二次雷達S模式詢問信號的解調譯碼實現

韓曉霞，田書林，李 力

（電子科技大學自動化工程學院，四川 成都 611731）

0 引 言

二次雷達也稱空管雷達信標系統（air traffic control radar beacon system，ATCRBS），其信號分為詢問信號和應答信號2種，頻率分別為1030MHz和1 090MHz，將發送信息通過特定的調制方式進行處理后發送。典型的信號模式與調制方式對應關系如圖1所示。

圖1 二次雷達信號調制方式

二次雷達信號解碼過程可根據其信號特點對應實現。其中A、C詢問模式可經過脈沖幅度解調，然后根據解譯脈沖的間隔實現譯碼；A、C應答模式在脈沖幅度解調基礎上結合其脈沖框架形狀和特殊的碼元分布位置實現譯碼；S模式應答信號的解調譯碼與A、C模式相似，只是在應答數據部分采用脈位調制方式，1個碼元信號分為正反兩部分，根據其位置是01或者10的不同來判斷碼元為0或1。以上3種模式的譯碼實現均可直接在脈沖幅度階調的基礎上進行，實現方式較為簡單。S模式詢問信號同時采用了脈沖幅度調制和相位調制2種方式，解譯過程中需要通過其脈沖幅度調制信息獲得信號框架，而傳輸的有用信息則需要從相位調制信息中進行提取，解譯過程相對比較復雜。該文針對S模式詢問信號進行軟件譯碼分析，最終實現信息的恢復，包括信號模式與碼元信息[1]。

1 正交解調的原理

調制信號的數學表達式為

式中：ωc——載波角頻率。

調制信號分別“寄生”于已調信號的振幅、頻率和相位中，相應的調制就是調幅、調頻及調相3種調制方式。將式（1）分解，得

其中

式（3）和式（4）分別為調制信號中同相和正交的I、Q分量，它們包含了調制信號的幅度和相位信息。通過對兩分量的處理，可以實現對二次雷達信號的解調。正交解調必須首先完成正交分解[2]，常用的數字正交下變頻法正交分解框圖如圖2所示[3]。

圖2 數字正交解調原理圖

經過數字正交下變頻和低通濾波后形成I、Q 2路基帶信號，可通過I、Q 2路正交信號計算出信號的幅度和相位等參數,具體算法為[4]

2 軟件解調算法及實現

2.1 信號分析

信號分析如圖3所示。

（1）S 模式詢問信號由 P1、P2、P5、P6等脈沖組成。

（2）其中P1、P2為等幅前導脈沖，為ASK調制信號。

（3）P5是在P6差動相移鍵控詢問信號上覆蓋的旁瓣抑制信號，如果同步倒相位置被P5所覆蓋，S模式應答機將不會在P6的同步倒相位置中拾到信號，因而S模式應答機將不會對旁瓣信號作回答。

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

（5）DPSK調制信號即是利用前后碼元的相對載波相位值傳送數據信息。由前面可知DPSK信號位于P6脈沖中，包含“起始基準”、“碼元信息”和“保護間隔”3部分，進行最終譯碼的為“碼元信息”。信號如圖4所示。

圖3 S模式詢問信號（ASK+DPSK調制）

圖4 S模式DPSK信號

（6）S模式詢問信號分為短碼、長碼2種。短碼有 0，4，5，11 號格式；長碼有 16，20，21，24 號格式。

2.2 傳統的載波恢復方法

傳統的對S模式詢問信號進行解調的方法是采用載波恢復的方式。

2.2.1 載波峰值恢復

處理方法：將中頻采集數據進行由小至大排序，然后舍棄最大的n個點（剔除毛刺產生的壞點影響），取第n+1個最大點為參考最大值點V1，之后取符合條件|Xi-V1|＜δ的第（n+1）～（n+m）共 m 個點作平均得到最大值Vmax，最后用類似方法求得最小值點Vmin，計算得到峰值 Vp＝Vmax－Vmin。

存在的問題：當采樣數據在一個周期內采樣點數比較少時，不能保證采樣到峰值數據，有一定的缺陷。

2.2.2 載波相位恢復

處理方法：在已知峰值數據Vp的情況下，由于f（t）=Vp·cos（ωt+ph），可根據任意點的采樣值求解得到對應的載波相位ph=arccos（f（t）/x）-ωt。

