孔 杰

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都610036)

1 引 言

在民用航空領(lǐng)域,通信、尋址和報(bào)告系統(tǒng)(ACARS)是航空通信網(wǎng)(Aeronautical Telecommunication Network,ATN)的通信子網(wǎng)甚高頻地空數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)的重要組成部分[1]。ACARS系統(tǒng)是目前世界范圍內(nèi)使用最普遍的地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng),該系統(tǒng)使用面向字符與傳統(tǒng)的模擬無(wú)線電相結(jié)合的方式收發(fā)數(shù)據(jù),因其具有傳輸穩(wěn)定可靠、誤碼率低等優(yōu)點(diǎn),改善了信息的實(shí)時(shí)性和共享特性,現(xiàn)已成為保障飛機(jī)安全、正點(diǎn)、提高效率和效益的必要手段,并得到了飛速的發(fā)展。

長(zhǎng)期以來(lái),我國(guó)民航地空數(shù)據(jù)鏈技術(shù)相對(duì)滯后,大多使用美國(guó)ARINC公司的ACARS系統(tǒng),核心技術(shù)和設(shè)備主要依靠國(guó)外支持[2],成本較高。隨著國(guó)產(chǎn)大型民航飛機(jī)的建造,要求關(guān)鍵技術(shù)的自主開(kāi)發(fā)并保證系統(tǒng)的安全性[3]。本文正是基于這樣的背景,通過(guò)對(duì)ACARS系統(tǒng)物理層關(guān)鍵技術(shù)的深入研究和開(kāi)發(fā),將實(shí)現(xiàn)植入機(jī)載ACARS數(shù)傳設(shè)備的硬件中,同其他模塊和設(shè)備一起實(shí)現(xiàn)了自主研發(fā)的甚高頻地空數(shù)據(jù)鏈民航ACARS通信系統(tǒng),并應(yīng)用于工程項(xiàng)目。

2 機(jī)載ACARS通信平臺(tái)物理層組成

機(jī)載ACARS通信平臺(tái)物理層由信道單元、功放單元、終端單元等組成,終端是其中最重要的組成部分,主要完成信號(hào)處理算法、中頻信號(hào)的A/D/A變換、數(shù)據(jù)處理、管理控制以及完成與航電系統(tǒng)的接口等功能,其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 物理層終端單元組成Fig.1 Terminal architecture of physical layer

信號(hào)處理算法單元需要完成調(diào)制解調(diào)、CSMA的忙閑檢測(cè)以及信道質(zhì)量檢測(cè),是物理層的核心處理單元。ACARS通信系統(tǒng)物理層調(diào)制方式為頻率間隔25 kHz的DSB-AM/MSK;采用CSMA協(xié)議,CSMA忙閑檢測(cè)通過(guò)接收通道實(shí)時(shí)判斷信道的占用情況:當(dāng)信道為空閑時(shí),可以啟動(dòng)發(fā)射數(shù)據(jù);當(dāng)信道為忙時(shí),經(jīng)過(guò)隨機(jī)時(shí)延后,再次安排發(fā)射;信道質(zhì)量檢測(cè)是從無(wú)線信道接收到消息后,通過(guò)信道質(zhì)量檢測(cè)算法,計(jì)算信號(hào)質(zhì)量參數(shù)(Signal Quality Parameter,SQP)值并通過(guò)總線接口上報(bào)給系統(tǒng)。

3 信號(hào)算法模型及原理

3.1 DSB-AM/MSK算法模型

ACARS通信系統(tǒng)調(diào)制算法采用DSB-AM/MSK模式,將基帶數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)MSK調(diào)制到低中頻,再將此信號(hào)作為AM的音頻信號(hào)進(jìn)行模擬的二次調(diào)制,AM調(diào)制的調(diào)制度不小于85%。

MSK調(diào)制信號(hào)的數(shù)學(xué)表述為

其中,Es為符號(hào)能量,Ts為符號(hào)周期,fc為載波頻率,φ0為初始相位,令其為0。 (t,I)為相位調(diào)制,定義如下:

h=1/2為調(diào)制指數(shù)。其中:

將q(t)代入可以看出,在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻,信號(hào)相位連續(xù),以載波相位為基準(zhǔn)的信號(hào)相位在一個(gè)碼元內(nèi)線性變化±π/2;在一個(gè)碼元期間,信號(hào)應(yīng)包括1/4載波周期的整數(shù)倍,信號(hào)的頻率偏移等于1/4Ts;相應(yīng)調(diào)制指數(shù)1/2。

將此MSK信號(hào) S(t)再經(jīng)過(guò)雙邊帶調(diào)幅調(diào)制(DSB-AM):

