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        一種基于AD9361的ADS-B多目標(biāo)信號(hào)源設(shè)計(jì)

        2021-10-15 07:25:44
        雷達(dá)與對(duì)抗 2021年3期
        關(guān)鍵詞:信號(hào)信息

        王 杰

        (中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

        0 引 言

        ADS-B利用空地、空空數(shù)據(jù)鏈通信完成空中交通監(jiān)視和信息傳遞。與傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)相比,ADS-B可靠性更高,能提供更加精確和實(shí)時(shí)的飛機(jī)位置信息、狀態(tài)信息和其他監(jiān)視信息等。此外,ADS-B的建設(shè)投資費(fèi)用只有傳統(tǒng)雷達(dá)的十分之一,而且維護(hù)費(fèi)用低、使用壽命長(zhǎng),大大降低了空中交通管理所需要的費(fèi)用和成本。

        針對(duì)ADS-B的研制主要借助于IFR-6000這類專用二次雷達(dá)信號(hào)源或可加載ADS-B波形文件的信號(hào)源,如安捷倫4438C和RS SMW200A等。此類信號(hào)源只能測(cè)試設(shè)備對(duì)單一目標(biāo)的接收處理能力,對(duì)ADS-B的多目標(biāo)處理能力,如解交織、系統(tǒng)吞吐量等指標(biāo)測(cè)試能力嚴(yán)重不足。因此,ADS-B設(shè)備整機(jī)的性能指標(biāo)、功能指標(biāo)及多目標(biāo)環(huán)境下的處理能力測(cè)試只能借助于外場(chǎng)試飛或機(jī)場(chǎng)實(shí)地測(cè)試等,這將大大增加系統(tǒng)的研制經(jīng)費(fèi)和設(shè)備的研發(fā)周期。

        1 多目標(biāo)信號(hào)合成理論依據(jù)

        當(dāng)前的多目標(biāo)信號(hào)合成技術(shù)主要在基帶實(shí)現(xiàn),通過控制信號(hào)之間的延遲來模擬真實(shí)目標(biāo)的距離,通過控制信號(hào)的幅度來模擬真實(shí)目標(biāo)的功率,但是該方法只能模擬部分幅度調(diào)制信號(hào)的多目標(biāo)合成,而對(duì)于BPSK或DBPSK等相位調(diào)制信號(hào)的多目標(biāo)模擬則顯得無能為力。如果能在射頻域通過控制各目標(biāo)的幅度和延遲實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)信號(hào)的合成,將大大逼近空間信號(hào)實(shí)際的合成效果。

        (1)目標(biāo)距離的生成

        根據(jù)電磁波在空間的傳播公式,通過設(shè)置不同的時(shí)間延遲來模擬真實(shí)信號(hào)在空間傳播過程,其公式為

        t=d/v

        (1)

        式中,d為模擬目標(biāo)和真實(shí)目標(biāo)的距離;t為模擬目標(biāo)和真實(shí)目標(biāo)的時(shí)間延遲;v=3×108m/s為電磁波在空間的傳播速度。

        (2)目標(biāo)功率的生成

        針對(duì)不同距離上的模擬目標(biāo)信號(hào),可換算成對(duì)應(yīng)的幅度值來控制每一路輸出信號(hào)的幅度,從而模擬真實(shí)目標(biāo)信號(hào)經(jīng)過空間傳播后的電磁衰減,其計(jì)算公式為

        L=-32.44-20logf-20logd

        (2)

        式中,L為電磁波傳播的路徑衰減,dB;f為發(fā)射信號(hào)的射頻頻率,MHz;d為模擬目標(biāo)和真實(shí)目標(biāo)的距離,km。

        (3)多目標(biāo)合成理論

        假定經(jīng)過編碼和調(diào)制后的基帶信號(hào)為

        A1S1(t-Δτ1),A2S2(t-Δτ2),…,ANSN(t-ΔτN)

        (3)

        則經(jīng)過AD9361變頻到射頻后的合成信號(hào)為

        S合(t)=A1S1(t-Δτ1)ejω0t+A2S2(t-Δτ1)ejω0t+…

        (4)

