输入信号频率的差值，最后计算 10个点的均值。将计算出来的频率差反馈给DDS，便使得本地载波频率向输入信号频率靠拢达到一致。

设ID、QD是上一个周期的I、Q支路滤波器输出值，IP、QP是本周期的I、Q支路滤波器输出值。

首先进行差积点积运算，有：

计算反正切：

计算频差：

将计算的频差fΔ反馈到DDS模块即完成载波频率的捕获。

4 仿真结果及实现

4.1 Matlab建模仿真

采用10位的A/D芯片，采样速度40MHz对中频信号进行采样，通过在Matlab上建模，对S模式应答机中频信号处理方法进行仿真和验证，图4为S模式询问信号的产生及中频处理仿真图，其中（a）为S模式70MHz中频的原始数据；（b）为幅度解调后的信号包络；（c）为DPSK解调信号。

图4 S模式询问信号的产生及中频处理仿真图

图5 中频信号处理模块ModelSim仿真图

4.2 FPGA硬件实现

FPGA板采用XILINX的Virtex4_XC4VLX80_FF1148型芯片，FPGA资源占用率不超过40%，满足系统要求。图5为中频S模式询问信号的接收及解调处理模块在ModelSim中的仿真结果图。数据源din是按照40MHz的A/D采样的10位精度数据，abs_din是对数据源通过整理电路后的信号，对整流信号进行低通滤波输出LPF_OUT信号。dout_1为相对码的电平信号。可见，中频S模式询问信号源经过中频DPSK解调算法处理模块后可以完整的输出的基带的S模式询问信号信息。

5 小结

本文主要介绍了S模式应答机中频数字信号的处理过程，提出一种针对S模式应答机信号格式的载波频率快速捕获算法，与传统方法相比，明显提高了S模式应答机的解码精度和运行效率。该方法已经在工程应用中实现，满足S模式应答机性能指标要求，取得了满意的应用效果。