基于码元相关的S模式询问信号解调算法

赵峙岳，李洪鑫，王正伟，刘志刚

(四川九洲电器集团有限责任公司，四川 成都 610000)

0 引言

二次雷达A/C模式支持的飞机数量有限，当飞机数量增加到一定程度时，容易出现相互干扰及多径影响严重等问题，逐步被先进的二次雷达S模式协议所取代，并被国际民航组织接受，作为二次监视雷达的行业标准[1-2]。S模式具有以下优点：① 采用单脉冲和选择寻址技术,对飞机地址进行点名呼叫，可正确识别目标，只有对应地址的目标才会应答，从而有效减少应答信号之间的混扰[3]；② 具备数据链功能，可以传送更多的有效信息；③ 具备数据校验功能，保证数据准确性，可应用于地面站与空中目标的数据链通信[4]，目前已经被广泛的应用于空中交通管制、多点定位和敌我识别等多个领域[5-6]。

S模式采用ASK，DPSK混合调制方式，其中DPSK通过相位翻转180°实现二进制编码。目前常用的DPSK解调方式包括：正交解调[7-8]、差分解调[9]、基于DFT的解调和基于互谱分析[10-11]的DPSK解调等，其中差分解码较为简单，但性能较差，其他算法涉及载波同步和定时提取等复杂工作，性能受频偏和同步的影响较大[12-13]。本文提出一种对频偏和载波同步不敏感的DPSK解调方法，避免了载波同步等复杂过程，同时实现了较高的解调性能。

1 算法研究

基于码元相关的S模式DPSK信号解调算法实现流程如图1所示，主要由数字正交分解DDS、低通滤波LDF、码元相关、前导脉冲检测、位同步及码元解码输出等功能模块组成[14]。与传统的DPSK信号解调算法相比，无需载波同步和恢复功能设计。

图1 解调算法实现流程

1.1 码元相关模块

假设接收机接收中频信号为S(t)=Am*m(t)cos(2π(fc+Δf)t+φ)，其中，Am为信号幅度；m(t)为DPSK基带调制信号；fc为信号载波；Δf为载波频偏；φ为载波相位不同步相位差。假设本地I、Q载波频率分别为cos(2πfct)，sin(2πfct)，经过DDC下变频后产生I，Q两路信号，则I，Q信号分别为：

分别针对I，Q信号低通滤波，生成滤波后的I，Q信号分别为：

为了解决这个问题，本文设计了一个码元相关器，码元相关器由移位寄存器组成，其移位寄存器的大小为2倍码元宽度，假设AD采样频率为80 Mpbs，S模式询问信号DPSK信号长度为0.25 μs，则移位寄存器大小为40,移位寄存器设计如图2所示。

图2 移位寄存器设计

将滤波后的I，Q两路信号分别送入移位寄存器，将前后码元进行累积求和处理，假设第一个码元值为m1，第二个码元值为m2，一个码元采样点数为20，前后码元(0.25 μs)相乘再相加。

则I路数据相关累积求和后的结果为：

则Q路数据相关累积求和后的结果为：

则I，Q信号合成相位反转信号；

由上式可知，相位翻转信号与载波相位φ及载波频偏无关，只与前后码元相关累计求和相关，该处理方法可以很好解决载波同步和频偏的问题。

1.2 前导脉冲检测以及位同步

由S模式波形[15]可知，S模式询问信号由P1，P2，P5，P6等脉冲组成，如图3所示。

其中P1，P2为等幅前导脉冲，前导脉冲宽度为0.8 μs，脉冲间隔2 μs；P5是在P6信号上覆盖的旁瓣抑制信号，在时间上与“同步相位翻转”重合，用来掩蔽P6的“同步相位翻转”点，如果P6“同步相位翻转”被P5覆盖，S模式应答机将不会在P6的“同步相位翻转”点检测到信号，因此不会对旁瓣信号进行应答。P6前1.25 μs为ASK调制等幅度脉冲信号，1.25 μs时产生等幅180°倒相，用来同步应答机数据解调的时钟信号，实现位同步功能。传输数据采用了DPSK调制方式，相位翻转点之间的间距为0.25 μs，数据率为4 MHz。因此，经过码元相关器后，相位翻转信号需要通过前导脉冲检测和位同步实现S模式询问信号精准检测。