        式中,Ai為第i個(gè)目標(biāo)的幅度;Δτi為第i個(gè)目標(biāo)的距離延遲;ω0為射頻角頻率,此處ω0=2π*1 090 MHz。

        本文提出的合成信號(hào)在射頻域完成,各路生成信號(hào)之間相互獨(dú)立、并行處理,更好地保留了基帶信號(hào)的相位特性。

        2 AD9361芯片總體架構(gòu)

        AD9361這類集成度很高的射頻頻率捷變芯片的問世讓射頻域?qū)崿F(xiàn)多目標(biāo)合成的技術(shù)迎刃而解。AD9361芯片是一款面向3G和4G基站應(yīng)用的高集成度、高性能的射頻收發(fā)器,由2×2收發(fā)器、SPI配置接口、AUXADC、內(nèi)部PLL等組成,每個(gè)通道都有獨(dú)立的低噪放、混頻器、放大器、濾波器等,并且可靈活控制每一路輸出信號(hào)的衰減。其發(fā)射處理流程如圖1所示。

        圖1 AD9361發(fā)射處理流程

        3 基本原理

        當(dāng)前我國(guó)的ADS-B信號(hào)主要采用基于S模式的1090ES數(shù)據(jù)鏈,其信號(hào)工作的頻率是1 090 MHz,有四個(gè)同步頭,其同步采用ASK調(diào)制方式,同步頭之間的位置固定,同步頭后面跟112 bit的信息位,信息編碼格式采用脈沖位置編碼方式,即用01表示消息位的bit為0,用10表示消息位的bit為1。ADS-B OUT發(fā)射機(jī)通過發(fā)射天線將自身的導(dǎo)航信息(包括經(jīng)度、緯度、高度和速度等)通過特定格式發(fā)送出去。ADS-B信號(hào)格式如圖2所示。

        圖2 ADS-B信號(hào)格式

        針對(duì)當(dāng)前我國(guó)ADS-B信號(hào)的特點(diǎn),采用基于AD9361技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式,其基本原理如圖3所示??刂颇K根據(jù)用戶需求產(chǎn)生相應(yīng)目標(biāo)的經(jīng)緯度、高度、航速和航向等編碼信息,其中每個(gè)目標(biāo)均有唯一的一組地址碼數(shù)據(jù)。同時(shí),根據(jù)模擬目標(biāo)距離并結(jié)合電磁波空間傳播公式,計(jì)算各模擬目標(biāo)相對(duì)于真實(shí)目標(biāo)的距離延時(shí)。各目標(biāo)的編碼信息和距離信息送入ADS-B基帶,生成模塊生成對(duì)應(yīng)的基帶I、Q信號(hào)后送入到AD9361。根據(jù)信號(hào)功率距離衰減公式生成功率控制字來控制AD9361的衰減寄存器。由于各用戶的需求不一致,根據(jù)用戶定制的多目標(biāo)合成路數(shù)控制矩陣開關(guān)的輸出路數(shù)后送至合路器。由于AD9361 輸出的最大功率是5 dBm,如果需要更大的發(fā)射功率,可通過控制功放選擇來實(shí)現(xiàn)。

        圖3 基于AD9361的多目標(biāo)合成實(shí)現(xiàn)原理

        4 基于多目標(biāo)設(shè)計(jì)的總體硬件實(shí)現(xiàn)

        每片AD9361可實(shí)現(xiàn)兩路射頻信號(hào)的發(fā)射。受限于板卡的體積及用戶的具體需求,本設(shè)計(jì)方案采用ZYNQ和AD9361組合方式,最多可以模擬12路空間信號(hào)的合成,用戶也可根據(jù)自身需求定制合成多目標(biāo)信號(hào)數(shù)量。ZYNQ的PS部分主要負(fù)責(zé)接收上位機(jī)從網(wǎng)口下發(fā)的各通道的編碼信息與配置信息,同時(shí)用功率控制信息控制每一路AD9361相應(yīng)寄存器。ZYNQ 部分根據(jù)PS送入的配置信息完成基帶信號(hào)的生成。硬件實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

        圖4 基于AD9361的多目標(biāo)合成總體硬件設(shè)計(jì)

        圖4中的功放最多可支持12路1 090 MHz射頻信號(hào)的同時(shí)合成,每一路可在FPGA里獨(dú)立配置幅度和發(fā)射延遲。鑒于多目標(biāo)信號(hào)源的體積功耗等因素,且實(shí)驗(yàn)室聯(lián)試主要集中于有線聯(lián)試,故選用約20 dB左右的功放,配合AD9361內(nèi)置的功放一起工作,信號(hào)合成后發(fā)射功率盡量工作于功放的線性區(qū),以減少合路器和功放對(duì)信號(hào)波形畸變的影響。

