一種基于AD9361的ADS-B多目標(biāo)信號(hào)源設(shè)計(jì)

王 杰

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

0 引 言

ADS-B利用空地、空空數(shù)據(jù)鏈通信完成空中交通監(jiān)視和信息傳遞。與傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)相比，ADS-B可靠性更高，能提供更加精確和實(shí)時(shí)的飛機(jī)位置信息、狀態(tài)信息和其他監(jiān)視信息等。此外，ADS-B的建設(shè)投資費(fèi)用只有傳統(tǒng)雷達(dá)的十分之一，而且維護(hù)費(fèi)用低、使用壽命長(zhǎng)，大大降低了空中交通管理所需要的費(fèi)用和成本。

針對(duì)ADS-B的研制主要借助于IFR-6000這類(lèi)專(zhuān)用二次雷達(dá)信號(hào)源或可加載ADS-B波形文件的信號(hào)源，如安捷倫4438C和RS SMW200A等。此類(lèi)信號(hào)源只能測(cè)試設(shè)備對(duì)單一目標(biāo)的接收處理能力，對(duì)ADS-B的多目標(biāo)處理能力，如解交織、系統(tǒng)吞吐量等指標(biāo)測(cè)試能力嚴(yán)重不足。因此，ADS-B設(shè)備整機(jī)的性能指標(biāo)、功能指標(biāo)及多目標(biāo)環(huán)境下的處理能力測(cè)試只能借助于外場(chǎng)試飛或機(jī)場(chǎng)實(shí)地測(cè)試等，這將大大增加系統(tǒng)的研制經(jīng)費(fèi)和設(shè)備的研發(fā)周期。

1 多目標(biāo)信號(hào)合成理論依據(jù)

當(dāng)前的多目標(biāo)信號(hào)合成技術(shù)主要在基帶實(shí)現(xiàn)，通過(guò)控制信號(hào)之間的延遲來(lái)模擬真實(shí)目標(biāo)的距離，通過(guò)控制信號(hào)的幅度來(lái)模擬真實(shí)目標(biāo)的功率，但是該方法只能模擬部分幅度調(diào)制信號(hào)的多目標(biāo)合成，而對(duì)于BPSK或DBPSK等相位調(diào)制信號(hào)的多目標(biāo)模擬則顯得無(wú)能為力。如果能在射頻域通過(guò)控制各目標(biāo)的幅度和延遲實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)信號(hào)的合成，將大大逼近空間信號(hào)實(shí)際的合成效果。

(1)目標(biāo)距離的生成

根據(jù)電磁波在空間的傳播公式，通過(guò)設(shè)置不同的時(shí)間延遲來(lái)模擬真實(shí)信號(hào)在空間傳播過(guò)程，其公式為

t=d/v

(1)

式中，d為模擬目標(biāo)和真實(shí)目標(biāo)的距離；t為模擬目標(biāo)和真實(shí)目標(biāo)的時(shí)間延遲；v=3×108m/s為電磁波在空間的傳播速度。

(2)目標(biāo)功率的生成

針對(duì)不同距離上的模擬目標(biāo)信號(hào)，可換算成對(duì)應(yīng)的幅度值來(lái)控制每一路輸出信號(hào)的幅度，從而模擬真實(shí)目標(biāo)信號(hào)經(jīng)過(guò)空間傳播后的電磁衰減，其計(jì)算公式為

L=-32.44-20logf-20logd

(2)

式中，L為電磁波傳播的路徑衰減，dB；f為發(fā)射信號(hào)的射頻頻率，MHz；d為模擬目標(biāo)和真實(shí)目標(biāo)的距離，km。

(3)多目標(biāo)合成理論

假定經(jīng)過(guò)編碼和調(diào)制后的基帶信號(hào)為

A1S1(t-Δτ1)，A2S2(t-Δτ2)，…，ANSN(t-ΔτN)

(3)

則經(jīng)過(guò)AD9361變頻到射頻后的合成信號(hào)為

S合(t)=A1S1(t-Δτ1)ejω0t+A2S2(t-Δτ1)ejω0t+…

(4)

