基于软件无线电的ADS-B信号接收机设计*

庄子源，班 恬

(南京理工大学 电子工程与光电技术学院，南京 210094)

0 引 言

广播式自动相关监视(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast,ADS-B)是一种自动地从相关机载设备和全球导航卫星系统获取参数，并向地面设备和其他航空器广播飞机的位置、高度、速度、识别号等信息的监视技术[1]。利用 ADS-B的广播特性，只要在信号的可接收范围内就可以使用地面上ADS-B接收设备收到飞机的飞行数据，从而解码出航迹信息。对于地形复杂、人迹罕至的地区，使用ADS-B可以有效补充航迹盲区，从而保障飞行安全。ADS-B技术于1991年在瑞典Bromma机场首次成功进行演示，经过国际民航组织的大力推广，该技术已经在澳大利亚和美国有了较为成熟的研究和应用[2]。近年来，我国十分重视ADS-B技术的研究以及应用，我国民航部门根据国际标准制定了适合国情的ADS-B标准，且逐步推广ADS-B的应用[3]。

目前，传统的廉价型接收机例如RTL-SDR[4]、ADALM-PLUTO[5]等设备都是基于PC作为基带信号解调平台，设备存在便携性差、实时性差等问题；高性价比接收机[6]通用性好，但是该类接收机没有针对ADS-B信号进行设计，针对性较差；而高端型接收机例如pingStation等存在成本过高、较难维护升级的问题。为了解决以上问题，本文提出了以软件无线电技术为基础、针对ADS-B信号的无线电接收机。

软件无线电技术是以通用硬件平台为基础，以自定义软件为核心，实现无线通信系统功能的一种技术[7]。软件无线电的特点是广泛的适用性，可扩展、升级，使用该技术可以降低前端接收模块成本，提高研发效率。本文采用ADI公司的AD9361作为前端信号接收芯片，Xilinx公司的Zynq-7000作为信号处理芯片，设计了一种针对ADS-B的软件无线电接收机。

1 硬件设计

1.1 软件无线电收发系统框架

本系统的硬件结构如图1所示，AD9361与Zynq-7000通过FMC接口连接，Zynq-7000与USB接口、HDMI接口、网络接口等连接。

图1 无线电接发系统硬件结构

天线接收无线电信号至射频前端芯片AD9361，经过混频、模拟滤波、模数转换器(Analogue-to-Digital Conversion,ADC)、数字滤波等过程转换为基带信号；再将基带信号传至Zynq-7000进行数据处理，根据相应调制方式的解调算法，将基带信号解调为相应的信息；最后通过与Zynq-7000相连的外设将数据显示出来。

AD9361与Zynq-7000相连的FMC接口主要由三部分组成：第一部分是控制接口，Zynq-7000通过SPI或者GPIO对AD9361中的寄存器进行配置，从而实现AD9361内部功能；第二部分为数据接口，AD9361与Zynq-7000之间的数据通过并口进行传输，可以选择低电压差分信号(Low-Voltage Differential Signal,LVDS)或者互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)模式完成数据接收任务；第三部分是时钟、复位、电源接口，该部分主要功能是传输时钟信号、复位使能信号以及提供AD9361电源。

