基于L波段的寬帶信號偵收與處理

劉永剛 蔣鑫 鄒亮

（四川九洲空管科技有限責任公司 四川省綿陽市 621000）

根據IEEE 521-2002標準，L波段是指頻率在1-2 GHz的無線電波波段。有大量的民用和軍用航空電子設備在使用L波段，包括SSR空管二次雷達系統、TCAS空中防撞系統、ADS-B廣播式自動相關監視系統、DEM測距機、TACAN導航儀、IFF西方體制敵我識別系統等。

發展L波段偵收技術，作為主動探測雷達的補充，有助于對空域內安裝有上述電子設備的航空器的發現和定位追蹤，可以大大提高對空域的安全管理能力和敵我態勢的判斷能力。

1 L波段的多種電子設備及其信號特征

1.1 SSR空管二次雷達系統

空管二次雷達系統（Secondary surveillance radar，簡稱SSR）能夠精確探測飛機的方位、高度、速度信息，廣泛運用于軍民航路飛行監視、日常及軍演飛行保障等空中交通管制領域。

SSR工作原理：由地面或機載詢問機發起詢問，機載應答機收到詢問后產生應答，詢問機接收到應答信號后可以計算出應答機所在目標的位置。如表1所示。

1.2 TCAS空中防撞系統

空中防撞系統（Traffic Collision Avoidance System，簡 稱TCAS）廣泛安裝于中、大型飛機，用以避免飛機在空中互相沖撞。

TCAS是基于SSR基礎上發展而來，其工作模式為M3/C、MS，同樣采用詢問/應答的工作方式。

1.3 ADS-B廣播式自動相關監視系統

廣播式自動相關監視系統（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，簡稱ADS-B），可以實時地從相關機載設備獲取參數向其他飛機或地面站廣播飛機的S模式地址、經緯度、高度、速度、航向等信息，以供管制員對飛機狀態進行監控。

ADS-B的信號格式、調制方式與MS長格式應答保持一致，不需要詢問，僅采用廣播發送和接收的工作方式。

1.4 DME測距機/TACAN塔康導航系統

測距機系統(Distance Measuring Equipment，簡稱DME)是一種能夠測量由詢問器到某個固定應答器距離的二次雷達系統。DME系統安裝在機場和航路上，是主要的航路導航設備，它工作在962-1213MHz的L波段，采用脈沖調制方式由機載詢問機向地面信標臺發射詢問脈沖信號，地面信標臺接收到詢問脈沖信號后經固定延時后予以應答。機載詢問機接收到地面信標臺應答脈沖后，測量發射詢問脈沖與接收應答脈沖之間的時間間隔，從而解算出配裝有機載詢問機的航空器與地面信標臺之間的直線距離。如表2所示。

DME系統信道安排為X和Y兩種信道。X信道編排為1X、2X、......126X，Y信道編排為1Y、2Y、......126Y，一共252個信道。無論是詢問還是應答信道，相鄰兩個信道頻率間隔為1Mhz，任何一個信道的發送和接收頻率差均為±63Mhz。

在1X～63X信道和63Y～126Y信道，應答頻率比詢問頻率低63Mhz；在64X～126X信道和1Y～63Y信道，應答頻率比詢問頻率高63Mhz，表3為信道和頻率（應答）的具體對應關系。

表1：SSR工作原理

表2：DME測距機/TACAN塔康導航系統工作原理

塔康導航系統（Tactical Air Navigation System，簡稱TACAN）是戰術空中導航系統的簡稱，TACAN系統是在DME系統的基礎上發展而來，工作頻點、信道劃分和DME保持一致。

1.5 IFF西方體制敵我識別系統

西方體制敵我識別系統(Identification Friend or Foe，簡稱IFF)從功能上可分為詢問機和應答機兩個部分，采用了詢問-應答方式，測定目標的方位和距離，完成詢問應答碼識別，從而實現雷達目標的敵我屬性識別。如圖4所示。

2 基于L波段的寬帶信號偵收與處理

2.1 寬帶信號偵收

在上一章節，我們分析了L波段常見的幾種設備的信號的頻率范圍，絕大部分信號分布在960～1160Mhz頻段內，本文針對該頻段信號進行偵收，信號帶寬200Mhz，采用960Mhz本振源進行混頻得到中頻信號0～200Mhz，再用500Mhz的A/D進行采樣得到數字信號進行處理。

