王华军 邹亮

（四川九洲空管科技有限责任公司 四川省绵阳市 621000）

随着航电系统高度综合化时代的到来，同时还面临着空域中飞行器密度的增加以及地面询问站数量的增加的挑战，很容易出现相互干扰、多径影响严重等问题，因此，对于S 模式应答机的数据处理能力提出了更高的要求。

本文将基于软件无线电的思想介绍S 模式应答机询问信号的中频数字化处理方法，重点针对S 模式的DPSK 解调方法进行介绍，并介绍一种码元自相关的DPSK 解调算法。

1 S 模式询问信号格式

S 模式询问信号格式如图1所示，其频率为1030MHz，采用为ASK 和DPSK 两种方式混合调制。

其中，P1 与P2 脉冲间隔2µs，兼容普通A/C 模式的旁瓣抑制脉冲，因此，当A/C 模式应答机接收到该询问信号时，就会判为是地面二次雷达的旁瓣抑制信号，不进行应答处理；长脉冲P6 包含56bit 或112bit 信息，采用差分相移键控调制（即DPSK 调制），码速率为4MHz，其中，有相位翻转表示二进制“1”，无相位翻转表示二进制“0”，两个相位翻转时间间隔为0.25µs。第一个相位翻转是在P6 脉冲上升沿的1.25µs 处，也即是同步倒相位处，航管S 模式应答机根据这个参考点来同步自身时钟，并解码后续的DPSK 数据。

在S 模式询问条件下，P5 脉冲作为旁瓣抑制脉冲。如果机载应答机接收到的P5 脉冲幅度要强于P6，应答机将判断不出同步相位翻转点，则不会应答该S 模式询问，也即是会抑制当前S 模式询问的应答；反之如果收到的P6 脉冲幅度强于P5 脉冲，那么应答机将能够检测出同步相位翻转点，并将继续接收并解码P6 脉冲，从而完成S 模式询问信号的译码操作，并给出当前询问的应答信号。

2 S模式中频信号处理流程

由于S 模式询问信号采用为ASK 和DPSK 两种方式混合调制，为了能获得S 模式询问信号的幅度信息和相位信息，需要利用数字下变频（DDC）等中频处理技术。

本文将以70MHz 中频信号的处理过程为例，简单介绍S 模式中频信号处理过程。

经过信道前端的模拟下变频处理，询问信号从射频信号（1030MHz）变为中频信号（70MHz），然后再根据欠采样以及带通采样定理且频谱不发生混叠的条件，一般选取40MHz 采样频率作为ADC 采样频率对70MHz 中频信号进行采样。容易知道最靠近零频的中心频率为10MHz，经过正交相干解调处理后，容易得到相互正交的零频询问信号，这一过程又称为数字下变频。然后经过包络解调处理得到S 模式询问信号的包络，经过DPSK 解调处理则得到DPSK 码元信息。

S 模式询问信号的整个中频处理的流程如图2所示，其中DPSK 解调处理是整个处理的核心，如何准确有效地对S 模式询问信号中的DPSK 信号进行解调将在后面的第3 节重点介绍。

图1：S 模式询问信号格式

图2：S 模式中频信号处理流程

3 DPSK解调算法对比研究

DPSK 调制解调方式是为了解决PSK 系统中相位模糊问题而产生的一种调制方式。S 模式应答机中采用该调制方式进行询问信息传输，将会降低通信出错的概率，从而提高数据传输的准确性和可靠性。另外一方面，由于S 模式询问信号具有突发性、达到时间的不确定性等的特点，因此，对其进行数据解调将有新的要求。目前工程应用常用的DPSK 解调方式包括:正交解调、差分解调等[1]。下面将简单介绍各方式的优缺点。