式中，Ai為第i個(gè)目標(biāo)的幅度；Δτi為第i個(gè)目標(biāo)的距離延遲；ω0為射頻角頻率，此處ω0=2π*1 090 MHz。

本文提出的合成信號(hào)在射頻域完成，各路生成信號(hào)之間相互獨(dú)立、并行處理，更好地保留了基帶信號(hào)的相位特性。

2 AD9361芯片總體架構(gòu)

AD9361這類(lèi)集成度很高的射頻頻率捷變芯片的問(wèn)世讓射頻域?qū)崿F(xiàn)多目標(biāo)合成的技術(shù)迎刃而解。AD9361芯片是一款面向3G和4G基站應(yīng)用的高集成度、高性能的射頻收發(fā)器，由2×2收發(fā)器、SPI配置接口、AUXADC、內(nèi)部PLL等組成，每個(gè)通道都有獨(dú)立的低噪放、混頻器、放大器、濾波器等，并且可靈活控制每一路輸出信號(hào)的衰減。其發(fā)射處理流程如圖1所示。

圖1 AD9361發(fā)射處理流程

3 基本原理

當(dāng)前我國(guó)的ADS-B信號(hào)主要采用基于S模式的1090ES數(shù)據(jù)鏈，其信號(hào)工作的頻率是1 090 MHz，有四個(gè)同步頭，其同步采用ASK調(diào)制方式，同步頭之間的位置固定，同步頭后面跟112 bit的信息位，信息編碼格式采用脈沖位置編碼方式，即用01表示消息位的bit為0，用10表示消息位的bit為1。ADS-B OUT發(fā)射機(jī)通過(guò)發(fā)射天線將自身的導(dǎo)航信息(包括經(jīng)度、緯度、高度和速度等)通過(guò)特定格式發(fā)送出去。ADS-B信號(hào)格式如圖2所示。

圖2 ADS-B信號(hào)格式

針對(duì)當(dāng)前我國(guó)ADS-B信號(hào)的特點(diǎn)，采用基于AD9361技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式，其基本原理如圖3所示?？刂颇K根據(jù)用戶(hù)需求產(chǎn)生相應(yīng)目標(biāo)的經(jīng)緯度、高度、航速和航向等編碼信息，其中每個(gè)目標(biāo)均有唯一的一組地址碼數(shù)據(jù)。同時(shí)，根據(jù)模擬目標(biāo)距離并結(jié)合電磁波空間傳播公式，計(jì)算各模擬目標(biāo)相對(duì)于真實(shí)目標(biāo)的距離延時(shí)。各目標(biāo)的編碼信息和距離信息送入ADS-B基帶，生成模塊生成對(duì)應(yīng)的基帶I、Q信號(hào)后送入到AD9361。根據(jù)信號(hào)功率距離衰減公式生成功率控制字來(lái)控制AD9361的衰減寄存器。由于各用戶(hù)的需求不一致，根據(jù)用戶(hù)定制的多目標(biāo)合成路數(shù)控制矩陣開(kāi)關(guān)的輸出路數(shù)后送至合路器。由于AD9361 輸出的最大功率是5 dBm，如果需要更大的發(fā)射功率，可通過(guò)控制功放選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖3 基于AD9361的多目標(biāo)合成實(shí)現(xiàn)原理

4 基于多目標(biāo)設(shè)計(jì)的總體硬件實(shí)現(xiàn)

每片AD9361可實(shí)現(xiàn)兩路射頻信號(hào)的發(fā)射。受限于板卡的體積及用戶(hù)的具體需求，本設(shè)計(jì)方案采用ZYNQ和AD9361組合方式，最多可以模擬12路空間信號(hào)的合成，用戶(hù)也可根據(jù)自身需求定制合成多目標(biāo)信號(hào)數(shù)量。ZYNQ的PS部分主要負(fù)責(zé)接收上位機(jī)從網(wǎng)口下發(fā)的各通道的編碼信息與配置信息，同時(shí)用功率控制信息控制每一路AD9361相應(yīng)寄存器。ZYNQ 部分根據(jù)PS送入的配置信息完成基帶信號(hào)的生成。硬件實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

圖4 基于AD9361的多目標(biāo)合成總體硬件設(shè)計(jì)

圖4中的功放最多可支持12路1 090 MHz射頻信號(hào)的同時(shí)合成，每一路可在FPGA里獨(dú)立配置幅度和發(fā)射延遲。鑒于多目標(biāo)信號(hào)源的體積功耗等因素，且實(shí)驗(yàn)室聯(lián)試主要集中于有線聯(lián)試，故選用約20 dB左右的功放，配合AD9361內(nèi)置的功放一起工作，信號(hào)合成后發(fā)射功率盡量工作于功放的線性區(qū)，以減少合路器和功放對(duì)信號(hào)波形畸變的影響。

