一種基于相位調(diào)制的1090es信號擴容方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于民用航空的空管監(jiān)視領(lǐng)域，特別涉及一種用于ADS-B1090ES信號的 擴容技術(shù)。
【背景技術(shù)】：
[0002] 新一代空管監(jiān)視技術(shù)ADS-B(AutomaticDependentSurveillance-Broadcast) 在國內(nèi)逐步推廣應(yīng)用，并可能成為我國遠(yuǎn)期規(guī)劃的主要監(jiān)視手段。ADS-B實現(xiàn)了二次雷 達的監(jiān)視功能，同時還具有導(dǎo)航和通信的功能，但由于信號承載的數(shù)據(jù)有限，只能傳輸少 量的重要信息。ICAO推薦的全球可互用的ADS-B擴展電文數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)?090MHzExtended Squitter(1090ES)，信號長度120ys，前8ys為前導(dǎo)脈沖，后112ys為數(shù)據(jù)脈沖，數(shù)據(jù)采用 脈位調(diào)制（PPM)，一幀信號傳輸112bits數(shù)據(jù)，其中24bits為校驗位，廣播頻率小于6. 2Hz， 最大傳輸速率僅〇. 694kBits/s。根據(jù)美國的NextGen計劃和歐洲的空管一體化SESAR計 劃，未來的ADS-B不僅要廣播飛機的4維位置（經(jīng)度、煒度、高度和時間）、飛機識別碼、速 度等信息，還需要傳輸航向、氣象信息和航行情報等數(shù)據(jù)，現(xiàn)行ADS-B的數(shù)據(jù)率不能滿足要 求，因此增加1090ES信號的信息傳輸容量，對ADS-B在民用航空監(jiān)視、導(dǎo)航和通信中的應(yīng)用 有著十分重要的意義。
[0003] 美國FAA等航空部門率先展開了前期的研宄和論證工作，并提出了幾種技術(shù)思 路，國內(nèi)尚未有公開報道的研宄工作。主要的方法有：（1)增加信號的廣播次數(shù)；（2)使用多 頻段傳輸；⑶對ADS-B信號做多重調(diào)制。但是，1090MHz頻點被二次監(jiān)視雷達SSR、空中防 撞系統(tǒng)TCAS、交通信息服務(wù)廣播TIS-B和軍用敵我識別IFF等系統(tǒng)同時使用，增加信號廣播 次數(shù)將加劇1090MHz的頻譜擁塞和同頻干擾問題，影響飛行安全。多頻段傳輸則會帶來多 種標(biāo)準(zhǔn)，適應(yīng)民航全球互通的要求，飛機上可能裝載多種系統(tǒng)，管理上也更加復(fù)雜化。第三 種方法對1090ES信號的幅度、相位和脈沖寬度等參量進行多重調(diào)制，增加傳輸?shù)男畔⒘浚?且不需要增加信號廣播次數(shù)，不占用其它的頻段，也不影響現(xiàn)有的ADS-B系統(tǒng)的正常運行， 是擴充ADS-B信號容量的首選方法。本發(fā)明就是在1090ES脈位調(diào)制的基礎(chǔ)上，對高電平信 號進行脈內(nèi)調(diào)相，如圖1所示，現(xiàn)有的ADS-B數(shù)據(jù)仍做PPM調(diào)制，而調(diào)相增加的數(shù)據(jù)用來傳 輸其他信息，增加了單次廣播信號的數(shù)據(jù)容量，且兼容原有的ADS-B數(shù)據(jù)鏈。采用相位調(diào)制 需要解決以下關(guān)鍵問題：（1)信號的產(chǎn)生、調(diào)制和發(fā)送；（2)信號的接收、檢測、解調(diào)和解碼； (3) 載波同步、相位同步和時間同步；(4)相位不連續(xù)導(dǎo)致的頻譜擴展。其中同步問題尤為 特殊，地面或者機載ADS-B接收機反復(fù)接收到多架機載ADS-B發(fā)射機廣播的120ys信號， 是多發(fā)單收的突發(fā)通信，不能使用常規(guī)的同步方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對【背景技術(shù)】的關(guān)鍵問題提出一種用于ADS-B1090ES信號擴容的方法， 從而有效增加了ADS-B1090ES信號的信息傳輸容量，該方法的信號處理過程包括：信號發(fā) 射端對信號的采集、調(diào)制、發(fā)送，信號接收端對信號的接收、同步和解調(diào)解碼。
[0005] 其中信號發(fā)射端包括步驟：
