吳凱峰， 宋 東， 劉柏兵， 李 哲， 鐘昊天

(西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，陜西 西安 710072)

0 引 言

傳統(tǒng)的接收機(jī)大多采用專用集成電路技術(shù)具有可擴(kuò)展性差、算法無(wú)法升級(jí)及產(chǎn)品更新?lián)Q代的時(shí)間較長(zhǎng)的缺點(diǎn)。隨著軟件無(wú)線電理念的產(chǎn)生與技術(shù)的不斷發(fā)展，軟件接收機(jī)逐步取代傳統(tǒng)接收機(jī)，運(yùn)用于各種類型信號(hào)的接收。軟件接收機(jī)充分發(fā)揮了軟件無(wú)線電的思想—硬件軟件化，將數(shù)字信號(hào)處理模塊整體交由軟件來(lái)處理，使接收機(jī)研發(fā)過(guò)程中對(duì)靈活性的要求得到最大限度的提高。

本文設(shè)計(jì)的廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(automatic dependent surveillance-broadcast,ADS—B)軟件接收機(jī)系統(tǒng)，包括確定軟件無(wú)線電的采樣結(jié)構(gòu)與數(shù)字前端結(jié)構(gòu)及對(duì)采樣頻率與數(shù)字下變頻參數(shù)的分析，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的軟件處理模塊。為了證明設(shè)計(jì)的軟件接收機(jī)系統(tǒng)的可行性，利用通用軟件無(wú)線電平臺(tái)(universal software radio platform,USRP)及圖形化語(yǔ)言LabVIEW對(duì)設(shè)計(jì)驗(yàn)證，進(jìn)行實(shí)際的ADS—B信號(hào)接收，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了設(shè)計(jì)的ADS—B軟件接收機(jī)系統(tǒng)的有效性。

1 ADS—B信號(hào)接收模型

1.1 1090ES模式ADS—B信號(hào)格式

1090ES(1 090MHz S模式擴(kuò)展電文數(shù)據(jù)鏈)是一種基于S模式應(yīng)答機(jī)的技術(shù)，采用頻率為1 090MHz。ADS—B消息數(shù)據(jù)塊格式采用脈沖位置調(diào)制(pulse position modulation,PPM)編碼，在每一個(gè)被傳輸?shù)拿}沖前半部分為1，而后半部分為0，其中一個(gè)完整的ADS—B信號(hào)由8 μs的前導(dǎo)報(bào)頭脈沖和112 μs數(shù)據(jù)信息位脈沖組成，如圖1所示。

圖1 ADS—B信號(hào)格式

1.2 ADS—B信號(hào)接收機(jī)原理模型

設(shè)計(jì)的ADS—B接收機(jī)系統(tǒng)原理模型分為硬件部分(模擬部分與數(shù)字前端)與軟件部分(數(shù)字后端)，其接收系統(tǒng)原理模型如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原模型

2 硬件方案

2.1 軟件無(wú)線電采樣結(jié)構(gòu)方案

為了在實(shí)現(xiàn)需求的前提下保持較低的系統(tǒng)復(fù)雜度，選擇低中頻接收結(jié)構(gòu)作為軟件無(wú)線電接收前端,其結(jié)構(gòu)如圖3所示，作用為實(shí)現(xiàn)信號(hào)的正交下變換，用于射頻接收端第一級(jí)變頻，等效于x(t)e-jωLOt=x(t)[cos(ωLOt)-jsin(ωLOt)]。

圖3 低中頻接收結(jié)構(gòu)

2.2 接收機(jī)通道數(shù)字前端方案

首先對(duì)射頻模擬信號(hào)或者中頻信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字化，然后采用數(shù)字下變頻和多速率數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻率變換、濾波、抽取等處理，將感興趣信號(hào)分離和提取出來(lái)，并將采樣速率降低到較低的速率，送到基帶信號(hào)處理單元對(duì)感興趣的信號(hào)進(jìn)行后續(xù)處理。本文采用適于設(shè)計(jì)的基于數(shù)字混頻正交變換的數(shù)字下變頻。正交數(shù)字下變頻法主要有數(shù)字混頻器、數(shù)字控制振蕩器(numerically controlled oscillator,NCO)和數(shù)字濾波器3部分組成，如圖4所示。

圖4 數(shù)字下變頻器的組成

其前部分作用：將采樣后的復(fù)信號(hào)混頻下變頻，用于二次變頻，數(shù)學(xué)原型為

[xI(t)+jxQ(t)]×e-jωct=[xI(t)+jxQ(t)]×[cos(ωct)-jsin(ωct)]

(1)

