一種基于AD9361的ADS-B多目標信號源設計

王 杰

(中國西南電子技術研究所，成都 610036)

0 引 言

ADS-B利用空地、空空數據鏈通信完成空中交通監視和信息傳遞。與傳統雷達系統相比，ADS-B可靠性更高，能提供更加精確和實時的飛機位置信息、狀態信息和其他監視信息等。此外，ADS-B的建設投資費用只有傳統雷達的十分之一，而且維護費用低、使用壽命長，大大降低了空中交通管理所需要的費用和成本。

針對ADS-B的研制主要借助于IFR-6000這類專用二次雷達信號源或可加載ADS-B波形文件的信號源，如安捷倫4438C和RS SMW200A等。此類信號源只能測試設備對單一目標的接收處理能力，對ADS-B的多目標處理能力，如解交織、系統吞吐量等指標測試能力嚴重不足。因此，ADS-B設備整機的性能指標、功能指標及多目標環境下的處理能力測試只能借助于外場試飛或機場實地測試等，這將大大增加系統的研制經費和設備的研發周期。

1 多目標信號合成理論依據

當前的多目標信號合成技術主要在基帶實現，通過控制信號之間的延遲來模擬真實目標的距離，通過控制信號的幅度來模擬真實目標的功率，但是該方法只能模擬部分幅度調制信號的多目標合成，而對于BPSK或DBPSK等相位調制信號的多目標模擬則顯得無能為力。如果能在射頻域通過控制各目標的幅度和延遲實現多目標信號的合成，將大大逼近空間信號實際的合成效果。

(1)目標距離的生成

根據電磁波在空間的傳播公式，通過設置不同的時間延遲來模擬真實信號在空間傳播過程，其公式為

t=d/v

(1)

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

(2)目標功率的生成

針對不同距離上的模擬目標信號，可換算成對應的幅度值來控制每一路輸出信號的幅度，從而模擬真實目標信號經過空間傳播后的電磁衰減，其計算公式為

L=-32.44-20logf-20logd

(2)

式中，L為電磁波傳播的路徑衰減，dB；f為發射信號的射頻頻率，MHz；d為模擬目標和真實目標的距離，km。

(3)多目標合成理論

假定經過編碼和調制后的基帶信號為

A1S1(t-Δτ1)，A2S2(t-Δτ2)，…，ANSN(t-ΔτN)

(3)

則經過AD9361變頻到射頻后的合成信號為

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

(4)

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

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

2 AD9361芯片總體架構

AD9361這類集成度很高的射頻頻率捷變芯片的問世讓射頻域實現多目標合成的技術迎刃而解。AD9361芯片是一款面向3G和4G基站應用的高集成度、高性能的射頻收發器，由2×2收發器、SPI配置接口、AUXADC、內部PLL等組成，每個通道都有獨立的低噪放、混頻器、放大器、濾波器等，并且可靈活控制每一路輸出信號的衰減。其發射處理流程如圖1所示。

圖1 AD9361發射處理流程

3 基本原理

當前我國的ADS-B信號主要采用基于S模式的1090ES數據鏈，其信號工作的頻率是1 090 MHz，有四個同步頭，其同步采用ASK調制方式，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發射機通過發射天線將自身的導航信息(包括經度、緯度、高度和速度等)通過特定格式發送出去。ADS-B信號格式如圖2所示。

圖2 ADS-B信號格式

針對當前我國ADS-B信號的特點，采用基于AD9361技術的實現方式，其基本原理如圖3所示?？刂颇K根據用戶需求產生相應目標的經緯度、高度、航速和航向等編碼信息，其中每個目標均有唯一的一組地址碼數據。同時，根據模擬目標距離并結合電磁波空間傳播公式，計算各模擬目標相對于真實目標的距離延時。各目標的編碼信息和距離信息送入ADS-B基帶，生成模塊生成對應的基帶I、Q信號后送入到AD9361。根據信號功率距離衰減公式生成功率控制字來控制AD9361的衰減寄存器。由于各用戶的需求不一致，根據用戶定制的多目標合成路數控制矩陣開關的輸出路數后送至合路器。由于AD9361 輸出的最大功率是5 dBm，如果需要更大的發射功率，可通過控制功放選擇來實現。