其中,s(t)為MSK調(diào)制信號(hào),A0為外加直流分量其決定著調(diào)制度的大小,ωc為射頻載波頻率,θc為射頻載波初相。

根據(jù)上述模型,MSK/AM調(diào)制算法的原理如圖2所示。

圖2 DSB-MSK/AM調(diào)制原理Fig.2 Block diagram of DSB-MSK/AM modulator

3.2 ACARS物理層波形幀結(jié)構(gòu)

根據(jù)航空電子設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,ACARS波形發(fā)送為突發(fā)模式[4],一次發(fā)送由1個(gè)Pre-key、1個(gè)比特同步段、1個(gè)符號(hào)同步段和1個(gè)數(shù)據(jù)段組成,Prekey長(zhǎng)度可由系統(tǒng)設(shè)置,如圖3所示。

圖3 ACARS物理層波形幀結(jié)構(gòu)Fig.3 The frame of ACARS physical layer wave

4 物理層信號(hào)處理單元的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

根據(jù)信號(hào)處理算法單元的主要功能、算法特點(diǎn)以及對(duì)外接口形式,平臺(tái)的設(shè)計(jì)基于軟件無(wú)線電設(shè)計(jì)思路,采用通用的FPGA+DSP的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)形式,ACARS物理層的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案如圖4所示,該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)主要由3個(gè)部分構(gòu)成,包括發(fā)送和接收處理、CSMA忙閑檢測(cè)處理和信道質(zhì)量檢測(cè)處理。

圖4 物理層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)框圖Fig.4 The realization diagram of physical layer

4.1 發(fā)送和接收

在發(fā)端,基帶數(shù)據(jù)源由數(shù)據(jù)處理DSP組幀后送FPGA,FPGA首先進(jìn)行差分映射,前后兩個(gè)符號(hào)進(jìn)行異或處理,再經(jīng)過(guò)MSK調(diào)制,將信息數(shù)據(jù)調(diào)制到低中頻,送D/A轉(zhuǎn)成模擬音頻信號(hào),最后進(jìn)行模擬雙邊帶AM調(diào)制,產(chǎn)生甚高頻發(fā)射信號(hào)。

在收端,天線接收到射頻信號(hào)后,信道接收機(jī)經(jīng)過(guò)模擬變頻和濾波得到模擬中頻信號(hào),再經(jīng)過(guò)高速ADC帶通采樣得到數(shù)字中頻信號(hào)送FPGA,進(jìn)入FPGA的信號(hào)首先進(jìn)行數(shù)字下變頻及降速處理,然后送AM解調(diào)模塊進(jìn)行包絡(luò)檢波數(shù)字解調(diào),得到低中頻信號(hào)。此后,信號(hào)分兩路,一路送MSK解調(diào)模塊進(jìn)行解調(diào),并進(jìn)行后續(xù)的位同步、判決和解差分處理,得到基帶數(shù)據(jù)信息;另一路送信道忙閑檢測(cè)模塊,得到忙閑指示信號(hào)給數(shù)據(jù)處理DSP作為CSMA機(jī)制運(yùn)行的依據(jù)。與此同時(shí),信道接收機(jī)會(huì)給出一路包絡(luò)檢波電壓經(jīng)過(guò)低速ADC采樣后也送FPGA,作為計(jì)算SQP的輸入進(jìn)行信道質(zhì)量檢測(cè)。

4.2 CSMA忙閑檢測(cè)

CSMA提供一種無(wú)線信道的訪問(wèn)方法,在一定范圍內(nèi)避免無(wú)線信道的訪問(wèn)沖突。當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),通過(guò)CSMA檢測(cè)機(jī)制,判斷信道忙閑,然后根據(jù)一定規(guī)則發(fā)送數(shù)據(jù)。CSMA機(jī)制主要包括信道感知和無(wú)線信道接入。

信道感知是在AM解調(diào)之后,如果收到MSKAM信號(hào),經(jīng)過(guò)AM解調(diào),將得到一個(gè)MSK調(diào)制信號(hào),對(duì)此信號(hào)進(jìn)行FFT運(yùn)算,再經(jīng)過(guò)帶通濾波得到頻域信號(hào),在中心頻率處設(shè)置門限進(jìn)行比較,若大于門限則認(rèn)為有鄰近設(shè)備在發(fā)射,此時(shí)給出忙指示;若低于門限,則給出閑指示。

無(wú)線信道接入采用非堅(jiān)持CSMA算法,如果檢測(cè)出信道空閑,則發(fā)送數(shù)據(jù);如果檢測(cè)到信道繁忙,則退避時(shí)間t;退避時(shí)間t后,重新判斷信道是否為閑,如果信道空閑,則發(fā)送數(shù)據(jù)。

4.3 信道質(zhì)量檢測(cè)

ACARS物理層通過(guò)對(duì)接收信號(hào)的幅度檢測(cè)來(lái)大致推斷飛機(jī)的飛行距離,作為發(fā)送重傳及協(xié)議處理的依據(jù)[5],保證通信的暢通。

