楊維波，何曉，趙強(qiáng)

（成都西科微波通訊有限公司，四川成都，610072）

0 引言

ADS-B(廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視，Automatic Dependent Surveillance-Broadcast,)是一種基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和空對(duì)空、地對(duì)空數(shù)據(jù)鏈通信，集通信、衛(wèi)星導(dǎo)航和監(jiān)視技術(shù)于一體的航空器運(yùn)行監(jiān)視技術(shù)。由于國(guó)際民航組織（ICAO）的推動(dòng)，ADS-B已是新一代空中交通管理系統(tǒng)重要組成部分。

目前有3種數(shù)據(jù)鏈供用戶選擇：基于異頻雷達(dá)收發(fā)機(jī)的1090ES 數(shù)據(jù)鏈的S模式、模式4的甚高頻數(shù)據(jù)鏈（VDL-4）、通用通路異頻雷達(dá)收發(fā)機(jī)（UAT）【1-2】、。其中國(guó)際民航組織推薦使用的1090ES是全球可互用ADS-B地空數(shù)據(jù)鏈。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)關(guān)于1090ES接收機(jī)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用有諸多介紹【3-4】。本文介紹了基于1090ES一次變頻的超外差變頻及中頻數(shù)字化接收處理設(shè)備一種設(shè)計(jì)。

1 信號(hào)格式

1090ES的信息格式是簡(jiǎn)單的脈沖編碼，如圖1所示，分別由8uS的前同步脈沖串和112uS的數(shù)據(jù)脈沖構(gòu)成長(zhǎng)應(yīng)答信號(hào)格式。

圖1 1090ES脈沖格式

前同步脈沖是由起始的8uS內(nèi)兩組0.5uS寬的脈沖對(duì)組成。數(shù)據(jù)脈沖是由脈位調(diào)制的，其脈位位置隨著調(diào)制信息的二進(jìn)制數(shù)而進(jìn)行變化,所有脈沖的幅度和寬度是不變的。每位1uS間隔的前半周0.5uS內(nèi)有脈沖時(shí)，可見(jiàn)邏輯電平為1；每位的后半周0.5uS內(nèi)有脈沖時(shí)，可見(jiàn)邏輯電平為0。

1090ES的112bit數(shù)據(jù)部分應(yīng)用DF17格式，包含有5個(gè)主要任務(wù)字段，詳見(jiàn)圖2。有圖2可見(jiàn)5bit格式描述符為第一個(gè)字段，1090ES則為固定值17（十進(jìn)制數(shù)）；3bit的設(shè)備能力（CA）為第二個(gè)字段，描述了設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸能力；24位的設(shè)備唯一地址碼（AA）為第三個(gè)字段；56位消息信息（ME）為第四個(gè)字段，即設(shè)備的速度、呼號(hào)、位置等信息；24位PI信息為第五個(gè)字段，它提供奇偶檢驗(yàn)和CRC檢驗(yàn)，用于糾正錯(cuò)誤檢測(cè)。

圖2 1090ES DF17格式任務(wù)字段

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

接受處理設(shè)備內(nèi)部原理框圖，如圖3所示。設(shè)計(jì)時(shí)考慮到提高設(shè)備集成度和增加便攜性，采用一體化設(shè)計(jì)，將GPS/北斗天線、射頻信號(hào)接收天線、GPS/北斗接收模塊、射頻接收組件、信號(hào)采集處理模塊、電源模塊等功能模塊全部集成在一個(gè)機(jī)箱中。

圖3 接收處理設(shè)備原理框圖

如圖3所示，1090ES信號(hào)被天線接收后進(jìn)入射頻接收組件。射頻接收組件采用采用一次變頻體制，將射頻信號(hào)下變頻到70MHz中頻，輸出到信號(hào)采集處理模塊。信號(hào)采集處理模塊對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行高速ADC采集、脈沖信號(hào)檢測(cè)和脈沖參數(shù)測(cè)量，輸出全脈沖參數(shù)（PDW）。

GPS/北斗接收模塊與天線一同完成設(shè)備的高精度授時(shí)和自定位。

接收處理設(shè)備通過(guò)千兆以太網(wǎng)接口與系統(tǒng)上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，系統(tǒng)可通過(guò)該網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制、狀態(tài)監(jiān)視和數(shù)據(jù)讀取。

