一种基于相位调制的1090es信号扩容方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于民用航空的空管监视领域，特别涉及一种用于ADS-B1090ES信号的 扩容技术。
【背景技术】：
[0002] 新一代空管监视技术ADS-B(AutomaticDependentSurveillance-Broadcast) 在国内逐步推广应用，并可能成为我国远期规划的主要监视手段。ADS-B实现了二次雷 达的监视功能，同时还具有导航和通信的功能，但由于信号承载的数据有限，只能传输少 量的重要信息。ICAO推荐的全球可互用的ADS-B扩展电文数据链是1090MHzExtended Squitter(1090ES)，信号长度120ys，前8ys为前导脉冲，后112ys为数据脉冲，数据采用 脉位调制（PPM)，一帧信号传输112bits数据，其中24bits为校验位，广播频率小于6. 2Hz， 最大传输速率仅〇. 694kBits/s。根据美国的NextGen计划和欧洲的空管一体化SESAR计 划，未来的ADS-B不仅要广播飞机的4维位置（经度、炜度、高度和时间）、飞机识别码、速 度等信息，还需要传输航向、气象信息和航行情报等数据，现行ADS-B的数据率不能满足要 求，因此增加1090ES信号的信息传输容量，对ADS-B在民用航空监视、导航和通信中的应用 有着十分重要的意义。
[0003] 美国FAA等航空部门率先展开了前期的研宄和论证工作，并提出了几种技术思 路，国内尚未有公开报道的研宄工作。主要的方法有：（1)增加信号的广播次数；（2)使用多 频段传输；⑶对ADS-B信号做多重调制。但是，1090MHz频点被二次监视雷达SSR、空中防 撞系统TCAS、交通信息服务广播TIS-B和军用敌我识别IFF等系统同时使用，增加信号广播 次数将加剧1090MHz的频谱拥塞和同频干扰问题，影响飞行安全。多频段传输则会带来多 种标准，适应民航全球互通的要求，飞机上可能装载多种系统，管理上也更加复杂化。第三 种方法对1090ES信号的幅度、相位和脉冲宽度等参量进行多重调制，增加传输的信息量， 且不需要增加信号广播次数，不占用其它的频段，也不影响现有的ADS-B系统的正常运行， 是扩充ADS-B信号容量的首选方法。本发明就是在1090ES脉位调制的基础上，对高电平信 号进行脉内调相，如图1所示，现有的ADS-B数据仍做PPM调制，而调相增加的数据用来传 输其他信息，增加了单次广播信号的数据容量，且兼容原有的ADS-B数据链。采用相位调制 需要解决以下关键问题：（1)信号的产生、调制和发送；（2)信号的接收、检测、解调和解码； (3) 载波同步、相位同步和时间同步；(4)相位不连续导致的频谱扩展。其中同步问题尤为 特殊，地面或者机载ADS-B接收机反复接收到多架机载ADS-B发射机广播的120ys信号， 是多发单收的突发通信，不能使用常规的同步方法。
【发明内容】
[0004] 本发明针对【背景技术】的关键问题提出一种用于ADS-B1090ES信号扩容的方法， 从而有效增加了ADS-B1090ES信号的信息传输容量，该方法的信号处理过程包括：信号发 射端对信号的采集、调制、发送，信号接收端对信号的接收、同步和解调解码。
[0005] 其中信号发射端包括步骤：
[0006] 步骤1 :采集所需发射的数据信息并对其进行PPM调制，产生PPM调制波形；
[0007] 步骤2 :对PPM调制波形每一个高电平子脉冲进行相位调制，当PPM调制波形连续 出现两个高电平时，将前一个高电平的后tys和后一个脉冲的前tys的载波进行相位变 化的分段线性过渡，t< 0. 5,得到发射波形；
[0008] 信号接收端包括步骤：
[0009] 步骤3 :接收发射波形，经过射频端滤波放大和混频处理，提取出混频后的中频信 号；
[0010] 步骤4 :对步骤3得到的中频信号进行A/D采样，得到中频采样序列；
[0011] 步骤5 :第一次载频同步：采用并行相关方法对中频采样序列的载波频率进行粗 计算，得到载波频率//;
[0012] 步骤6 :控制NCO产生频率为1的本振序列，然后与步骤4得到的中频信号序列进 行混频，并经过低通滤波得到基带信号；
[0013] 步骤7 :第二次载频同步：采用并行相关方法计算基带信号的载频偏差，对应其进 行校正，得到基带信号；
[0014] 步骤8 :对步骤7所得到的基带信号进行PPM解调，输出PPM信息；
[0015] 步骤9 :对步骤7所得到的基带信号采用误差前向反馈的相位判决方法进行相位 解调，输出相位信息。
[0016] 其中所述步骤2中对PPM调制波形每一个高电平子脉冲进行相位调制，当PPM调 制波形连续出现两个高电平时，将前一个高电平的后0. 2ys和后一个脉冲的前0. 2ys的 载波进行相位变化采用100个载波周期进行180度相位分段线性过渡，则每个脉冲周期需 要采用线性过渡法进行1. 8度的相位过渡。
[0017] 其中所述步骤5的具体步骤为：将频段分为以f:±35kHz、f:±25kHz、f:± 15kHz、 AiSkHz这8个频点为中心频率分为8个10kHz的频段，本地产生8个对应中心频率的 12ys序列，该12ys的序列包括8ys的前导脉冲和4个数据脉冲，将接收信号前12ys序 列与本地序列进行并行相关处理，以相关值最大判断信号载频所在的频段。
[0018] 其中所述步骤7的具体步骤为：