信道質(zhì)量檢測(cè)通過(guò)對(duì)變頻后的中頻信號(hào)進(jìn)行檢波及濾波處理,檢出包絡(luò)信號(hào),由此給出表征接收信號(hào)幅度PdBm的電壓值,經(jīng)過(guò)AD采樣送信號(hào)處理,信號(hào)處理通過(guò)計(jì)算得出接收信號(hào)的SQP值,SQP值分為0～15級(jí),其中0表示最差,15表示最好,計(jì)算和劃分規(guī)則如下:

4.4 驗(yàn)證和測(cè)試結(jié)果

在現(xiàn)有工程設(shè)計(jì)應(yīng)用中,根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用和專業(yè)的儀器設(shè)備對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證,并通過(guò)與國(guó)際民航電臺(tái)的互通進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸指標(biāo)的測(cè)試。

圖5為ACARS物理層DSB-MSK/AM調(diào)制發(fā)射的射頻信號(hào)通過(guò)儀器監(jiān)測(cè)得到的時(shí)域和頻域圖。

圖5 低中頻MSK及MSK-AM時(shí)頻域圖Fig.5 Low-IF MSK andMSK-AM timing/spectrum

圖6 是在實(shí)際接收過(guò)程中,通過(guò)ChipScope Pro(在線邏輯分析儀)監(jiān)測(cè)得到的DSB-AM解調(diào)后的低中頻MSK信號(hào)、基帶I/Q信號(hào)以及解調(diào)同步后的基帶數(shù)據(jù)。

圖6 接收低中頻MSK、MSK基帶 I/Q時(shí)域波形及解調(diào)同步后的基帶數(shù)據(jù)Fig.6 Low-IF MSK,MSK baseband I/Q wave and demodulated synchro baseband data

表1是本設(shè)計(jì)與國(guó)際民航電臺(tái)互通的測(cè)試結(jié)果。

表1 與國(guó)際民航電臺(tái)的互通測(cè)試結(jié)果Table 1 The test result of inter-communication with civil aviation radio

互通測(cè)試表明,本設(shè)計(jì)接收靈敏度達(dá)到民航通信指標(biāo)要求,在靈敏度范圍內(nèi),正確接收概率達(dá)到100%。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了機(jī)載ACARS通信平臺(tái)物理層的組成,重點(diǎn)對(duì)信號(hào)處理算法模型以及物理層工作原理進(jìn)行了研究,在此基礎(chǔ)上,對(duì)物理層關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)采用軟件無(wú)線電設(shè)計(jì)思想,可靠、靈活、易擴(kuò)展,資源開(kāi)銷小,冗余度高。目前,該設(shè)計(jì)已經(jīng)應(yīng)用于工程項(xiàng)目中,首次自主研制了民航ACARS通信設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了與國(guó)際民航電臺(tái)互通;該技術(shù)引入了認(rèn)知無(wú)線電理念,采用CSMA機(jī)制和信道質(zhì)量檢測(cè)機(jī)制,大大提高了通信的穩(wěn)定可靠性,提高了信息傳送的正確率;此設(shè)計(jì)可推廣應(yīng)用到高可靠民航機(jī)載通信設(shè)備的開(kāi)發(fā)中。本文的研究是針對(duì)VDL mode1系統(tǒng)物理層進(jìn)行的研究,在后續(xù)的工作中將開(kāi)展VDL mode2、VDL mode4物理層的研究,將設(shè)備的功能進(jìn)行擴(kuò)展和升級(jí)。

[1]郭旭周.甚高頻空地?cái)?shù)據(jù)鏈ACARS系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)技術(shù)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2008:2-5.GUO Xu-zhou.Research on modulation and demodulation technology of ACARS system in VHF Digital Link[D].Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2008:2-5.(in Chinese)

[2]袁樹(shù)德,曹力,鄧雪云.基于二碼元長(zhǎng)度的實(shí)時(shí)ACARS信號(hào)分析算法[J].信息技術(shù),2012(7):7-10.YUAN Shu-de,CAO Li,DENG Xue-yun.An analysis algorithm of real-time ACARS signal based on bis-code element[J].Information Technology,2012(7):7-10.(in Chinese)

[3]中國(guó)民用航空局.中國(guó)民用航空發(fā)展第十二五規(guī)劃[M].北京:中國(guó)民用航空局,2011.Civil Aviation Administration of China.The Twelfth Five-Year Plan of Chinese Civil Aviation[M].Beijing:Civil Aviation Administration of China,2011.(in Chinese)

[4]ARINC Specification 618-6,Air/Ground Character-Oriented Protocol Specification[S].

[5]ARINC SPECIFICATION 620-3,Data link ground system standard and interface-specification(DGSS/ID)[S].