一種針對民航通信信號的解調算法

楊 松

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

一種針對民航通信信號的解調算法

楊 松

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

針對民航通信信號的調制方式，介紹了該信號的傳統解調算法，同時指出了傳統算法存在的缺陷。針對傳統算法存在的不足，提出了一種新的信號解調算法，即在最小頻移鍵控（MSK）信號解調中，先進行碼元同步，進而提取出每一個碼元周期內的采樣點序列，然后根據采樣點序列的特征完成每一個碼元的符號映射，從而實現解調。該算法很好地解決了傳統算法存在的問題，并且在性能上也優于傳統算法。

民航通信信號；MSK調制；解調；波形

0 引言

在航空業日益發達的今天，地空之間大量信息、數據的交換對實時通信能力提出了新的、更高的要求。民航通信系統是近年來新發展起來的民航專用通信系統，它最大的特點是傳輸可靠性高，特別適合于地空之間的信息通信和數據傳輸，并得到了航空界的一致認可，具有極大的實用價值。該系統的調制方式比較特殊［1，2］，目前針對這種調制的解調算法也不少［3－7］，其中最為常用的算法——稱之為傳統算法，在實際應用中存在一定的問題；新的解調算法可以很好地解決這個問題，并且實現誤碼率更低、運算量更小、無模糊的高效解調。

1 信號的調制方式

該民航通信信號采用二次調制：一次調制采用特殊的MSK調制，使用的頻率為1 200 Hz和2 400 Hz；二次調制采用AM（調幅）調制，載波在甚高頻頻段［8－10］。在解調端，須先對二次調制的AM信號進行解調，再對一次調制的MSK信號進行解調。對于AM信號的解調不再贅述，以下主要討論一次調制MSK信號的解調，所述算法均是針對AM解調后的信號。

該信號的一次調制——MSK調制具有其特殊性，它區別于常規MSK信號的特點如下：為了提高抗干擾能力，信號的MSK調制并不是簡單的一個頻率對應一個符號（0或1），而是每個頻率根據其碼元內的初始相位變化的不同分別對應2個符號。具體來說：對于頻率1 200 Hz，波形起始處是正斜率的對應符號“0”，負斜率的對應符號“1”，如圖1所示；而頻率2 400 Hz正好相反，波形起始處是正斜率的對應符號“1”，負斜率的對應符號“0”，如圖2所示，這里將一個碼元對應的采樣點序列的圖形稱為“波形”。即有所謂的“正波形”和“負波形”之分：波形起始處是正斜率的稱之為正波形，負斜率的稱之為負波形。解調時除了要考慮頻率，還要考慮相位，因此不能簡單套用常規MSK信號解調算法。

圖1 該信號的1 200 Hz碼元波形與符號的對應關系

圖2 該信號的2 400 Hz碼元波形與符號的對應關系

2 傳統解調算法及其缺陷

注意到，該民航通信信號的碼速率是2 400 Baud，也就是說，當頻率為1 200 Hz時，一個碼元的波形為半個正弦波；當頻率為2 400 Hz時，一個碼元的波形為整個正弦波。所以，無論上一個碼元的波形是正波形還是負波形，當經過一個2 400 Hz的碼元之后，波形的正負性不會改變；而當經過一個1 200 Hz的碼元之后，波形的正負性會改變。基于以上，就可以根據MSK解調結果序列來推算一個解調結果修正序列，然后將二者進行整合，采用模2加法，即可得到正確的解調結果。

具體來說，按照協議分析，得出以下對應法則：MSK解調時，頻率1 200 Hz對應符號“0”，頻率2 400 Hz對應符號“1”；推算解調結果修正序列時，任意設定修正序列的起始為“0”或“1”，之后通過MSK解調結果進行判定：若MSK解調結果的當前元素為“0”，則修正序列的下一個元素與當前元素不同；而當MSK解調結果的當前元素為“1”時，則修正序列的下一個元素與當前元素相同。這樣做，由于解調結果修正序列起始的任意設定，可能會造成解調結果的模糊，需要取反；可以根據解調結果與信號的同步頭的相關峰的正負來判斷是否需要取反。為了便于理解，下面列出了得到MSK解調結果序列后的處理實例，如下：

MSK解調結果序列：1，1，0，1，0，0，1，1，1，0，1，0，0，1，0，0，1，0。

解調結果修正序列：1，1，1，0，0，1，0，0，0，0，1，1，0，1，1，0，1，1。

最終解調結果序列：0，0，1，1，0，1，1，1，1，0，0，1，0，0，1，0，0，1。

該算法在理論上完全沒有問題，并且運算量不大，可以使用較為成熟的MSK信號解調算法模塊，只需之后加一步簡單處理。但是，在實際應用中，該算法卻存在明顯缺陷。因為在MSK解調中，誤碼是無可避免的，而只要存在一個誤碼，對該算法的影響都可以說是致命的，它將導致誤碼之后的解調結果全反，進而導致無法對該包信號的后續內容進行解析，并且這一點是無法完全糾正的［11］。