[0019]步骤7-1:将步骤6得到的基带信号表示为x(n)，表示如式1;采用正交双通道处 理，I、Q两路信号形式如式2、式3，g(n)包含了基带PPM信号的幅度包络，取值为0或1:
【主权项】
1. 一种基于相位调制的1090ES信号扩容方法，该方法信号处理过程包括：信号发射端 对信号的采集、调制、发送，信号接收端对信号的接收、同步、解调； 其中信号发射端包括步骤： 步骤1 :采集所需发射的数据信息并对其进行PPM调制，产生PPM调制波形； 步骤2 :对PPM调制波形每一个高电平子脉冲进行相位调制，当PPM调制波形连续出现 两个高电平时，将前一个高电平的后t μ s和后一个脉冲的前t μ s的载波进行相位变化的 分段线性过渡，t < 0. 5,得到发射波形； 信号接收端包括步骤： 步骤3 :接收发射波形，经过射频端滤波放大和混频处理，提取出混频后的中频信号； 步骤4 :对步骤3得到的中频信号进行A/D采样，得到中频采样序列； 步骤5 :第一次载频同步：采用并行相关方法对中频采样序列的载波频率进行粗计算， 得到载波频率A; 步骤6 :控制NCO产生频率为的本振序列，然后与步骤4得到的中频信号序列进行混 频，并经过低通滤波得到基带信号； 步骤7 :第二次载频同步：采用并行相关方法计算基带信号的载频偏差，对应其进行校 正，得到基带信号； 步骤8 :对步骤7所得到的基带信号进行PPM解调，输出PPM信息； 步骤9 :对步骤7所得到的基带信号采用误差前向反馈的相位判决方法进行相位解调， 输出相位信息。
2. 如权利要求1所述的一种基于相位调制的1090ES信号扩容方法，其特征在于所述步 骤2中对PPM调制波形每一个高电平子脉冲进行相位调制，当PPM调制波形连续出现两个 高电平时，将前一个高电平的后〇. 2 μ s和后一个脉冲的前0. 2 μ s的载波进行相位变化采 用100个载波周期进行180度相位分段线性过渡，则每个脉冲周期需要采用线性过渡法进 行1. 8度的相位过渡。
3. 如权利要求1所述的一种基于相位调制的1090ES信号扩容方法，其特征在于所述 步骤5的具体步骤为：将频段分为以A±35kHz、A±25kHz、AilSkHz、AiSkHz这8个频 点为中心频率分为8个IOkHz的频段，本地产生8个对应中心频率的12 μ s序列，该12 μ s 的序列包括8 μ s的前导脉冲和4个数据脉冲，将接收信号前12 μ s序列与本地序列进行并 行相关处理，以相关值最大判断信号载频所在的频段。
4. 如权利要求1所述的一种基于相位调制的1090ES信号扩容方法，其特征在于所述步 骤7的具体步骤为： 步骤7-1 :将步骤6得到的基带信号表示为X (η)，表示如式1 ;采用正交双通道处理，I、 Q两路信号形式如式2、式3, g(n)包含了基带PPM信号的幅度包络，取值为0或1 :
其中：A表示基带信号幅度值，M = 2、4、8表示分别表示采用BPSK、QPSK和8PSK调制， N (n)、Ni (n)、Nq (η)分别表不信号噪声； 步骤 7-2:计算瞬时相位，Θ (n) =arg tanUJrO/XiOi))，Θ (n) e (〇,2jt); 步骤 7-3 :计算瞬时相位差：Δ θ = mod ( θ (η+1) - θ (η)，2π)，Δ θ G (〇,2π); 步骤7-4 :剔除异常点，计算4个前导子脉冲内的平均相位差 步骤7-5 :计算载频偏差：δ/ = Κ^/2;γγ，τ = 1Zfs为采样时间间隔； 步骤7-6 :频偏校正：ν^ = ；φ卩.exp(_y2;rzV_fl>，y(n)是频偏估计和校正后的输出信 号。
5.如权利要求1所述的一种基于相位调制的1090ES信号扩容方法，其特征在于所述步 骤9的具体步骤为： 步骤9-1 :通过PPM信息的完成时间同步，确定扩容信号高电平子脉冲的位置，并将子 脉冲中间时刻采样点确定为最佳判决点； 步骤9-2 :计算最佳判决点的相位，如果是信号的前12 μ s，则更新0参考相位，否则将 判决点相位与〇参考相位的差值进行判决，输出判决解码信息； 步骤9-3 :计算判决相位误差，即判决输出的理想8PSK相位与判决点相位的误差； 步骤9-4 :判决相位误差通过环路滤波器，该滤波器是一个基带的低通滤波器，输出误 差相位的估计值^; 步骤9-5 :对下一次输入信号进行相位误差补偿，重复执行以上步骤直到完成112 μ s 的信号解调。
【专利摘要】该发明公开了一种基于相位调制的1090ES信号扩容方法，涉及民用航空的空管监视领域。信号处理过程包括：信号发射端对数据信息的采集、PPM和子脉冲相位双重调制、扩容信号发送，信号接收端对扩容信号的接收、同步、PPM信息和相位信息解调。关键技术和效果在于：1.调制过程采用分段线性相位过渡方法解决相位突变导致的频谱扩展问题，有效改善了扩容后1090ES信号的带宽特性；2.载频同步过程采用前导脉冲和4位数据脉冲进行两次同步，保证了同步的快速和准确性，有效解决了ADS-B接收机特殊的多发单收同步问题；3.基带相位信息解调过程采用了一种基于误差前向反馈的相位判决方法，有效提高了相位判决准确性。
【IPC分类】H04L27-26, H04L25-03, H04L27-38
【公开号】CN104539567
【申请号】CN201410811665
【发明人】王洪, 孙清清
【申请人】电子科技大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月23日