楊 松

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

一種針對民航通信信號的解調(diào)算法

楊 松

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

針對民航通信信號的調(diào)制方式，介紹了該信號的傳統(tǒng)解調(diào)算法，同時指出了傳統(tǒng)算法存在的缺陷。針對傳統(tǒng)算法存在的不足，提出了一種新的信號解調(diào)算法，即在最小頻移鍵控（MSK）信號解調(diào)中，先進(jìn)行碼元同步，進(jìn)而提取出每一個碼元周期內(nèi)的采樣點(diǎn)序列，然后根據(jù)采樣點(diǎn)序列的特征完成每一個碼元的符號映射，從而實(shí)現(xiàn)解調(diào)。該算法很好地解決了傳統(tǒng)算法存在的問題，并且在性能上也優(yōu)于傳統(tǒng)算法。

民航通信信號；MSK調(diào)制；解調(diào)；波形

0 引言

在航空業(yè)日益發(fā)達(dá)的今天，地空之間大量信息、數(shù)據(jù)的交換對實(shí)時通信能力提出了新的、更高的要求。民航通信系統(tǒng)是近年來新發(fā)展起來的民航專用通信系統(tǒng)，它最大的特點(diǎn)是傳輸可靠性高，特別適合于地空之間的信息通信和數(shù)據(jù)傳輸，并得到了航空界的一致認(rèn)可，具有極大的實(shí)用價值。該系統(tǒng)的調(diào)制方式比較特殊［1，2］，目前針對這種調(diào)制的解調(diào)算法也不少［3－7］，其中最為常用的算法——稱之為傳統(tǒng)算法，在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的問題；新的解調(diào)算法可以很好地解決這個問題，并且實(shí)現(xiàn)誤碼率更低、運(yùn)算量更小、無模糊的高效解調(diào)。

1 信號的調(diào)制方式

該民航通信信號采用二次調(diào)制：一次調(diào)制采用特殊的MSK調(diào)制，使用的頻率為1 200 Hz和2 400 Hz；二次調(diào)制采用AM（調(diào)幅）調(diào)制，載波在甚高頻頻段［8－10］。在解調(diào)端，須先對二次調(diào)制的AM信號進(jìn)行解調(diào)，再對一次調(diào)制的MSK信號進(jìn)行解調(diào)。對于AM信號的解調(diào)不再贅述，以下主要討論一次調(diào)制MSK信號的解調(diào)，所述算法均是針對AM解調(diào)后的信號。

該信號的一次調(diào)制——MSK調(diào)制具有其特殊性，它區(qū)別于常規(guī)MSK信號的特點(diǎn)如下：為了提高抗干擾能力，信號的MSK調(diào)制并不是簡單的一個頻率對應(yīng)一個符號（0或1），而是每個頻率根據(jù)其碼元內(nèi)的初始相位變化的不同分別對應(yīng)2個符號。具體來說：對于頻率1 200 Hz，波形起始處是正斜率的對應(yīng)符號“0”，負(fù)斜率的對應(yīng)符號“1”，如圖1所示；而頻率2 400 Hz正好相反，波形起始處是正斜率的對應(yīng)符號“1”，負(fù)斜率的對應(yīng)符號“0”，如圖2所示，這里將一個碼元對應(yīng)的采樣點(diǎn)序列的圖形稱為“波形”。即有所謂的“正波形”和“負(fù)波形”之分：波形起始處是正斜率的稱之為正波形，負(fù)斜率的稱之為負(fù)波形。解調(diào)時除了要考慮頻率，還要考慮相位，因此不能簡單套用常規(guī)MSK信號解調(diào)算法。