2.1 射頻信號(hào)天線設(shè)計(jì)

接收天線由4個(gè)背腔偶極子單元以及對(duì)應(yīng)的功分網(wǎng)絡(luò)組成。背腔偶極子天線單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，饋電方便，定向性較好，工作帶寬較寬。功分器網(wǎng)絡(luò)用于背腔偶極子單元的饋電以及幅度加權(quán)，達(dá)到降低俯仰面副瓣電平的目的。另外合理的幅度加權(quán)還可以達(dá)到擴(kuò)展天線波束寬度的目的。

該天線波束寬度特性為方位向≥100°，俯仰≥20°。

2.2 射頻接收組件

射頻接收組件的原理框圖如圖4所示。射頻接收組件采用一次變頻接收體制，集成了1個(gè)獨(dú)立的變頻通道和1個(gè)獨(dú)立的本振源。

圖4 射頻接收組件原理框圖

1090MHz信號(hào)首先經(jīng)過(guò)限幅、帶通濾波器，分別對(duì)大信號(hào)信號(hào)進(jìn)行限幅、帶外信號(hào)與鏡頻信號(hào)進(jìn)行抑制，再下變頻到70MHz中頻。經(jīng)窄帶濾波后，再經(jīng)過(guò)一個(gè)幅度校正衰減器后通過(guò)中頻放大器放大，最后通過(guò)一個(gè)低通濾波器后輸出給信號(hào)采集處理模塊進(jìn)行采樣處理。

2.3 信號(hào)采集處理模塊

信號(hào)采集處理模塊的原理框圖如圖 5所示。信號(hào)采集處理模塊主要功能是實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集及信號(hào)處理。模塊使用高速ADC對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采集，信道化為中頻數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行處理分析得到脈沖描述字（PDW，包含脈寬、幅度、到達(dá)時(shí)間、時(shí)標(biāo)等信息），再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口傳輸至上位機(jī)。信號(hào)采集處理模塊的核心控制器為FPGA，負(fù)責(zé)信號(hào)采集、信號(hào)處理、射頻通道控制等。MCU主要實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)和對(duì)外的各種接口，MCU內(nèi)置嵌入式Linux操作系統(tǒng)，可靠性高，可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。

圖5 信號(hào)采集處理模塊的原理框圖

3 關(guān)鍵指標(biāo)分析

3.1 工作靈敏度

可以根據(jù)接收通道主要部件噪聲系數(shù)、AD器件的噪聲系數(shù)增和益分配數(shù)據(jù)，利用噪聲系數(shù)級(jí)聯(lián)計(jì)算公式計(jì)算出接收支路總的噪聲系數(shù)NF=2.57dB。

數(shù)字接收機(jī)接收靈敏度公式見(jiàn)下式：

接收信號(hào)帶寬為B=8 MHz,信號(hào)處理正確解碼要求的信噪比為SNR=13dB，則接收工作靈敏度Prmin為-89.39dBm，滿足要求設(shè)備工作靈敏度優(yōu)于-87dBm的要求。

3.2 偵收距離

在通視條件下，接收機(jī)的最大偵收距離計(jì)算公式如下所示：

目標(biāo)發(fā)射功率Pt為500W，目標(biāo)發(fā)射天線副瓣增益Gt為0dBi，偵收設(shè)備接收天線主瓣增益Gr為10dBi，目標(biāo)信號(hào)頻率為1090MHz，大氣損耗L為0dB，偵收設(shè)備接收靈敏度Prmin為-87dBm，可計(jì)算在通視條件下的偵收距離R為1096Km，滿足指標(biāo)優(yōu)于500Km的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于1090ES的ADS-B信號(hào)接收處理設(shè)備的設(shè)計(jì)方案，并已在工程中得以應(yīng)用。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，設(shè)備的接收靈敏度、偵收距離都優(yōu)于指標(biāo)要求。

設(shè)備采用了一體化設(shè)計(jì)，將功能單元集成為一體。在使用時(shí)可以安裝固定在三腳支架上，也可以使用抱箍等安裝附件進(jìn)行上墻上桿安裝。設(shè)備具有結(jié)構(gòu)緊湊、架設(shè)和拆卸方便、可靠性高等特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。