2.1.1 FFT幅頻分析

首先對輸入中頻信號按照偵收的單個信號序列最大時間深度’n’（約130us）進行緩存兩組信號{0～n}、{n/2～3n/2}，分兩路進行處理，將緩存信號進行FFT頻譜分析，篩選出最多8個信號幅度排序大的頻點，輸出頻點信息和對應的幅度值。如圖1所示。

2.1.2 信號下變頻

上一步FFT結果可以得到輸入信號的頻率功率譜，通過功率分析，按照功率大小排序，篩選出功率滿足要求的多個頻點（考慮信號處理資源，可同時支持8個），分別進行下變頻處理（混頻 + 低通濾波），得到對應頻點的基帶I/Q信號。如圖2所示。

2.2 目標側向

偵收信號通常采用干涉儀的方式進行目標方位的測定，干涉儀測向的實質，是利用無線電波在測向基線上形成的相位差來確定來波方向。

表3：信道和頻率（應答）的具體對應關系

表4：IFF西方體制敵我識別系統工作原理

表5：M1/M2/M3A/B/C/D詢問模式

圖1：FFT信號頻譜分析

圖2：多頻點信號并行下變頻處理

一維相位干涉儀側向原理如圖3所示，“一維”是指測向天線分布為“線型”，即所有的測向天線陣元都處于同一條直線上，其中(a)描述的是一維單基線相位干涉儀側向原理，(b)描述的是一維多基線相位干涉儀側向原理。

二維相位干涉儀側向原理如圖4所示，“二維”是指測向天線分布為“面型”，即所有的測向天線陣元都處于同一個平面內，其中(a)描述的是天線陣元分布在直角三角形頂點等長基線的三元陣，(b)描述的是天線陣元分布在直角三角形頂點基線長度不等的五元正交雙基線天線陣。

一維相位干涉儀測向公式為：

二維相位干涉儀測向公式為：

其中，θ為來波方位角；β為來波仰角；?1為A0—A1基線相位差；?2為A0—A2基線相位差；λ為來波波長；D為基線長度。

對于同樣長度的基線，比較一維和二維干涉儀側向公式，可知基線相位差還與仰角有關。因此，對有仰角的來波進行測向時，一維相位干涉儀的基線相位差還會因仰角不同而呈現出多值性，從而造成另外一種相位模糊，而二維相位干涉儀則不存在這種相位模糊。

利用公式（2）、公式（3）可以推到出來波入射方位角θ和來波入射仰角β：

（1）一維干涉儀測向存在以下缺陷：

由sinθ的對稱性可以看出，一維相位干涉儀測向的測向方位角范圍只能為[-90°，+90°]，存在無法區分前方與后方的缺點，即前方來波和后方來波以相同夾角入射到基線形成的基線相位差無區別。

一維相位干涉儀測向僅適合于來波入射方向與基線不存在的仰角的測向場合。式（1）中僅針對俯仰角等于零的情形，如果存在仰角，則等式（1）不成立，如沿用此式計算方位角，會引起額外的測向誤差。

因此，一維相位干涉儀不適用于來波有仰角的測向場合，例如：機載測向、地對空目標測向、短波天波測向等。

（2）二維單基線相位干涉儀與一維相比，具有以下優點：

二維相位干涉儀可360°全方位測向，而一維干涉儀只能180°測向；

與一維相位干涉儀相同，當D < λ/2時，基線相位差不會超出[-180，+180]范圍，無相位多值，可得到真實來波方向；D > λ/2時，存在相位多值，造成測向多值;

一維相位干涉儀只能測方位，且存在因仰角引起的相位模糊;而二維相位干涉儀可同時測方位與仰角，不存在因仰角引起的相位模糊；

在D < λ/2條件下，基線長度越長，測向精度越高。

（3）二維多基線相位干涉儀與二維單基線相比，具有以下優點：

單基線一對單元天線在D > λ/2時，會產生相位模糊，進而產生測向的多值現象。在二維多基陣列中，我們可以選取多個天線對，一個天線對可以通過測量相位差得到測向值（多值），通過對每個天線對所得到的測向值進行統計和處理，可以確定唯一真實的測向值，消除測向的多值現象。這個過程可以看成聯合多個天線對得到方程組，盡管每個方程組是多解的，我們還可以通過求解方程組的方法求得唯一解。因此，二維多基線干涉儀天線陣單元間距不受小于半波長工作波長的約束，這樣可以覆蓋更寬的頻段。同時提高測向的精度。