圖1 該信號的1 200 Hz碼元波形與符號的對應(yīng)關(guān)系

圖2 該信號的2 400 Hz碼元波形與符號的對應(yīng)關(guān)系

2 傳統(tǒng)解調(diào)算法及其缺陷

注意到，該民航通信信號的碼速率是2 400 Baud，也就是說，當(dāng)頻率為1 200 Hz時，一個碼元的波形為半個正弦波；當(dāng)頻率為2 400 Hz時，一個碼元的波形為整個正弦波。所以，無論上一個碼元的波形是正波形還是負(fù)波形，當(dāng)經(jīng)過一個2 400 Hz的碼元之后，波形的正負(fù)性不會改變；而當(dāng)經(jīng)過一個1 200 Hz的碼元之后，波形的正負(fù)性會改變?；谝陨?，就可以根據(jù)MSK解調(diào)結(jié)果序列來推算一個解調(diào)結(jié)果修正序列，然后將二者進(jìn)行整合，采用模2加法，即可得到正確的解調(diào)結(jié)果。

具體來說，按照協(xié)議分析，得出以下對應(yīng)法則：MSK解調(diào)時，頻率1 200 Hz對應(yīng)符號“0”，頻率2 400 Hz對應(yīng)符號“1”；推算解調(diào)結(jié)果修正序列時，任意設(shè)定修正序列的起始為“0”或“1”，之后通過MSK解調(diào)結(jié)果進(jìn)行判定：若MSK解調(diào)結(jié)果的當(dāng)前元素為“0”，則修正序列的下一個元素與當(dāng)前元素不同；而當(dāng)MSK解調(diào)結(jié)果的當(dāng)前元素為“1”時，則修正序列的下一個元素與當(dāng)前元素相同。這樣做，由于解調(diào)結(jié)果修正序列起始的任意設(shè)定，可能會造成解調(diào)結(jié)果的模糊，需要取反；可以根據(jù)解調(diào)結(jié)果與信號的同步頭的相關(guān)峰的正負(fù)來判斷是否需要取反。為了便于理解，下面列出了得到MSK解調(diào)結(jié)果序列后的處理實(shí)例，如下：

MSK解調(diào)結(jié)果序列：1，1，0，1，0，0，1，1，1，0，1，0，0，1，0，0，1，0。

解調(diào)結(jié)果修正序列：1，1，1，0，0，1，0，0，0，0，1，1，0，1，1，0，1，1。

最終解調(diào)結(jié)果序列：0，0，1，1，0，1，1，1，1，0，0，1，0，0，1，0，0，1。

該算法在理論上完全沒有問題，并且運(yùn)算量不大，可以使用較為成熟的MSK信號解調(diào)算法模塊，只需之后加一步簡單處理。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，該算法卻存在明顯缺陷。因?yàn)樵贛SK解調(diào)中，誤碼是無可避免的，而只要存在一個誤碼，對該算法的影響都可以說是致命的，它將導(dǎo)致誤碼之后的解調(diào)結(jié)果全反，進(jìn)而導(dǎo)致無法對該包信號的后續(xù)內(nèi)容進(jìn)行解析，并且這一點(diǎn)是無法完全糾正的［11］。

3 新的解調(diào)算法

新的解調(diào)算法不用恢復(fù)基帶信號，直接通過信號的導(dǎo)頻進(jìn)行碼元同步，然后取出每一個碼元內(nèi)的信號采樣點(diǎn)序列進(jìn)行符號映射，即完成解調(diào)。

3.1 碼元同步

注意到，該信號所有的標(biāo)準(zhǔn)波形的初相都為0，而且該信號最前面有很長的導(dǎo)頻信號，如圖3所示，圖中幅度較低、大約從1 000～18 000的部分即為該信號的導(dǎo)頻，它是單音信號，所有碼元的波形全為2 400 Hz的正波形。因此可以對其加以利用，從而找到一個碼元的準(zhǔn)確起始［12］。具體的做法是：連續(xù)定位導(dǎo)頻信號的幾個最小值點(diǎn)和最大值點(diǎn)，并根據(jù)采樣率和碼速率之間的關(guān)系分別確認(rèn)最小值點(diǎn)與最大值點(diǎn)之間的距離，如果其間距符合過采樣率，則認(rèn)為這一段信號可靠、沒有畸變，否則繼續(xù)向后取信號，根據(jù)可靠的相鄰的最小值點(diǎn)和最大值點(diǎn)算出一個相位近似為0的點(diǎn)，即為一個碼元的準(zhǔn)確起始。確定了一個碼元的準(zhǔn)確起始后，就可以根據(jù)過采樣率依次計(jì)算其后各個碼元的起點(diǎn)和終點(diǎn)，并取出每一個碼元對應(yīng)的采樣點(diǎn)序列，即完成了碼元同步。