上位機(jī)根據(jù)目標(biāo)的位置信息生成各通路的ADS-B編碼信息、距離延遲信息和幅度衰減信息，ZYNQ根據(jù)上位機(jī)下發(fā)的配置參數(shù)配置AD9361的各通道工作參數(shù)。在各通道配置完成后下發(fā)啟動(dòng)指令，完成該次多目標(biāo)模擬信號(hào)的發(fā)射。信號(hào)發(fā)射啟動(dòng)流程如圖5所示。

圖5 信號(hào)發(fā)射啟動(dòng)流程

5 仿真分析

AD9361作為零中頻的射頻頻率捷變器，其輸出信號(hào)是射頻信號(hào)，射頻頻率為1 090 MHz，由于當(dāng)前無(wú)法通過(guò)示波器直接觀察信號(hào)合成效果，下面通過(guò)Matlab仿真分析，并結(jié)合PFGA實(shí)采中頻信號(hào)觀察實(shí)際的信號(hào)合成效果。

通過(guò)上位機(jī)計(jì)算目標(biāo)的幅度和距離延遲，生成配置參數(shù)，控制ZYNQ啟動(dòng)信號(hào)的合成流程。生成的單路ADS-B信號(hào)如圖6、圖7所示，其中圖6是通過(guò)Matlab產(chǎn)生的一個(gè)目標(biāo)的ADS-B射頻信號(hào)，圖7是FPGA信號(hào)采集板實(shí)采的ADS-B信號(hào)中頻信號(hào)。經(jīng)過(guò)AD9361多路合成的1 090 MHz射頻模擬信號(hào)接入工程樣機(jī)接收通道中，經(jīng)過(guò)前端的超外差接收機(jī)后變成140 MHz的中頻模擬信號(hào)，然后經(jīng)AD數(shù)字采樣后進(jìn)FPGA，此時(shí)的采樣率為192 MHz。

圖6 Matlab仿真的ADS-B射頻信號(hào)

圖7 FPGA實(shí)采的ADS-B中頻信號(hào)

當(dāng)兩信號(hào)幅度相差6 dB、距離相差93 750 m時(shí)產(chǎn)生的兩信號(hào)合成效果如圖8、圖9所示。圖9給出的是FPGA波形抓取軟件實(shí)采的兩個(gè)ADS-B的多目標(biāo)合成效果。

圖8 兩目標(biāo)相距93 750 m的射頻信號(hào)

圖9 FPGA實(shí)采相距93 750 m的140 MHz中頻信號(hào)

當(dāng)兩個(gè)ADS-B信號(hào)合成，距離相差2 400 m、幅度相差6 dB時(shí)，fc=1 090 MHz的合成效果如圖10、圖11所示。

圖10 兩目標(biāo)相距2 400 m的射頻信號(hào)

圖11 FPGA實(shí)采相距2 400 m的140 MHz中頻信號(hào)

由仿真分析可知，當(dāng)目標(biāo)之間距離較近時(shí)，合成后的同步頭部分疊加在一起，相鄰碼片部分重疊；當(dāng)目標(biāo)的距離足夠近，且合成目標(biāo)設(shè)置為4路時(shí)，可測(cè)試ADS-B IN設(shè)備的解交織效果。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文基于當(dāng)前ADS-B IN設(shè)備開(kāi)發(fā)中面臨的系統(tǒng)性能指標(biāo)無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室完成測(cè)試的問(wèn)題，提出了基于AD9361的多目標(biāo)信號(hào)源設(shè)計(jì)思路，利用現(xiàn)有的成熟器件完成了系統(tǒng)的總體硬件方案，并通過(guò)仿真證實(shí)了該方法的實(shí)用性和可靠性。該方法采用射頻信號(hào)的合成方式，各路信號(hào)獨(dú)立生成，并行處理，當(dāng)輸出射頻信號(hào)后再通過(guò)合路器合成，信號(hào)調(diào)制方式對(duì)合成效果無(wú)任何影響。利用該方法設(shè)計(jì)的信號(hào)源功耗低，體積小，價(jià)格實(shí)惠，便于惡劣環(huán)境下的外場(chǎng)攜帶和使用，可大幅降低該體制空管設(shè)備的研發(fā)成本，縮短研制周期。此類(lèi)信號(hào)源不僅可以針對(duì)ADS-B信號(hào)完成多路目標(biāo)的合成，也可以擴(kuò)展到整個(gè)空管系統(tǒng)中，如S模式、TACAS和A/C模式等。