韓曉霞，田書(shū)林，李 力

（電子科技大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，四川 成都 611731）

0 引 言

二次雷達(dá)也稱(chēng)空管雷達(dá)信標(biāo)系統(tǒng)（air traffic control radar beacon system，ATCRBS），其信號(hào)分為詢(xún)問(wèn)信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)2種，頻率分別為1030MHz和1 090MHz，將發(fā)送信息通過(guò)特定的調(diào)制方式進(jìn)行處理后發(fā)送。典型的信號(hào)模式與調(diào)制方式對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

圖1 二次雷達(dá)信號(hào)調(diào)制方式

二次雷達(dá)信號(hào)解碼過(guò)程可根據(jù)其信號(hào)特點(diǎn)對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)。其中A、C詢(xún)問(wèn)模式可經(jīng)過(guò)脈沖幅度解調(diào)，然后根據(jù)解譯脈沖的間隔實(shí)現(xiàn)譯碼；A、C應(yīng)答模式在脈沖幅度解調(diào)基礎(chǔ)上結(jié)合其脈沖框架形狀和特殊的碼元分布位置實(shí)現(xiàn)譯碼；S模式應(yīng)答信號(hào)的解調(diào)譯碼與A、C模式相似，只是在應(yīng)答數(shù)據(jù)部分采用脈位調(diào)制方式，1個(gè)碼元信號(hào)分為正反兩部分，根據(jù)其位置是01或者10的不同來(lái)判斷碼元為0或1。以上3種模式的譯碼實(shí)現(xiàn)均可直接在脈沖幅度階調(diào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)方式較為簡(jiǎn)單。S模式詢(xún)問(wèn)信號(hào)同時(shí)采用了脈沖幅度調(diào)制和相位調(diào)制2種方式，解譯過(guò)程中需要通過(guò)其脈沖幅度調(diào)制信息獲得信號(hào)框架，而傳輸?shù)挠杏眯畔t需要從相位調(diào)制信息中進(jìn)行提取，解譯過(guò)程相對(duì)比較復(fù)雜。該文針對(duì)S模式詢(xún)問(wèn)信號(hào)進(jìn)行軟件譯碼分析，最終實(shí)現(xiàn)信息的恢復(fù)，包括信號(hào)模式與碼元信息[1]。

1 正交解調(diào)的原理

調(diào)制信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：ωc——載波角頻率。

調(diào)制信號(hào)分別“寄生”于已調(diào)信號(hào)的振幅、頻率和相位中，相應(yīng)的調(diào)制就是調(diào)幅、調(diào)頻及調(diào)相3種調(diào)制方式。將式（1）分解，得

其中

式（3）和式（4）分別為調(diào)制信號(hào)中同相和正交的I、Q分量，它們包含了調(diào)制信號(hào)的幅度和相位信息。通過(guò)對(duì)兩分量的處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)二次雷達(dá)信號(hào)的解調(diào)。正交解調(diào)必須首先完成正交分解[2]，常用的數(shù)字正交下變頻法正交分解框圖如圖2所示[3]。

圖2 數(shù)字正交解調(diào)原理圖

經(jīng)過(guò)數(shù)字正交下變頻和低通濾波后形成I、Q 2路基帶信號(hào)，可通過(guò)I、Q 2路正交信號(hào)計(jì)算出信號(hào)的幅度和相位等參數(shù),具體算法為[4]

2 軟件解調(diào)算法及實(shí)現(xiàn)

2.1 信號(hào)分析

信號(hào)分析如圖3所示。

（1）S 模式詢(xún)問(wèn)信號(hào)由 P1、P2、P5、P6等脈沖組成。

（2）其中P1、P2為等幅前導(dǎo)脈沖，為ASK調(diào)制信號(hào)。

（3）P5是在P6差動(dòng)相移鍵控詢(xún)問(wèn)信號(hào)上覆蓋的旁瓣抑制信號(hào)，如果同步倒相位置被P5所覆蓋，S模式應(yīng)答機(jī)將不會(huì)在P6的同步倒相位置中拾到信號(hào)，因而S模式應(yīng)答機(jī)將不會(huì)對(duì)旁瓣信號(hào)作回答。

（4）P6前 1.25μs信號(hào)為等幅脈波，與 P1、P2同為ASK調(diào)制，1.25μs后等幅波的相位倒相180°，此后信號(hào)為DPSK信號(hào)。之后0.5μs的倒相等幅波作為第1碼元前的起始基準(zhǔn)相位。串行的“碼元”中把信息存在P6之內(nèi)，第1碼元開(kāi)始產(chǎn)生在同步倒相（SPR）之后的0.5μs處。