圖3 該信號AM解調(diào)后的總波形

3.2 符號映射

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)波形，顯然，對于1 200 Hz碼元的采樣點(diǎn)序列，其第一個點(diǎn)和最后一個點(diǎn)中至少有一個是最大值點(diǎn)或最小值點(diǎn)；而對于2 400 Hz碼元的采樣點(diǎn)序列，其第一個點(diǎn)和最后一個點(diǎn)既不是最大值點(diǎn)也不是最小值點(diǎn)。符號映射工作正是基于這一特性展開的。

具體的符號映射方法是：對于一個碼元對應(yīng)的采樣點(diǎn)序列，若它的第一個點(diǎn)和最后一個點(diǎn)中至少有一個是最大值點(diǎn)或最小值點(diǎn)，則將該碼元判為1 200 Hz碼元；否則將其判為2 400 Hz碼元。再根據(jù)其前2個采樣點(diǎn)值的大小關(guān)系完成符號映射，具體來說，對于已被判為1 200 Hz的碼元，若其第2個采樣點(diǎn)值大于第一個采樣點(diǎn)值，則將其映射為符號“0”，否則將其映射為符號“1”；對于已被判為2 400 Hz的碼元則正好相反，若其第2個采樣點(diǎn)值大于第一個采樣點(diǎn)值，則將其映射為符號“1”，否則將其映射為符號“0”。完成所有碼元的符號映射，即完成解調(diào)。

4 結(jié)束語

針對民航通信信號的調(diào)制方式的特殊性以及傳統(tǒng)解調(diào)算法存在的問題，提出了新的解調(diào)算法。該算法成功克服了傳統(tǒng)算法的缺點(diǎn)，不存在一個誤碼導(dǎo)致后續(xù)結(jié)果全反的現(xiàn)象，誤碼即使存在也均為離散突發(fā)誤碼，對后續(xù)的信源恢復(fù)影響較小；且運(yùn)算量很小，不存在解調(diào)模糊，并在實(shí)際工程應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。從而實(shí)現(xiàn)了可靠性高、運(yùn)算量小、無模糊的解調(diào)，為后續(xù)的協(xié)議分析、信源恢復(fù)工作提供了有力的支撐。

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A Demodulation Method for Civil Aviation Communication Signal

YANG Song
（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

In view of the issue of modulation of civil aviation communication signal，the traditional method of the signal demodulation is introduced，at the same time，the defect of the method is also pointed out.To overcome the defect，a new demodulation method is proposed，which is carried out as below：to the Minimum Shift Keying（MSK）demodulation，firstly，the symbol synchronization is completed and the sequence of samples of each symbol is separated，then，each symbol is mapped based on its characteristics of sequence of samples，and the demodulation is finished.The new method can resolve the problem of the traditional method very well and has a better capability.

civil aviation communication signal；MSK modulation；demodulation；waveform

TN941.4

A

1003－3114（2015）06－35－2

10.3969／j.issn.1003－3114.2015.06.09

楊 松.一種針對民航通信信號的解調(diào)算法［J］.無線電通信技術(shù)，2015，41（6）：35－36，64.

2015－06－23

國家部委基金資助項(xiàng)目

楊 松（1986—），男，工程師，主要研究方向：通信信號解調(diào)及解碼。