前导脉冲经过码元相关器后P1，P2，P6脉冲的间隔(位置、上升沿、下降沿)不变，脉冲的宽度稍微变窄[16]。前导脉冲检测主要包含：P1，P2，P6脉冲上升沿检测、P1，P2脉冲下降沿检测、P1，P2脉冲位置匹配和P1，P2，P6脉冲宽度匹配。为了适应模式A，C等脉冲重叠在前导脉冲仍然可以实现S模式询问信号的检测，P1，P2只要求检测到上升沿或者下降沿。由P1，P2的脉冲幅度输出参考电平，实现“同步相位翻转”点的判断。

由码元相关器输出的“同步相位翻转”点呈现“V”型，通过前导脉冲检测实现“同步相位翻转”点初始区域判断，通过区域极小值搜索实现位同步，通过仿真，位同步点的绝对值大于等于0.7倍P1，P2的脉冲幅度输出参考电平时，应答机处于主瓣询问范围内应该根据所处条件进行应答；当小于0.7倍P1，P2的脉冲幅度输出参考电平时，应答机处于旁瓣询问范围内或者未检测到位同步信号不予应答。

1.3 码元解调输出

通过位同步，对码元累积求和的值进行抽样判决，输出码元信息，实现S模式询问信号信息的解调。前后码元相关累积求和如图4所示，可以看出，DPSK信息的解码与m1，m2的符号无关，只与m1，m2码元是否变化有关。当判决点为小于零时，存在相位翻转，其解调值为1；当判决点为大于零时，不存在相位翻转，其解调值为0。

图4 前后码元相关累积求和

2 性能评估

2.1 载波验证

针对码元相关器的工作过程在Matlab仿真软件进行仿真，仿真效果如图5所示。

图5 S模式相位翻转信号

图5左边为DDC下变频的I，Q两路信号，右边为经过码元相关模块形成的相位反转信号，虽然I，Q两路相位相反、幅度不一致，但经过码元相关模块后，形成相位波形一致的I，Q两路相位反转信号。同时，通过改变载波相位差，进行反复验证，I，Q合成的相位反转信号不变，验证相位翻转信号与φ载波相位无关。

2.2 频偏测试

通过更改DDC下变频的频率，将频率偏移2，5，10，250 kHz，对本文提供的方法进行抗偏移测试验证。在不同频偏下I，Q以及合成相位反转信号变化如图6所示。可以看出，随着频偏越大，其I，Q两路信号变化剧烈，但其合成相位反转信号基本不发生变化，证明本文提供的方法具备较好的抗频偏性能。

图6 不同频偏下I，Q以及合成相位反转信号变化

2.3 性能仿真

在S模式询问信号信号带宽为8 MHz工作时，假设信道噪声系数为4 dB，可以计算出接收机底噪为-101 dBm。通过蒙特卡罗仿真，S模式询问信号接收功率从-96 dBm以2 dBm为步进逐步增加，S模式询问信号正确解调概率统计曲线如图7所示。

图7 S模式询问信号解调概率

可以看出，接收功率为-90 dBm的情况下能够保证90%解调概率，远优于国际民用航空公约规定的6 dB的指标，具备较优的工程实践意义。

3 结束语

本文提供了一种基于码元相关的S模式询问信号解调算法，是一种新的S模式信号解调方法。由理论推导和仿真结果可知，该方法不涉及复杂运算，在载波相位不同步以及不同频偏的情况下可以正常工作，因此可以避免载波恢复的运算过程，并具备较好抗载波频偏性能，易于工程实现，拥有较高的灵敏度，对于S模式询问侦收检测的研发具有积极的推动作用。