使頻譜向下搬移ωc，去掉中頻，將有用信號(hào)最終搬移到基帶。

數(shù)字濾波器采用多級(jí)數(shù)字濾波器，并將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)須乘法運(yùn)算的積分—梳頭級(jí)聯(lián)(cascaded integrator-comb,CIC)濾波器作為第一級(jí)濾波器，將設(shè)計(jì)復(fù)雜度高、幅頻特性好的有限長(zhǎng)單位沖擊響應(yīng)(fininte impulse response,FIR)濾波器作為最后一級(jí)濾波器。通過(guò)數(shù)字濾波器濾出的感興趣信號(hào)，依次經(jīng)過(guò)一定整數(shù)倍的抽取，數(shù)據(jù)得到降低，再傳給之后的模塊進(jìn)行處理。

2.3 中頻A/D采樣速率及抽取參數(shù)分析

1090ES模式的ADS—B信號(hào)的碼元速率為1 Mbps，消息數(shù)據(jù)塊格式采用PPM編碼，調(diào)制方式是二進(jìn)制振幅鍵控(2ASK)，工作頻率為1 090 MHz。根據(jù)2ASK信號(hào)帶寬B2ASR為基帶信號(hào)帶寬的2倍，而歸零波形基帶信號(hào)的帶寬為Bs=1/τ，τ=0.5 μs為ADS—B信號(hào)的電脈沖寬度，故在只計(jì)譜的主瓣時(shí)，帶寬為4 MHz，為了留一定余量，及增強(qiáng)抗干擾性，取B2ASK=6 MHz。

2.3.1 帶通采樣

根據(jù)奈奎斯特采樣定理，對(duì)中頻帶通信號(hào)，取帶寬為B，只要取fs≥2B的某些值，即可保證信號(hào)頻譜不重疊。在實(shí)際應(yīng)用中，AD采樣前需要加抗混疊帶通濾波器(band-pass filter,BF)，以消除帶外噪聲帶來(lái)的頻譜混疊。采樣速率由式2fH/n≤fs≤2fL/(n-1)確定。其中，fH為信號(hào)的最高頻率,fL為信號(hào)的最低頻率,n為整數(shù)，其取值范圍為2≤n≤fH/(fH-fL)。

采樣速率的確定：取中頻為fo=60 MHz，B2ASK=6 MHz，則fH=63 MHz，fL=57 MHz，可得126/n≤fs≤114/(n-1)，fs越低，采樣后頻譜的間隔越小，抗混疊帶通濾波器實(shí)現(xiàn)越困難。故在ADC滿足的情況下，盡量取較大的采樣速率。本文取采樣頻率為100 MHz，一方面避免了由于濾波器的不理想而產(chǎn)生的混疊，另一方面可以增大中頻的選擇范圍，及最多可以處理帶寬為40 MHz的中頻信號(hào)，為以后的工程改進(jìn)與實(shí)現(xiàn)增加了靈活性。

2.3.2 信號(hào)的整數(shù)倍抽取

為了降低后面的信號(hào)處理的數(shù)據(jù)吞吐量，減少解碼算法的計(jì)算量，加快信號(hào)的處理速度，需要在不使信號(hào)失真的前提下，對(duì)A/D采樣后的ADS—B信號(hào)進(jìn)行整數(shù)倍抽取。設(shè)原始采樣速率為x(n)，抽取倍數(shù)為D，則抽取后的新序列為xD(m)，即xD(m)=x(mD)=x(mD)，m=0,±1,±2,…,其中D為正整數(shù)。1090ES模式的ADS—B接收機(jī)中，ADS—B信號(hào)經(jīng)過(guò)PPM編碼后，碼元速率為2 Mbps，考慮到軟件處理部分需要1個(gè)碼元5個(gè)采樣點(diǎn)，使輸出速率為10 Mbps，故在數(shù)字下變頻通道結(jié)構(gòu)中，通道的抽取倍數(shù)為10。

2.4 接收機(jī)通道結(jié)構(gòu)總體方案

最終的接收通道的設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 軟件處理模塊

根據(jù)1090ES ADS-B信號(hào)的特點(diǎn)，ADS—B接收系統(tǒng)軟件處理模塊可以分為報(bào)頭檢測(cè)模塊與數(shù)據(jù)位處理模塊。其中報(bào)頭檢測(cè)模塊包括：脈沖檢測(cè)模塊、脈沖位置(VPP)檢測(cè)模塊、上升沿位置(LEP)模塊、邊沿信號(hào)(DF)檢測(cè)模塊、報(bào)頭初始檢測(cè)模塊、交疊測(cè)試模塊、參考功率計(jì)算模塊及功率一致性檢測(cè)模塊；數(shù)據(jù)位處理模塊包括：數(shù)據(jù)位判定模塊、檢錯(cuò)糾錯(cuò)模塊及信息解碼模塊。各模塊的主要功能如下：

