基于ADS—B的射頻前端接收技術(shù)研究

郭褚冰

【摘 要】隨著ADS-B航空器運(yùn)行監(jiān)視技術(shù)的快速發(fā)展，ADS-B接收系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化的需求也在逐漸的提高。本文主要圍繞ADS-B接收組件射頻前端接收技術(shù)進(jìn)行研究，提出射頻接收組件的總體設(shè)計(jì)方案和關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，并與信號(hào)處理單元和顯控單元進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。給出了前端接收組件的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果和測(cè)試方案以及聯(lián)調(diào)數(shù)據(jù)。

【關(guān)鍵詞】ADS-B；靈敏度；檢波器

本文從自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）的工作原理出發(fā)，設(shè)計(jì)了射頻接收組件的技術(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)架構(gòu)，并對(duì)射頻接收組件的設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，搭載測(cè)試系統(tǒng)對(duì)射頻接收組件進(jìn)行閉環(huán)測(cè)試并與數(shù)字處理單元和顯示控制單元進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證系統(tǒng)的性能。

1 ADS-B射頻接收組件架構(gòu)設(shè)計(jì)

ADS-B射頻接收組件應(yīng)用于ADS-B天線接收到的（-90dBm，-10dBm）信號(hào)強(qiáng)度的1090MHz的射頻信號(hào)，通過(guò)限幅、濾波、混頻、中頻放大、檢波等過(guò)程生成數(shù)字信號(hào)處理單元中A/D采樣模塊能夠識(shí)別和處理的檢波信號(hào)。

根據(jù)ADS-B接收系統(tǒng)實(shí)際工作的環(huán)境，分析出射頻組件的具體性能指標(biāo)，如表1所示。

2 ADS-B射頻組件關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 本振單元設(shè)計(jì)

2.1.1 鎖相環(huán)芯片

頻率合成技術(shù)目前有三種主要方法：一是，由混頻器、分頻器、倍頻器、濾波器分離元器件構(gòu)成。二是，直接數(shù)字頻率合成器（DDS），即通過(guò)查表的方式將對(duì)應(yīng)點(diǎn)數(shù)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換輸出。三是，鎖相環(huán)路（PLL）方法產(chǎn)生。三種方法中鎖相環(huán)路的方法在信號(hào)輸出穩(wěn)定度和噪聲系數(shù)上有較大優(yōu)勢(shì)，所以采用鎖相環(huán)路的方法實(shí)現(xiàn)本振的輸出。

一個(gè)典型的PLL系統(tǒng)，由鑒相器（PD），壓控振蕩器（VCO），低通濾波器（LPF）三個(gè)基本電路構(gòu)成。PLL電路在一個(gè)反饋電路的作用下，壓控振蕩器跟蹤一個(gè)相位穩(wěn)定的基準(zhǔn)參考信號(hào)源，直到兩個(gè)信號(hào)的相位信息一致，壓控振蕩器輸出一個(gè)穩(wěn)定的頻率。

ADS-B射頻模塊主要將接收到的1090MHz的射頻信號(hào)進(jìn)行下變頻，輸出110MHz的中頻信號(hào)，本振單元?jiǎng)t輸出1200MHz的本振信號(hào)與輸入信號(hào)進(jìn)行混頻。隨著集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，鎖相環(huán)單元可以將分頻器、相位檢測(cè)器、電荷泵、壓控振蕩器集成在一個(gè)芯片上，不僅減小了射頻組件的體積，在可測(cè)試性設(shè)計(jì)上也有較大的改進(jìn)。在這里我們采用ADI公司的一款成熟鎖相環(huán)芯片ADF4350頻率合成器主要用于提供本地振蕩信號(hào)和用于無(wú)線信道下變頻使用。包含一個(gè)低相位噪聲的相位檢測(cè)器（PFD），一個(gè)高精度的電荷泵（CP），可編程的輸入?yún)⒖挤诸l器，可編程的A/B計(jì)數(shù)器，以及一個(gè)雙模前置分頻器用來(lái)實(shí)現(xiàn)整數(shù)和小數(shù)分頻。通過(guò)外置低通濾波器使電荷泵電流轉(zhuǎn)化為壓控電壓用來(lái)控制內(nèi)部一個(gè)低相位噪聲的VCO，在環(huán)路鎖定的前提下輸出穩(wěn)定的電壓信號(hào)。

2.1.2 配置芯片

采用一款8位的C8051單片機(jī)，8個(gè)I/O端口和內(nèi)部可編程高精度振蕩器，I/O端口模擬ADF4351配置端口的時(shí)序?qū)LL芯片進(jìn)行配置。CLK為配置時(shí)鐘，DATA為輸入數(shù)據(jù)，LE為使能管腳。

本振需要輸出1.2GHz的頻點(diǎn)，參考輸入時(shí)鐘為10MHz，D=2，R=1，F(xiàn)RAC=0，可以得出INT=40，所以DATA數(shù)據(jù)線需要輸入的二進(jìn)制代碼為101000。

2.2 檢波器單元設(shè)計(jì)

普通的線性檢波器的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到60dB已經(jīng)比較困難，ADS-B接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍在70dB左右，而對(duì)數(shù)檢波的動(dòng)態(tài)范圍已經(jīng)達(dá)到90dB，滿足設(shè)計(jì)要求。

本文中采用AD8310是一種寬帶對(duì)數(shù)放大器，能夠在（0，400MHz）范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)包絡(luò)檢波，脈沖響應(yīng)時(shí)間為15ns，檢波動(dòng)態(tài)范圍是95dB，內(nèi)部包含9級(jí)相同的限幅放大器，將每一級(jí)的輸出分別檢波并送到加法器中使得輸出電壓與輸入電壓呈現(xiàn)對(duì)數(shù)關(guān)系。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

ADS-B射頻接收模塊實(shí)物圖如圖所示，模塊需要5V直流供電電源，ADS-B接收天線，信號(hào)源和示波器。

4 總結(jié)

ADS-B技術(shù)的應(yīng)用極大的提升了航空器運(yùn)行監(jiān)視技術(shù)的性能，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)功能的分析得出射頻組件的技術(shù)指標(biāo)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了頻率合成單元，濾波器單元和檢波器單元。在后期模塊測(cè)試和整機(jī)測(cè)試環(huán)節(jié)中，射頻接收模塊性能優(yōu)異。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]