1.2 AD9631接收信号路设计

AD9361接收流程结构如图2所示[8]。针对ADS-B信号的特征，需要对接收路的本振、模拟滤波器、数字滤波器进行设计。

图2 AD9361接收机流程结构图

天线接收无线射频信号，将信号送至低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)进行放大，再将放大后的信号与本振(Local Oscillator，LO)进行混频，得到I、Q两路的视频信号[8]。由于ADS-B的中心频率为1 090 MHz，因此设置LO频率为1 090 MHz，对接收信号进行下变频至基带信号。降频后的基带电信号再通过两个模拟低通滤波器进行滤波处理，这两个滤波器起到降低杂散信号电平作用；之后信号通过ADC进行采样，AD9361使用的是12位的ADC；经过ADC转换，接收到的模拟信号转换为数字信号，为了满足带通采样定理，可设置本系统ADC采样率为160 MHz；而后再通过三个半带滤波器以及一个可编程FIR滤波器对其滤波，这些可编程滤波器可以限制带宽和抑制带外噪声，并在数字化后减少杂散信号。为了便于信号解调算法计算，本接收系统设置采样率为20 MHz。因此，需要通过三个半带滤波器对采样后的信号进行8倍抽取。ADI公司在Matlab上开发了AD9361滤波器设计向导程序，利用该程序可以简化FIR滤波器设置。由于ADS-B的带宽为2 MHz，为了接收更多的信号，可将FIR滤波器设置为通带4.5 MHz、阻带5.5 MHz的低通滤波器，通过滤波器设计向导程序获得滤波器系数。最后，滤波后的I、Q两路信号交织为一路信号送给基带芯片处理。

2 软件开发

2.1 AD9361寄存器配置

AD9361由SPI或者GPIO对其寄存器进行配置，一般研发人员使用SPI对其配置。AD9361内部有上千个寄存器，这些寄存器可由SPI进行读写，并控制AD9361进行工作。AD9361属于IIO设备，即工业I/O系统，该系统是专门用于数模转换器和模数转换器的子系统。为了简化开发难度，ADI公司在IIO的基础上开发了Libiio系统，使用Libiio的库函数iio_device_reg_write()对其寄存器进行读取，iio_device_reg_read()对其寄存器进行写入。

AD9361的内部器可分为四大类：一般设置和数字数据端口配置、发射端配置、接收端配置、模拟端配置。而在本系统中，只涉及信号接收过程，因此只需要对一般设置和数字数据端、接收端、模拟端三类寄存器进行配置即可。寄存器配置决定了软件无线电接收机的工作模式、采样速率、滤波器系数等一系列参数，是设计软件无线电接收机的核心步骤。

2.1.1 一般设置和数字数据端口配置

该组寄存器地址为0x000至0x05F，主要包括芯片级设置、并行端口配置、使能状态机(Enable State Machine,ENSM)设置、基带锁相环(Baseband Phase Locked Loop,BBPLL)设置等。

(1)在芯片级设置中，主要包括SPI设置、Rx使能设置、射频锁相环(Radio Frequency Phase Locked Loop,RFPLL)分频器设置。

SPI设置地址为0x000，设置值为0x00，使得SPI最高有效位，并设置SPI_DI引脚为输入引脚。Rx使能设置地址为0x003，设置值为0xDD，使能Rx通道，并使能该通道上的三级半带滤波器。RFPLL分频器寄存器地址为0x005，其后四位为Rx分频器的值。AD9361内部压控振荡器(Voltage-Controlled Oscillator,VCO)的工作范围为6～12 GHz，VCO需要通过分频器获得Rx本振频率范围。寄存器值的设置公式为

Divider Value=2(Rx VCO Divider Register+1)。

(1)

式中：Divider Value是分频器的值，Rx VCO Divider Register为寄存器0x005后四位的值。本系统所需的本振为频率为1 090 MHz，因此需要将VCO进行8分频，计算得该寄存器的值为0x12。

(2)并行端口配置主要对并行数据传输端口的速率、模式等进行设置。在本系统中，使用LVDS模式进行数据传输，设置寄存器0x012为0x10，使用LVDS差分模式。

(3)ENSM设置主要对AD9361的工作状态进行设置，AD9361有时分双工与频分双工两种模式，本系统只使用Rx路信号，因此使用频分双工模式即可，设置寄存器0x013的值为0x01置为频分双工模式。

(4)BBPLL合成器寄存器，该组寄存器地址为0x03F至0x04E。基带锁相环频率合成器用于生成所有基带相关时钟信号，包括ADC采样时钟、DATA_CLK时钟等。寄存器地址0x041后五位至地址0x044存储基带锁相环频率字，其公式为