1)脈沖檢測(cè)模塊：對(duì)輸入數(shù)字幅度信號(hào)進(jìn)行分析，檢測(cè)出VPP和LEP符合要求的脈沖。

2)VPP檢測(cè)模塊：比較VPP信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)報(bào)頭，判斷在0，1，3.5，4.5 μs處是否存在有效位置，結(jié)果作為報(bào)頭初始檢測(cè)模塊的輸入之一。

3)LEP檢測(cè)模塊：比較輸入的LEP信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)報(bào)頭，判斷在0，1，3.5，4.5 μs處是否存在上升沿信號(hào)，且在這4個(gè)時(shí)間點(diǎn)上存在上升沿的個(gè)數(shù)是否不小于2，結(jié)果作為報(bào)頭初始檢測(cè)模塊的輸入之一。

4)DF檢測(cè)模塊：判斷在 8.5，9.5，10.5，11.5，12.5 μs位置上是否存在邊沿信號(hào)，若有不少于4個(gè)沿變化，代表此處存在PPM 編碼的數(shù)據(jù)。DF檢測(cè)是為了確定后面的數(shù)據(jù)位的脈沖未被污染。

5)報(bào)頭初始檢測(cè)模塊：以VPP 檢測(cè)模塊、LEP 檢測(cè)模塊、DF 檢測(cè)模塊檢測(cè)結(jié)果為輸入信號(hào)，若同時(shí)滿足，則通過(guò)報(bào)頭初始檢測(cè)；反之，不通過(guò)。

6)交疊測(cè)試模塊：解決可能出現(xiàn)的多個(gè)S模式報(bào)頭交疊的現(xiàn)象。

7)參考功率計(jì)算模塊：計(jì)算出此報(bào)頭的參考功率，用于數(shù)據(jù)提取以及置信度的判斷等。

8)功率一致性檢測(cè)模塊：為了在確定報(bào)頭無(wú)交疊污染的情況下也沒(méi)有自身的報(bào)頭功率缺損，其方法為取得4個(gè)報(bào)頭脈沖的平均值，與參考電平進(jìn)行比較，如果其差值在+3 dB之內(nèi)，則進(jìn)行下一步檢測(cè)。

9)數(shù)據(jù)位判定模塊：與參考功率進(jìn)行比較，獲取數(shù)據(jù)位上的代碼信息，得出二進(jìn)制編碼形式下為1或者0及各數(shù)據(jù)位的置信度。

10)檢測(cè)糾錯(cuò)模塊：對(duì)所得到的二進(jìn)制編碼進(jìn)行檢測(cè)，判斷是否錯(cuò)碼，若發(fā)生錯(cuò)碼，且錯(cuò)碼數(shù)不超過(guò)5時(shí)對(duì)置信度低的數(shù)據(jù)位進(jìn)行誤碼糾錯(cuò)。

11)信息解碼模塊：對(duì)接收到信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)解碼，獲得信號(hào)中所包含的信息。

軟件模塊處理流程如圖6所示。

4 基于USRP N210與LabVIEW接收機(jī)實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)主要設(shè)備為一臺(tái)USRP N210設(shè)備和一臺(tái)普通的臺(tái)式電腦。軟件采用LabVIEW。試驗(yàn)過(guò)程中，進(jìn)行了多次短暫的ADS—B信號(hào)接收，其中一次接收的部分結(jié)果組成為：最前面6位數(shù)據(jù)代表ICAO碼；緊靠近ICAO碼的是接收到的ADS—B信息類型；之后的數(shù)據(jù)為該信息類型所對(duì)應(yīng)的信息。分析結(jié)果的具體數(shù)據(jù)可知，數(shù)據(jù)在時(shí)刻變化，且數(shù)據(jù)量的變化符合飛機(jī)實(shí)際的飛行情況。為了證明數(shù)據(jù)的真實(shí)性，通過(guò)ICAO碼的查詢，確定了相應(yīng)航班在時(shí)間上的符合。

圖6 軟件處理流程

5 結(jié)束語(yǔ)

介紹了ADS—B軟件接收機(jī)系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)過(guò)程，分析了設(shè)計(jì)的相關(guān)理論問(wèn)題，并采用硬件平臺(tái)USRP N210與LabVIEW語(yǔ)言對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明了接收系統(tǒng)的可行性與有效性?；谲浖o(wú)線電的軟件接收機(jī)，可以利用軟件靈活的處理接收到的信號(hào)，符合未來(lái)信號(hào)接收機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，具有廣泛的應(yīng)用前景。