[0006] 步驟1 :采集所需發(fā)射的數(shù)據(jù)信息并對其進行PPM調(diào)制，產(chǎn)生PPM調(diào)制波形；
[0007] 步驟2 :對PPM調(diào)制波形每一個高電平子脈沖進行相位調(diào)制，當(dāng)PPM調(diào)制波形連續(xù) 出現(xiàn)兩個高電平時，將前一個高電平的后tys和后一個脈沖的前tys的載波進行相位變 化的分段線性過渡，t< 0. 5,得到發(fā)射波形；
[0008] 信號接收端包括步驟：
[0009] 步驟3 :接收發(fā)射波形，經(jīng)過射頻端濾波放大和混頻處理，提取出混頻后的中頻信 號；
[0010] 步驟4 :對步驟3得到的中頻信號進行A/D采樣，得到中頻采樣序列；
[0011] 步驟5 :第一次載頻同步：采用并行相關(guān)方法對中頻采樣序列的載波頻率進行粗 計算，得到載波頻率//;
[0012] 步驟6 :控制NCO產(chǎn)生頻率為1的本振序列，然后與步驟4得到的中頻信號序列進 行混頻，并經(jīng)過低通濾波得到基帶信號；
[0013] 步驟7 :第二次載頻同步：采用并行相關(guān)方法計算基帶信號的載頻偏差，對應(yīng)其進 行校正，得到基帶信號；
[0014] 步驟8 :對步驟7所得到的基帶信號進行PPM解調(diào)，輸出PPM信息；
[0015] 步驟9 :對步驟7所得到的基帶信號采用誤差前向反饋的相位判決方法進行相位 解調(diào)，輸出相位信息。
[0016] 其中所述步驟2中對PPM調(diào)制波形每一個高電平子脈沖進行相位調(diào)制，當(dāng)PPM調(diào) 制波形連續(xù)出現(xiàn)兩個高電平時，將前一個高電平的后0. 2ys和后一個脈沖的前0. 2ys的 載波進行相位變化采用100個載波周期進行180度相位分段線性過渡，則每個脈沖周期需 要采用線性過渡法進行1. 8度的相位過渡。
[0017] 其中所述步驟5的具體步驟為：將頻段分為以f:±35kHz、f:±25kHz、f:± 15kHz、 AiSkHz這8個頻點為中心頻率分為8個10kHz的頻段，本地產(chǎn)生8個對應(yīng)中心頻率的 12ys序列，該12ys的序列包括8ys的前導(dǎo)脈沖和4個數(shù)據(jù)脈沖，將接收信號前12ys序 列與本地序列進行并行相關(guān)處理，以相關(guān)值最大判斷信號載頻所在的頻段。
[0018] 其中所述步驟7的具體步驟為：
[0019]步驟7-1:將步驟6得到的基帶信號表示為x(n)，表示如式1;采用正交雙通道處 理，I、Q兩路信號形式如式2、式3，g(n)包含了基帶PPM信號的幅度包絡(luò)，取值為0或1:
【主權(quán)項】
1. 一種基于相位調(diào)制的1090ES信號擴容方法，該方法信號處理過程包括：信號發(fā)射端 對信號的采集、調(diào)制、發(fā)送，信號接收端對信號的接收、同步、解調(diào)； 其中信號發(fā)射端包括步驟： 步驟1 :采集所需發(fā)射的數(shù)據(jù)信息并對其進行PPM調(diào)制，產(chǎn)生PPM調(diào)制波形； 步驟2 :對PPM調(diào)制波形每一個高電平子脈沖進行相位調(diào)制，當(dāng)PPM調(diào)制波形連續(xù)出現(xiàn) 兩個高電平時，將前一個高電平的后t μ s和后一個脈沖的前t μ s的載波進行相位變化的 分段線性過渡，t < 0. 5,得到發(fā)射波形； 信號接收端包括步驟： 步驟3 :接收發(fā)射波形，經(jīng)過射頻端濾波放大和混頻處理，提取出混頻后的中頻信號； 步驟4 :對步驟3得到的中頻信號進行A/D采樣，得到中頻采樣序列； 步驟5 :第一次載頻同步：采用并行相關(guān)方法對中頻采樣序列的載波頻率進行粗計算， 得到載波頻率A; 步驟6 :控制NCO產(chǎn)生頻率為的本振序列，然后與步驟4得到的中頻信號序列進行混 頻，并經(jīng)過低通濾波得到基帶信號； 步驟7 :第二次載頻同步：采用并行相關(guān)方法計算基帶信號的載頻偏差，對應(yīng)其進行校 正，得到基帶信號； 步驟8 :對步驟7所得到的基帶信號進行PPM解調(diào)，輸出PPM信息； 步驟9 :對步驟7所得到的基帶信號采用誤差前向反饋的相位判決方法進行相位解調(diào)， 輸出相位信息。