圖3：一維干涉儀原理圖

圖4：二維干涉儀原理圖

2.3 目標信號解析

針對不同頻點對應的已知類型信號的格式，分別對下變頻得到的的數字I/Q信號進行解析，得到相應的數據分析結果。

2.3.1 1030Mhz目標信號

該頻點的信號有SSR常規模式詢問、S模式詢問、模式4詢問、模式5詢問等。

（1）SSR詢問信號。

SSR詢問信號由不同間隔的脈沖序列組成。如圖5所示，脈沖序列包含P1/P3/P4三個脈沖，M1/M2/M3A/B/C/D詢問模式不包含P4脈沖，他們的差別在于P1和P3間隔不同，A/S和C/S全呼叫模式含有P4脈沖。如表5所示。

（2）S模式詢問。

S模式詢問信號由P1、P2、P6三個脈沖組成，其中P6分為長格式（含112位DPSK調制信號）和短格式（56位DPSK調制信號），UF-0、UF-4、UF-5、UF-11為短格式S模式詢問,UF-16、UF-20、UF-21、UF-24為長格式S模式詢問。

S模式詢問信號示意圖如圖6所示。

P6脈沖持續時間：短格式（16.25± 0.125）μs、長格式（30.25 ± 0.125）μs。

（3）模式4詢問。

M4模式詢問信號示意圖如圖7所示。

P1/P2/P3/P4為同步脈沖，P5為SLS(旁瓣抑制)脈沖，P6～P37為加密信息脈沖。

相鄰脈沖間距為2±0.1μs，脈沖寬度為0.5±0.1μs。

（4）模式5詢問。

M5模式詢問信號示意圖如圖8所示。

P1/P2/P3/P4為同步脈沖，I1/I2為旁瓣抑制脈沖，D1～D11為詢問數據符號脈沖，每個脈沖由：2個RUN-IN碼片、1個參考碼片、16位碼片信息、3個RUN-OUT碼片，共22位碼片組成，每個脈沖至少包括參考碼片和信息碼片共17位碼片，每位碼片寬度62.5ns，脈沖寬度1.0625μs～1.375μs。

圖5：M1/2/3(A/B/C/D)模式詢問信號示意圖

圖6：DPSK調制方式的S模式詢問信號示意圖

圖7：標準的M4模式詢問信號示意圖

P1/P2/P3/P4和I1/I2，每個脈沖的擴頻碼值為7889(十六進制)。

S1/S2/S3分別為前導P1/P2/P3同步脈沖固定位置與抖動位置之間的“抖動”間隔(S1:0～2.875us，S2:0～2.875us ,S3:0～1.375us)，詢問信號的總長度位于121.75us和124.625us之間。

2.3.2 1090頻點偵收信號

該頻點的信號有SSR常規模式應答、S模式應答、ADS-B、模式4應答、模式5應答等。

圖8：M5模式詢問信號示意圖

圖9：SSR應答信號示意圖

圖10：S模式應答波形示意圖

圖11：M4模式應答信號示意圖

（1）SSR常規模式應答。

SSR應答碼由16個信息碼組成，這些碼位的代碼依次是F1、C1、A1、C2、A2、C4、A4、X、B1、D1、B2、D2、B4、D4、F2和SPI；F1和F2是框架脈沖，間隔20.3us；SPI是特殊位置識別碼。

SSR應答信號示意圖如圖9所示。

框架脈沖F1、F2、框架脈沖內各信息脈沖寬度均為（0.45 ± 0.10）μs，框架脈沖F1、F2及各信息脈沖間隔均為（1.45 ± 0.1）μs，框架脈沖F2與SPI的間隔為（4.35 ± 0.10）μs，X脈沖為備用脈沖。

（2）S模式應答/ADS-B。

S模式應答/ADS-B信號由4個前導脈沖和112位（長格式）/56位（短格式）數據位組成，DF-0、DF-4、DF-5、DF-11為短格式S模式應答,DF-16、DF-20、DF-21、DF-24為長格式S模式應答，DF-17、DF-18、DF-19為ADS-B信號（長格式）。

S模式應答信號示意圖如圖10所示。

S模式應答前導脈沖寬度均為（0.5 ± 0.05）μs；S模式4個應答前導脈沖相對位置為（0.0 ± 0.05）μs、（1.0 ± 0.05）μs、（3.5 ± 0.05）μs以及（4.5 ± 0.05）μs；S模式應答脈沖序列的數據塊與首個前導脈沖間隔為（8.0 ± 0.05）μs；S模式應答脈沖序列的數據脈沖組由56或者112個數據塊組成，數據塊內每個信息段寬度為（1.0 ± 0.05）μs；據塊內每個信息段里，分為前后兩部分，寬度均為（0.5 ± 0.05）μs，前半部數分脈沖為0時，代表二進制邏輯0，為1時，代表二進制邏輯1。