(2)

(3)

(4)

式中：BBPLLInteger为基带锁相环频率整数字，floor为向下取整，fBBPLL为基带所需频率，fREF为参考时钟频率；BBPLLFractional为基带锁相环频率小数字，fOUT为基带锁相环真实输出值。在本系统中，信号采样频率设置为20 MHz，参考时钟频率为10 MHz。经计算可得，BBPLLInteger=20,BBPLLFractional=0，寄存器0x044的值为0x14,0x041至0x043的值为0x00。

一般设置和数字数据端口配置中还有辅助ADC寄存器设置、溢出设置等其他寄存器，本文不详细展开介绍。

2.1.2 接收端配置

该组寄存器的地址为0x0F0至0x1FC，主要包括Rx可编程FIR滤波器配置、接收强度信号指示器(Received Strength Signal Indicator,RSSI)测量配置、校准配置等。

(1)Rx可编程FIR滤波寄存器地址为0x0F0至0x0F6。0x0F1和0x0F2写Rx滤波器系数，将Matlab所得滤波器系数写入该寄存器进行配置。寄存器0x0F5对滤波器抽头、信道选择进行配置，将值设置为0x78，设置抽头数为64，使能信道Rx1。

(2)RSSI测量配置寄存器地址为0x150至0x15D。该组寄存器为测量信号接收的强度，通过RSSI数据可以判断是否接收到相应的信号。0x158对RSSI的模式进行设置，设置为0x0C,使能RSSI并初始化RSSI的测量模式。RSSI数据读取寄存器的地址为0x1A7至0x1AC，该组寄存器为只读寄存器，读取Rx链路上RSSI的值。

(3)校准寄存器，包括正交校准寄存器、相位校准寄存器、增益校准寄存器等。该部分校准寄存器数量较多，一般使用默认值即可，在此不做详细说明。

2.1.3 模拟端配置

该组寄存器地址为0x230至0x3F6，主要包括Rx合成器寄存器设置、数字测试寄存器设置等。

(1)Rx合成器寄存器是该组寄存器中最重要的部分，主要包括VCO频率字设置、VCO校准设置等。

VCO频率字设置寄存器，该组寄存器地址为0x230至0x235。VCO频率字设置器用于为RF信号路径生成需要的LO信号，频率合成器融入了集成式的VCO和环路滤波器。在寄存器地址0x0231和0x0232地址后三位中VCO字的11位整数字，0x233至0x235存储23位小数。VCO字的计算公式为

(5)

(6)

式中：NInteger为整数字，floor为向下取整，fRFPLL为所需本振频率，fREF为参考时钟频率10 MHz，NFractional为小数字，Round为取小数。由于ADS-B信号的射频频率标准值为1 090 MHz，经计算NInteger为109，NFractional为0，因此寄存器0x231的值为0x6D，寄存器0x232至0x235的值都为0x00。

2.2 信号解调算法

本系统的信号解调算法如图3所示。

图3 报头检测流程图

首先对信号的报头进行检测，接收采样信号，使用公式(7)先对接收数据N求算数平均后计算得噪声基底，再乘以经验值λ得到门限值MTL。

(7)

搜索超过门限的第一个采样点，若下一个超过门限的采样点与第一个采样点的距离小于2 μs，则认为这两个点“连续”。当一段“连续”的采样点集中，第一个点和最后一个点的距离大于54 μs时，将该组信号送入互相关检测。将标准报头序列xn设置为[1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1]，潜在信号段yn与标准报头序列xn使用公式(8)进行互相关计算，N为序列长度。

(8)

设置门限为比噪底幅度高6 dB的值，当互相关值高于此门限时，搜索第一个满足门限的峰值，并检查此处接下来3 μs是否存在更大的峰值，若不存在，则取此处为消息数据起始位；若存在，则取更大峰值处的位置为消息数据起始位。寻找到报头后，取出潜在信号段，根据所设门限MTL，将潜在信号处理为0-1信号。完成0-1处理后，对潜在信号的报文部分进行循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check,CRC)校验，若信号通过CRC校验，则对报文进行翻译；反之，结束信号解调[9]。