存在的問題：由于載波頻率的影響，可能設定載波頻率誤差允許范圍過寬，則在恢復載波相位時使用誤差較大的頻率值，導致恢復出的波形上顯示與實際載波相位誤差明顯過大。

2.2.3 載波頻率恢復

處理方法：可以考慮為模擬中連續波形的情況，假設以某一點的值L為參考值，在整個波形中尋找這樣的點，并對這樣的點進行計數（計數值為count）。已知從第1個值為L的點到最后1個點所跨越Ln的時間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，并且實際處理的數字信號一般不可能在每個周期中都找到等于參考值的點，因此需要運用“穿越次數”的思想來對“滿足條件”的點進行計數。所謂“穿越次數”，即是以1個固定的值為參考標準值，以在上升沿每穿越1次，進行1次計數，即可以表示在本周期內找到1個“參考值”。

存在的問題：由于采樣率和載波頻率的影響，不能保證計數終點到計數起點間所跨越的時間為載波周期的整數倍而在最后計算載波頻率時產生誤差[5-7]。

2.3 信號解調實現

由于傳統的采用載波恢復的方法產生的誤差較大，需要找到一種正確率更高的方法。在詳細分析所要研究的S模式詢問信號特點后，可以得出幅度和相位信息是正確譯碼的關鍵[8]。已知In，Qn為正交解調n時刻的2路采樣值，則：

信號幅度平方（利用信號幅度，找出脈沖）為

信號相位信息：設In-1，Qn-1為n-1時刻I路與Q路的采樣值，則

分別為前后2個數據采樣點的相位差的正弦、余弦值，分別稱之為點積、叉積。由于相位差要么為0（同相），要么為π（反向），因此通過點積值大小或符號可判決相差大小，獲取相位信息[9]。

I、Q兩路解調信號頻率：

式中：f——中頻60MHz；

f0——試驗中實際采樣率200MHz。

該文分別以短碼5號格式和長碼16號格式為例，對S模式詢問信號進行解調譯碼，DPSK解調實現框圖如圖5所示。

圖5 S模式詢問信號解調流程圖

圖6 5號格式詢問信號中頻基帶信號

圖7 5號格式詢問信號解調后的信號

圖6為S模式5號格式的中頻信號，即接收機接到的信號。經過正交解調的方法處理后，獲得信號解調后的包絡信號如圖7所示。

圖8和圖9顯示的圖像分別為長碼16號格式中頻信號及正交解調后的包絡信號。

圖8 16號格式詢問信號中頻信號

圖9 16號格式詢問信號解調后的信號

3 譯碼及結果顯示

S模式詢問信號DPSK相位解調原則：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碼DPSK解調之后的P6信號，信號為0、1組成的脈沖。通過對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內部碼元信息

圖11 長碼P6內部碼元信息

圖12 S模式詢問信號5號格式譯碼顯示

圖13 S模式詢問信號16號格式譯碼顯示

按照相應的譯碼規則就能得到S模式詢問信號所蘊含的信息[10]。以飛機格式與飛機地址為例：P6碼元信號前5位表示飛機格式，最后24位為地址+奇偶校驗位。

解譯結果如圖12和圖13所示（其中軟件譯出的飛機地址以十六進制顯示）。

4 結束語

給出了基于正交解調的二次雷達S模式詢問信號的軟件譯碼實現，簡要介紹了載波恢復方法及注意事項和正交解調DPSK信號的方法。在實際應用中，需要對所研究的信號進行詳細的分析，最終選用簡單高效的途徑。實驗證明，該文所介紹的軟件譯碼方式能成功解譯接收機所接收信號，誤碼率較小。

[1]黎延璋.空中交通管制機載應答機[M].北京：中國民航出版社，1992.

[2]曹志剛，餞亞生.現代通信原理[M].北京：清華大學出版社，1992.

[3]赫建華，江修富，許斌.正交調制解調算法在軟件無線電中的應用[J].航空電子技術，2005，36（2）：6-9.

[4]Diniz P S R，Silva E A B，Netto S L.數字信號處理系統分析與設計[M].北京：電子工業出版社，2005.

[5]楊小牛.軟件無線電原理與應用[M].北京：電子工業出版社，2001.

[6]羅吉.數字調制信號識別算法研究[D].成都：電子科技大學，2005：25-32.

[7]吳丹.通信信號調制方式分類識別算法研究[D].成都：電子與信息技術研究院，2007：37-49.

[8]錢晀.IFF信號的分析與識別研究[D].南京：南京信息工程大學，2008：27-33.

[9]趙星.通信信號調制樣式識別技術[D].成都：電子科技大學，2006：12-13.

[10]陳長齡，田書林，師奕兵，等.自動測試及接口技術[M].北京：機械工業出版社，2005.