3 新的解調算法

新的解調算法不用恢復基帶信號，直接通過信號的導頻進行碼元同步，然后取出每一個碼元內的信號采樣點序列進行符號映射，即完成解調。

3.1 碼元同步

注意到，該信號所有的標準波形的初相都為0，而且該信號最前面有很長的導頻信號，如圖3所示，圖中幅度較低、大約從1 000～18 000的部分即為該信號的導頻，它是單音信號，所有碼元的波形全為2 400 Hz的正波形。因此可以對其加以利用，從而找到一個碼元的準確起始［12］。具體的做法是：連續定位導頻信號的幾個最小值點和最大值點，并根據采樣率和碼速率之間的關系分別確認最小值點與最大值點之間的距離，如果其間距符合過采樣率，則認為這一段信號可靠、沒有畸變，否則繼續向后取信號，根據可靠的相鄰的最小值點和最大值點算出一個相位近似為0的點，即為一個碼元的準確起始。確定了一個碼元的準確起始后，就可以根據過采樣率依次計算其后各個碼元的起點和終點，并取出每一個碼元對應的采樣點序列，即完成了碼元同步。

圖3 該信號AM解調后的總波形

3.2 符號映射

根據標準波形，顯然，對于1 200 Hz碼元的采樣點序列，其第一個點和最后一個點中至少有一個是最大值點或最小值點；而對于2 400 Hz碼元的采樣點序列，其第一個點和最后一個點既不是最大值點也不是最小值點。符號映射工作正是基于這一特性展開的。

具體的符號映射方法是：對于一個碼元對應的采樣點序列，若它的第一個點和最后一個點中至少有一個是最大值點或最小值點，則將該碼元判為1 200 Hz碼元；否則將其判為2 400 Hz碼元。再根據其前2個采樣點值的大小關系完成符號映射，具體來說，對于已被判為1 200 Hz的碼元，若其第2個采樣點值大于第一個采樣點值，則將其映射為符號“0”，否則將其映射為符號“1”；對于已被判為2 400 Hz的碼元則正好相反，若其第2個采樣點值大于第一個采樣點值，則將其映射為符號“1”，否則將其映射為符號“0”。完成所有碼元的符號映射，即完成解調。

4 結束語

針對民航通信信號的調制方式的特殊性以及傳統解調算法存在的問題，提出了新的解調算法。該算法成功克服了傳統算法的缺點，不存在一個誤碼導致后續結果全反的現象，誤碼即使存在也均為離散突發誤碼，對后續的信源恢復影響較小；且運算量很小，不存在解調模糊，并在實際工程應用中得到了驗證。從而實現了可靠性高、運算量小、無模糊的解調，為后續的協議分析、信源恢復工作提供了有力的支撐。

［1］徐見源，鄧雪云，曹 力.基于ARINC－618協議的地空數據鏈技術研究［J］.民用飛機設計與研究，2011（4）：13－15，23.

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［3］孫淑光，周 琪，陳 彬.基于ACMS的飛行控制系統性能監控應用［J］.交通信息與安全，2011（6）：127－130.

［4］王 鵬，曹 力，林 靜，等.地空數據鏈通信差分解調算法研究［J］.科學技術與工程，2013（14）：4125－4129.

［5］黃俊祥.航空器通信尋址報告系統數據處理技術研究［J］.中國民航大學學報，2007（2）：1－3.

［6］郭旭周，黃圣果，孫 健.VHF地空數據鏈系統調制解調器的設計與實現［J］.江蘇航空，2004（2）：7－8.

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［8］呂國祥.對新航行系統中空地通信系統的研究［J］.空中交通管理，2011（8）：12－14.

［9］韓 冬，李志勇，張 琳.地空通信調制解調關鍵技術分析［J］.無線電通信技術，2012（3）：29－31，46.

［10］劉春冉，殷玉濤，李志勇.300 Mbps地空通信的調制解調器設計［J］.無線電通信技術，2013（3）：32－35.

［11］劉家學，王天明.VHF空地數據譯碼系統框架設計與實現［J］.航空電子技術，2007（2）：9－13.

［12］王根平，文勵洪.數字通信系統中導頻同步信號處理技術研究［J］.深圳職業技術學院學報，2005（3）：3－6.

A Demodulation Method for Civil Aviation Communication Signal

YANG Song
（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

In view of the issue of modulation of civil aviation communication signal，the traditional method of the signal demodulation is introduced，at the same time，the defect of the method is also pointed out.To overcome the defect，a new demodulation method is proposed，which is carried out as below：to the Minimum Shift Keying（MSK）demodulation，firstly，the symbol synchronization is completed and the sequence of samples of each symbol is separated，then，each symbol is mapped based on its characteristics of sequence of samples，and the demodulation is finished.The new method can resolve the problem of the traditional method very well and has a better capability.

civil aviation communication signal；MSK modulation；demodulation；waveform

TN941.4

A

1003－3114（2015）06－35－2

10.3969／j.issn.1003－3114.2015.06.09

楊 松.一種針對民航通信信號的解調算法［J］.無線電通信技術，2015，41（6）：35－36，64.

2015－06－23

國家部委基金資助項目

楊 松（1986—），男，工程師，主要研究方向：通信信號解調及解碼。