3 系统测试与验证

3.1 接收机性能与模拟接收测试

图4为本系统测试验证图，图4(a)为系统实采运行图，天线接收信号至系统处理，完成解调后将信息通过HDMI至显示器显示；图4(b)为系统性能测试图，信号发生器产生不同幅度的射频信号输入至系统，使用OscilloScope软件观察信号时域、频域变化，完成对接收机性能测试[10]。

图4 无线电系统测试

经测试，接收机带宽(Bandwidth,BW)为4 MHz时，可以接收幅度为-98 dBm的射频信号，测得接收机灵敏度为-98 dBm。在信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)为10 dB时，根据公式(9)，推导系统的噪声系数(Noise Figure,NF)约为4 dBm。

Smin=-174+NF+SNR(d)+10×lg(BW)。

(9)

无杂散动态范围(Spurious Free Dynamic Range,SFDR)计算公式[10]为

(10)

式中：接收机的输入三阶交调截点IP3为8.16 dBm[15]，灵敏度为-98 dBm，信噪比取10 dB。计算得接收机无杂散动态范围约为65 dB。

使用模拟ADS-B信号发射器发送不同信噪比的模拟信号至系统解调，得到信噪比与检测概率如图5所示。在信噪比为10 dB时，有接近100%的检测概率；在信噪比为6 dB时，有超过60%的检测概率。

图5 模拟ADS-B信号的检测概率

3.2 实际信号接收及分析

为了验证本系统在接收实际信号时的状况，在北纬32.1°、东经118.51°进行信号实采。图6(a)为一段实际接收的数据信号，经解调本段信号中有一组信号为报文段有56位的短报文ADS-B信号，如图6(b)所示;图6(c)为经算法处理完的0-1格式信号。按照1090ES ADS-B报文标准对其翻译：报文1～5位下行格式段为01011，表示该组信号为56位短报文信号；6～8位接收机性能段为101，表示该飞机在空中且有通信能力；9～32位为飞机航班的国际民航组织序列号(International Civil Aviation Organization,ICAO)，将24位二进制ICAO号转换为6位16进制ICAO号，得到该飞机的ICAO号为780E40，经查询该航班是南方航空公司一班由沈阳飞往南京的飞机；33～56位为CRC校验段。经计算，该段信号的信噪比约为4.4 dB，此结果表明，本系统可以在实际应用中接收并解调ADS-B信号。

图6 ADS-B实采信号

3.3 接收机比较

与目前已有的ADS-B接收机相比，本系统在便捷性、可靠性、成本等多方面存在优势。与廉价接收机RTL-SDR相比，本系统无需PC端支持，便携性更好，灵敏度更高；与高性价比接收机ADALM-PLUTO相比，本系统可以对ADS-B信号进行实时监测；与高端产品pingStation相比，本系统在灵敏度、动态范围相似的情况下，成本更低，性价比更优。

4 结束语

本文提出了一种针对ADS-B信号的软件无线电接收机的设计方案，详细阐述了硬件设计和软件开发过程，以及AD9361寄存器配置方案。通过测试验证，系统成功接收解调信噪比为4.4 dB的ADS-B实采信号。由以上结论可得，本系统能可靠地应用于实际信号监测中。

本系统所采用的算法仍有改进空间，但在以后的研发中，只需要对系统应用层软件算法程序稍加修改，即可完成系统的升级工作，这将大大提高研发效率，降低设备研制的综合成本。与已有的无线电接收机相比，本系统灵敏度更好，动态范围更大，具有ADS-B信号针对性，且易于搭建和升级。综上，本系统是一款可以面向市场应用的ADS-B信号接收系统。