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于相位調(diào)制的1090ES信號擴容方法，其特征在于所述步 驟2中對PPM調(diào)制波形每一個高電平子脈沖進行相位調(diào)制，當(dāng)PPM調(diào)制波形連續(xù)出現(xiàn)兩個 高電平時，將前一個高電平的后〇. 2 μ s和后一個脈沖的前0. 2 μ s的載波進行相位變化采 用100個載波周期進行180度相位分段線性過渡，則每個脈沖周期需要采用線性過渡法進 行1. 8度的相位過渡。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種基于相位調(diào)制的1090ES信號擴容方法，其特征在于所述 步驟5的具體步驟為：將頻段分為以A±35kHz、A±25kHz、AilSkHz、AiSkHz這8個頻 點為中心頻率分為8個IOkHz的頻段，本地產(chǎn)生8個對應(yīng)中心頻率的12 μ s序列，該12 μ s 的序列包括8 μ s的前導(dǎo)脈沖和4個數(shù)據(jù)脈沖，將接收信號前12 μ s序列與本地序列進行并 行相關(guān)處理，以相關(guān)值最大判斷信號載頻所在的頻段。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種基于相位調(diào)制的1090ES信號擴容方法，其特征在于所述步 驟7的具體步驟為： 步驟7-1 :將步驟6得到的基帶信號表示為X (η)，表示如式1 ;采用正交雙通道處理，I、 Q兩路信號形式如式2、式3, g(n)包含了基帶PPM信號的幅度包絡(luò)，取值為0或1 :
其中：A表示基帶信號幅度值，M = 2、4、8表示分別表示采用BPSK、QPSK和8PSK調(diào)制， N (n)、Ni (n)、Nq (η)分別表不信號噪聲； 步驟 7-2:計算瞬時相位，Θ (n) =arg tanUJrO/XiOi))，Θ (n) e (〇,2jt); 步驟 7-3 :計算瞬時相位差：Δ θ = mod ( θ (η+1) - θ (η)，2π)，Δ θ G (〇,2π); 步驟7-4 :剔除異常點，計算4個前導(dǎo)子脈沖內(nèi)的平均相位差 步驟7-5 :計算載頻偏差：δ/ = Κ^/2;γγ，τ = 1Zfs為采樣時間間隔； 步驟7-6 :頻偏校正：ν^ = ；φ卩.exp(_y2;rzV_fl>，y(n)是頻偏估計和校正后的輸出信 號。
5.如權(quán)利要求1所述的一種基于相位調(diào)制的1090ES信號擴容方法，其特征在于所述步 驟9的具體步驟為： 步驟9-1 :通過PPM信息的完成時間同步，確定擴容信號高電平子脈沖的位置，并將子 脈沖中間時刻采樣點確定為最佳判決點； 步驟9-2 :計算最佳判決點的相位，如果是信號的前12 μ s，則更新0參考相位，否則將 判決點相位與〇參考相位的差值進行判決，輸出判決解碼信息； 步驟9-3 :計算判決相位誤差，即判決輸出的理想8PSK相位與判決點相位的誤差； 步驟9-4 :判決相位誤差通過環(huán)路濾波器，該濾波器是一個基帶的低通濾波器，輸出誤 差相位的估計值^; 步驟9-5 :對下一次輸入信號進行相位誤差補償，重復(fù)執(zhí)行以上步驟直到完成112 μ s 的信號解調(diào)。
【專利摘要】該發(fā)明公開了一種基于相位調(diào)制的1090ES信號擴容方法，涉及民用航空的空管監(jiān)視領(lǐng)域。信號處理過程包括：信號發(fā)射端對數(shù)據(jù)信息的采集、PPM和子脈沖相位雙重調(diào)制、擴容信號發(fā)送，信號接收端對擴容信號的接收、同步、PPM信息和相位信息解調(diào)。關(guān)鍵技術(shù)和效果在于：1.調(diào)制過程采用分段線性相位過渡方法解決相位突變導(dǎo)致的頻譜擴展問題，有效改善了擴容后1090ES信號的帶寬特性；2.載頻同步過程采用前導(dǎo)脈沖和4位數(shù)據(jù)脈沖進行兩次同步，保證了同步的快速和準(zhǔn)確性，有效解決了ADS-B接收機特殊的多發(fā)單收同步問題；3.基帶相位信息解調(diào)過程采用了一種基于誤差前向反饋的相位判決方法，有效提高了相位判決準(zhǔn)確性。
【IPC分類】H04L27-26, H04L25-03, H04L27-38
【公開號】CN104539567
【申請?zhí)枴緾N201410811665
【發(fā)明人】王洪, 孫清清
【申請人】電子科技大學(xué)
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年12月23日