（5）DPSK調(diào)制信號(hào)即是利用前后碼元的相對(duì)載波相位值傳送數(shù)據(jù)信息。由前面可知DPSK信號(hào)位于P6脈沖中，包含“起始基準(zhǔn)”、“碼元信息”和“保護(hù)間隔”3部分，進(jìn)行最終譯碼的為“碼元信息”。信號(hào)如圖4所示。

圖3 S模式詢(xún)問(wèn)信號(hào)（ASK+DPSK調(diào)制）

圖4 S模式DPSK信號(hào)

（6）S模式詢(xún)問(wèn)信號(hào)分為短碼、長(zhǎng)碼2種。短碼有 0，4，5，11 號(hào)格式；長(zhǎng)碼有 16，20，21，24 號(hào)格式。

2.2 傳統(tǒng)的載波恢復(fù)方法

傳統(tǒng)的對(duì)S模式詢(xún)問(wèn)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)的方法是采用載波恢復(fù)的方式。

2.2.1 載波峰值恢復(fù)

處理方法：將中頻采集數(shù)據(jù)進(jìn)行由小至大排序，然后舍棄最大的n個(gè)點(diǎn)（剔除毛刺產(chǎn)生的壞點(diǎn)影響），取第n+1個(gè)最大點(diǎn)為參考最大值點(diǎn)V1，之后取符合條件|Xi-V1|＜δ的第（n+1）～（n+m）共 m 個(gè)點(diǎn)作平均得到最大值Vmax，最后用類(lèi)似方法求得最小值點(diǎn)Vmin，計(jì)算得到峰值 Vp＝Vmax－Vmin。

存在的問(wèn)題：當(dāng)采樣數(shù)據(jù)在一個(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)比較少時(shí)，不能保證采樣到峰值數(shù)據(jù)，有一定的缺陷。

2.2.2 載波相位恢復(fù)

處理方法：在已知峰值數(shù)據(jù)Vp的情況下，由于f（t）=Vp·cos（ωt+ph），可根據(jù)任意點(diǎn)的采樣值求解得到對(duì)應(yīng)的載波相位ph=arccos（f（t）/x）-ωt。

存在的問(wèn)題：由于載波頻率的影響，可能設(shè)定載波頻率誤差允許范圍過(guò)寬，則在恢復(fù)載波相位時(shí)使用誤差較大的頻率值，導(dǎo)致恢復(fù)出的波形上顯示與實(shí)際載波相位誤差明顯過(guò)大。

2.2.3 載波頻率恢復(fù)

處理方法：可以考慮為模擬中連續(xù)波形的情況，假設(shè)以某一點(diǎn)的值L為參考值，在整個(gè)波形中尋找這樣的點(diǎn)，并對(duì)這樣的點(diǎn)進(jìn)行計(jì)數(shù)（計(jì)數(shù)值為count）。已知從第1個(gè)值為L(zhǎng)的點(diǎn)到最后1個(gè)點(diǎn)所跨越Ln的時(shí)間T_wide，載波周期T=T_wide/（count-1），載頻f=（count-1）/T_wide，由于誤差的存在，并且實(shí)際處理的數(shù)字信號(hào)一般不可能在每個(gè)周期中都找到等于參考值的點(diǎn)，因此需要運(yùn)用“穿越次數(shù)”的思想來(lái)對(duì)“滿(mǎn)足條件”的點(diǎn)進(jìn)行計(jì)數(shù)。所謂“穿越次數(shù)”，即是以1個(gè)固定的值為參考標(biāo)準(zhǔn)值，以在上升沿每穿越1次，進(jìn)行1次計(jì)數(shù)，即可以表示在本周期內(nèi)找到1個(gè)“參考值”。

存在的問(wèn)題：由于采樣率和載波頻率的影響，不能保證計(jì)數(shù)終點(diǎn)到計(jì)數(shù)起點(diǎn)間所跨越的時(shí)間為載波周期的整數(shù)倍而在最后計(jì)算載波頻率時(shí)產(chǎn)生誤差[5-7]。

2.3 信號(hào)解調(diào)實(shí)現(xiàn)

由于傳統(tǒng)的采用載波恢復(fù)的方法產(chǎn)生的誤差較大，需要找到一種正確率更高的方法。在詳細(xì)分析所要研究的S模式詢(xún)問(wèn)信號(hào)特點(diǎn)后，可以得出幅度和相位信息是正確譯碼的關(guān)鍵[8]。已知In，Qn為正交解調(diào)n時(shí)刻的2路采樣值，則：

信號(hào)幅度平方（利用信號(hào)幅度，找出脈沖）為

信號(hào)相位信息：設(shè)In-1，Qn-1為n-1時(shí)刻I路與Q路的采樣值，則

分別為前后2個(gè)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)的相位差的正弦、余弦值，分別稱(chēng)之為點(diǎn)積、叉積。由于相位差要么為0（同相），要么為π（反向），因此通過(guò)點(diǎn)積值大小或符號(hào)可判決相差大小，獲取相位信息[9]。