圖3 基于AD9361的多目標合成實現原理

4 基于多目標設計的總體硬件實現

每片AD9361可實現兩路射頻信號的發射。受限于板卡的體積及用戶的具體需求，本設計方案采用ZYNQ和AD9361組合方式，最多可以模擬12路空間信號的合成，用戶也可根據自身需求定制合成多目標信號數量。ZYNQ的PS部分主要負責接收上位機從網口下發的各通道的編碼信息與配置信息，同時用功率控制信息控制每一路AD9361相應寄存器。ZYNQ 部分根據PS送入的配置信息完成基帶信號的生成。硬件實現如圖4所示。

圖4 基于AD9361的多目標合成總體硬件設計

圖4中的功放最多可支持12路1 090 MHz射頻信號的同時合成，每一路可在FPGA里獨立配置幅度和發射延遲。鑒于多目標信號源的體積功耗等因素，且實驗室聯試主要集中于有線聯試，故選用約20 dB左右的功放，配合AD9361內置的功放一起工作，信號合成后發射功率盡量工作于功放的線性區，以減少合路器和功放對信號波形畸變的影響。

上位機根據目標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根據上位機下發的配置參數配置AD9361的各通道工作參數。在各通道配置完成后下發啟動指令，完成該次多目標模擬信號的發射。信號發射啟動流程如圖5所示。

圖5 信號發射啟動流程

5 仿真分析

AD9361作為零中頻的射頻頻率捷變器，其輸出信號是射頻信號，射頻頻率為1 090 MHz，由于當前無法通過示波器直接觀察信號合成效果，下面通過Matlab仿真分析，并結合PFGA實采中頻信號觀察實際的信號合成效果。

通過上位機計算目標的幅度和距離延遲，生成配置參數，控制ZYNQ啟動信號的合成流程。生成的單路ADS-B信號如圖6、圖7所示，其中圖6是通過Matlab產生的一個目標的ADS-B射頻信號，圖7是FPGA信號采集板實采的ADS-B信號中頻信號。經過AD9361多路合成的1 090 MHz射頻模擬信號接入工程樣機接收通道中，經過前端的超外差接收機后變成140 MHz的中頻模擬信號，然后經AD數字采樣后進FPGA，此時的采樣率為192 MHz。

圖6 Matlab仿真的ADS-B射頻信號

圖7 FPGA實采的ADS-B中頻信號

當兩信號幅度相差6 dB、距離相差93 750 m時產生的兩信號合成效果如圖8、圖9所示。圖9給出的是FPGA波形抓取軟件實采的兩個ADS-B的多目標合成效果。

圖8 兩目標相距93 750 m的射頻信號

圖9 FPGA實采相距93 750 m的140 MHz中頻信號

當兩個ADS-B信號合成，距離相差2 400 m、幅度相差6 dB時，fc=1 090 MHz的合成效果如圖10、圖11所示。

圖10 兩目標相距2 400 m的射頻信號

圖11 FPGA實采相距2 400 m的140 MHz中頻信號

由仿真分析可知，當目標之間距離較近時，合成后的同步頭部分疊加在一起，相鄰碼片部分重疊；當目標的距離足夠近，且合成目標設置為4路時，可測試ADS-B IN設備的解交織效果。

6 結束語

本文基于當前ADS-B IN設備開發中面臨的系統性能指標無法在實驗室完成測試的問題，提出了基于AD9361的多目標信號源設計思路，利用現有的成熟器件完成了系統的總體硬件方案，并通過仿真證實了該方法的實用性和可靠性。該方法采用射頻信號的合成方式，各路信號獨立生成，并行處理，當輸出射頻信號后再通過合路器合成，信號調制方式對合成效果無任何影響。利用該方法設計的信號源功耗低，體積小，價格實惠，便于惡劣環境下的外場攜帶和使用，可大幅降低該體制空管設備的研發成本，縮短研制周期。此類信號源不僅可以針對ADS-B信號完成多路目標的合成，也可以擴展到整個空管系統中，如S模式、TACAS和A/C模式等。