        上位機(jī)根據(jù)目標(biāo)的位置信息生成各通路的ADS-B編碼信息、距離延遲信息和幅度衰減信息,ZYNQ根據(jù)上位機(jī)下發(fā)的配置參數(shù)配置AD9361的各通道工作參數(shù)。在各通道配置完成后下發(fā)啟動(dòng)指令,完成該次多目標(biāo)模擬信號(hào)的發(fā)射。信號(hào)發(fā)射啟動(dòng)流程如圖5所示。

        圖5 信號(hào)發(fā)射啟動(dòng)流程

        5 仿真分析

        AD9361作為零中頻的射頻頻率捷變器,其輸出信號(hào)是射頻信號(hào),射頻頻率為1 090 MHz,由于當(dāng)前無法通過示波器直接觀察信號(hào)合成效果,下面通過Matlab仿真分析,并結(jié)合PFGA實(shí)采中頻信號(hào)觀察實(shí)際的信號(hào)合成效果。

        通過上位機(jī)計(jì)算目標(biāo)的幅度和距離延遲,生成配置參數(shù),控制ZYNQ啟動(dòng)信號(hào)的合成流程。生成的單路ADS-B信號(hào)如圖6、圖7所示,其中圖6是通過Matlab產(chǎn)生的一個(gè)目標(biāo)的ADS-B射頻信號(hào),圖7是FPGA信號(hào)采集板實(shí)采的ADS-B信號(hào)中頻信號(hào)。經(jīng)過AD9361多路合成的1 090 MHz射頻模擬信號(hào)接入工程樣機(jī)接收通道中,經(jīng)過前端的超外差接收機(jī)后變成140 MHz的中頻模擬信號(hào),然后經(jīng)AD數(shù)字采樣后進(jìn)FPGA,此時(shí)的采樣率為192 MHz。

        圖6 Matlab仿真的ADS-B射頻信號(hào)

        圖7 FPGA實(shí)采的ADS-B中頻信號(hào)

        當(dāng)兩信號(hào)幅度相差6 dB、距離相差93 750 m時(shí)產(chǎn)生的兩信號(hào)合成效果如圖8、圖9所示。圖9給出的是FPGA波形抓取軟件實(shí)采的兩個(gè)ADS-B的多目標(biāo)合成效果。

        圖8 兩目標(biāo)相距93 750 m的射頻信號(hào)

        圖9 FPGA實(shí)采相距93 750 m的140 MHz中頻信號(hào)

        當(dāng)兩個(gè)ADS-B信號(hào)合成,距離相差2 400 m、幅度相差6 dB時(shí),fc=1 090 MHz的合成效果如圖10、圖11所示。

        圖10 兩目標(biāo)相距2 400 m的射頻信號(hào)

        圖11 FPGA實(shí)采相距2 400 m的140 MHz中頻信號(hào)

        由仿真分析可知,當(dāng)目標(biāo)之間距離較近時(shí),合成后的同步頭部分疊加在一起,相鄰碼片部分重疊;當(dāng)目標(biāo)的距離足夠近,且合成目標(biāo)設(shè)置為4路時(shí),可測(cè)試ADS-B IN設(shè)備的解交織效果。

        6 結(jié)束語(yǔ)

        本文基于當(dāng)前ADS-B IN設(shè)備開發(fā)中面臨的系統(tǒng)性能指標(biāo)無法在實(shí)驗(yàn)室完成測(cè)試的問題,提出了基于AD9361的多目標(biāo)信號(hào)源設(shè)計(jì)思路,利用現(xiàn)有的成熟器件完成了系統(tǒng)的總體硬件方案,并通過仿真證實(shí)了該方法的實(shí)用性和可靠性。該方法采用射頻信號(hào)的合成方式,各路信號(hào)獨(dú)立生成,并行處理,當(dāng)輸出射頻信號(hào)后再通過合路器合成,信號(hào)調(diào)制方式對(duì)合成效果無任何影響。利用該方法設(shè)計(jì)的信號(hào)源功耗低,體積小,價(jià)格實(shí)惠,便于惡劣環(huán)境下的外場(chǎng)攜帶和使用,可大幅降低該體制空管設(shè)備的研發(fā)成本,縮短研制周期。此類信號(hào)源不僅可以針對(duì)ADS-B信號(hào)完成多路目標(biāo)的合成,也可以擴(kuò)展到整個(gè)空管系統(tǒng)中,如S模式、TACAS和A/C模式等。

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