I、Q兩路解調(diào)信號(hào)頻率：

式中：f——中頻60MHz；

f0——試驗(yàn)中實(shí)際采樣率200MHz。

該文分別以短碼5號(hào)格式和長(zhǎng)碼16號(hào)格式為例，對(duì)S模式詢(xún)問(wèn)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)譯碼，DPSK解調(diào)實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示。

圖5 S模式詢(xún)問(wèn)信號(hào)解調(diào)流程圖

圖6 5號(hào)格式詢(xún)問(wèn)信號(hào)中頻基帶信號(hào)

圖7 5號(hào)格式詢(xún)問(wèn)信號(hào)解調(diào)后的信號(hào)

圖6為S模式5號(hào)格式的中頻信號(hào)，即接收機(jī)接到的信號(hào)。經(jīng)過(guò)正交解調(diào)的方法處理后，獲得信號(hào)解調(diào)后的包絡(luò)信號(hào)如圖7所示。

圖8和圖9顯示的圖像分別為長(zhǎng)碼16號(hào)格式中頻信號(hào)及正交解調(diào)后的包絡(luò)信號(hào)。

圖8 16號(hào)格式詢(xún)問(wèn)信號(hào)中頻信號(hào)

圖9 16號(hào)格式詢(xún)問(wèn)信號(hào)解調(diào)后的信號(hào)

3 譯碼及結(jié)果顯示

S模式詢(xún)問(wèn)信號(hào)DPSK相位解調(diào)原則：前后碼元相位倒相為1，同相則為0。圖10和圖11分別為示波器截取的短碼和長(zhǎng)碼DPSK解調(diào)之后的P6信號(hào)，信號(hào)為0、1組成的脈沖。通過(guò)對(duì)比圖形脈沖寬度和碼元寬度可以獲得P6的碼元組成。

圖10 短碼P6內(nèi)部碼元信息

圖11 長(zhǎng)碼P6內(nèi)部碼元信息

圖12 S模式詢(xún)問(wèn)信號(hào)5號(hào)格式譯碼顯示

圖13 S模式詢(xún)問(wèn)信號(hào)16號(hào)格式譯碼顯示

按照相應(yīng)的譯碼規(guī)則就能得到S模式詢(xún)問(wèn)信號(hào)所蘊(yùn)含的信息[10]。以飛機(jī)格式與飛機(jī)地址為例：P6碼元信號(hào)前5位表示飛機(jī)格式，最后24位為地址+奇偶校驗(yàn)位。

解譯結(jié)果如圖12和圖13所示（其中軟件譯出的飛機(jī)地址以十六進(jìn)制顯示）。

4 結(jié)束語(yǔ)

給出了基于正交解調(diào)的二次雷達(dá)S模式詢(xún)問(wèn)信號(hào)的軟件譯碼實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)要介紹了載波恢復(fù)方法及注意事項(xiàng)和正交解調(diào)DPSK信號(hào)的方法。在實(shí)際應(yīng)用中，需要對(duì)所研究的信號(hào)進(jìn)行詳細(xì)的分析，最終選用簡(jiǎn)單高效的途徑。實(shí)驗(yàn)證明，該文所介紹的軟件譯碼方式能成功解譯接收機(jī)所接收信號(hào)，誤碼率較小。

[1]黎延璋.空中交通管制機(jī)載應(yīng)答機(jī)[M].北京：中國(guó)民航出版社，1992.

[2]曹志剛，餞亞生.現(xiàn)代通信原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，1992.

[3]赫建華，江修富，許斌.正交調(diào)制解調(diào)算法在軟件無(wú)線(xiàn)電中的應(yīng)用[J].航空電子技術(shù)，2005，36（2）：6-9.

[4]Diniz P S R，Silva E A B，Netto S L.數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[5]楊小牛.軟件無(wú)線(xiàn)電原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.

[6]羅吉.數(shù)字調(diào)制信號(hào)識(shí)別算法研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2005：25-32.

[7]吳丹.通信信號(hào)調(diào)制方式分類(lèi)識(shí)別算法研究[D].成都：電子與信息技術(shù)研究院，2007：37-49.

[8]錢(qián)晀.IFF信號(hào)的分析與識(shí)別研究[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2008：27-33.

[9]趙星.通信信號(hào)調(diào)制樣式識(shí)別技術(shù)[D].成都：電子科技大學(xué)，2006：12-13.

[10]陳長(zhǎng)齡，田書(shū)林，師奕兵，等.自動(dòng)測(cè)試及接口技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.