（3）模式4應答。

M4模式應答信號示意圖如圖11所示。

脈沖寬度(E1、E2、E3)為0.5±0.1μs，脈沖間隔(E1～E2、E2～E3)為1.75±0.1μs，T0位置距接收到M4詢問信號P4的間隔為202μs，應答信號距T0位置的隨機延時（Tx）為0～60μs。

（4）模式5應答。

1.M5一級應答

M5模式一級應答信號示意圖如圖12所示。

P1/P2為前導同步脈沖，脈沖碼片組成同M5詢問脈沖，擴頻碼值為7889；S1表示前導同步脈沖P1固定位置與抖動位置之間的“抖動”間隔(0～1.875 us)；D1～D9：9個應答數據符號(連成一片)，每個符號16位碼片信息，D1前為2個RUN-IN碼片和1個參考碼片，D9后為3個RUN-OUT碼片，每位碼片寬度62.5ns；應答信號的總長度位于14.125us和16us之間；P2距接收到M5詢問信號P4的間隔為固定值480us+隨機延遲值(0～2.048 ms)。

2.M5二級應答/報告

M5模式二級應答信號示意圖如圖13所示。

P1/P2/P3/P4為前導同步脈沖，脈沖碼片組成同M5詢問脈沖，擴頻碼值為7889；S1/S2/S3分別表示前導同步脈沖P1/P2/P3固定位置與抖動位置之間的“抖動”間隔（S1：0～2.875us，S2：0～2.875us，S3：0～1.375us）；D1～D33：33個數據符號(連成一片)，每個符號16位碼片信息，D1前為2個RUN-IN碼片和1個參考碼片，D33后為3個RUN-OUT碼片，每位碼片寬度62.5ns；應答信號的總長度位于61.75us和64.625us之間。

2.3.3 DME/TACAN機載詢問/應答

由于DME/TACAN采用跳頻的方式，詢問/應答均可能落在962-1213MHz頻點范圍內。如圖14所示。

DME測距機，由機載設備發射詢問信號，分為X、Y兩個信道，X信道的脈沖對編碼間隔為12±0.5us，Y信道的脈沖對編碼間隔為36±0.5us，TACAN和DME的詢問格式一致。

DME測距機，由地面設備發射應答信號，分為X、Y兩個信道，X信道的脈沖對編碼間隔為12±0.5us，Y信道的脈沖對編碼間隔為30±0.5us。

圖12：M5模式一級應答信號示意圖

圖13：M5模式二級應答信號示意圖

圖14：DME詢問/應答信號

圖15：輸入中頻信號及其頻譜分析

作為測距設備使用時，TACAN的基本脈沖對編碼格式和DME保持一致；

用于側向時，編碼脈沖群由一個主基準脈沖群和八個輔基準脈沖群組成；在X信道，主基準脈沖群由12對基本脈沖對組成，脈沖對間隔30us，輔基準脈沖群由6對基本脈沖對組成，脈沖對間隔24us；在Y信道，主基準脈沖群由13個連續脈沖組成，脈沖間隔30us，輔基準脈沖群由13個連續脈沖組成，脈沖間隔15us。

3 Matlab建模仿真與結果分析

在Matlab環境下，建立數據模型，模擬1030Mhz、1060Mhz、1090Mhz數據交織在一起的情況。

圖16：脈沖解調幅度數據

圖17：ASK/DPSK脈沖解碼數據

如圖15所示，模擬偵收信號生成數據：三種頻率數據混疊，1030Mhz（模擬S模式詢問信號編碼）、1060Mhz（模擬S模式應答信號編碼）、1090Mhz（模擬ADS-B信號編碼）數據經過960Mhz頻率源混頻后得到70Mhz、100Mhz、130Mhz數據，采樣率500Mhz。

如圖16和圖17所示，通過FFT篩選出偵收信號頻率值，按照不同的頻率分別進行下變頻處理，再按照各自信號的調制特性進行解調和解碼，最終恢復出偵收信號的幅頻特征和編碼特征。

4 結論

本文針對L波段內幾種常見的電磁信號的幅頻特性，提出了一種信號寬帶偵收和解譯處理的方法，可以將帶寬200Mhz內的信號通過FFT、下變頻和特定解碼的方式將信號的幅頻特性、編碼特性準確的提取出來，并通過干擾儀側向的方式定位出目標信號的方向，達到對L波段信號偵收的目的。