3.1 传统的DPSK解调算法原理

传统的DPSK 解调方式分为两种，非相干解调和相干解调。如图3所示。

所谓非相干解调，也即是不需要载波恢复电路的一种解调方法，通常非相干解调也称为差分相干解调，是相对于相干解调这种方式而言的一种解调方法。因此，该解调方法的优点是不需要载波恢复处理。具体实现过程：将输入信号延迟一个码元，然后与原始信号相乘，经过低通滤波器进行滤波处理，最后经过抽样判决便可解调出DPSK 信息。

采用非相干解调方法的缺点显而易见的，如果输入信号含有噪声等其他干扰信号，那么该方法的性能将会下降许多。经过实验证明，在相同信噪比条件下，非相干解调比相干解调要低3dB 左右，也即是误码率要比相干解调方式高。

因此，在实际工程应用中，对于性能要求较高的场合，一般都采用相干解调方式完成DPSK 信号解调。如图4所示。

相干解调方法的关键在于同步载波信号的提取。针对载波同步，常用的方法是基于锁相环（PLL）原理，直接从接收信号中提取出同步信息，从实现上方式上一般有两种方法：平方环法和科斯塔斯（Costas）环法。

两种方法的性能在理论上是一样的，但平方环法会导致整个环路工作频率倍增，实现难度增大，同时也可能会导致锁相环锁定在错误的频率上，而科斯塔斯环法是用乘法器和低通滤波器代替平方环，实现较为简单。但科斯塔斯（Costas）环法的设计关键在于参数的确定，参数的选择直接影响整个环路的性能和效果，而且该参数受多个因素相互制约，调试麻烦[1]。

值得说明的是，由于S 模式询问信号具有突发性，为了能够正确获得S 模式的数据信息，科斯塔斯（Costas）环路必须在P6 信号1.25us 之前完成环路的锁定，才能保证后续的DPSK 数据的正确性。当输入的频率存在较大频偏时，环路锁定是时间较长，无法在1.25us 内完成锁定，会导致后续DPSK 解码错误。

由此可见，差分相干解调方法提取DPSK 的方法较为简单，易于实现，但性能较差，误码率较高。而相干解调算法需要考虑载波同步等较复杂的工作，实现上要相对要复杂一些，同时其性能会受到频偏、同步等因素影响。针对以上问题，本文介绍了一种易于实现、不容易受频偏影响、无需载波恢复的DPSK 提取方法。

3.2 码元自相关解调算法原理

码元自相关DPSK 解调实现流程如图5所示。

假设输入信号为：

其中，A 代表输入信号的幅度，M(t)表示基带信号，f0代表载波信号频率，代表信号的频偏，代表载波信号的相位差。

经过数字下变频DDC 以及低通滤波后，输入信号转换为相互正交的I、Q 两路信号，分别为：

假设第一个码元的值为m1，第二个码元值为m2，两个码元值之间相距0.25us，每个码元的采样点数为N。

以I 路信号举例说明，将滤波后的I 路信号的第一个码元与下一个（距离0.25us）码元信号相乘，再求和，即可完成I 路信号的能量计算，即：

同理，Q 路信号的能量如下：

最后将I 路和Q 路能量相加，完成能量集中到一路输出，即：

由式（6）可知，表示相位翻转的信号Phase 只与前后码元相关累计求和有关，而与载波信号的相位和载波信号的频偏无关，因此，该处理方法无需考虑载波同步信号和频偏的问题，较容易实现。

4 位同步抽样判决技术

经过码元自相关输出的信号是多位宽的数据信号，因此，为了得到最终的二进制DPSK 码元信息，还需要对该基带信号进行位同步抽样判决处理。

图3：DPSK 非相干（差分相干）解调原理图

图4：DPSK 相干解调原理图

图5：码元自相关DPSK 解调实现流程

传统的位同步抽样判决方法一般是利用位定时脉冲对DPSK 量化后的相位信息进行数据采样，将采样值与预先设定的门限值进行比较，进而得到最终的二进制码元[1]。因此，该方法的缺点也是显而易见的，采样值容易受外部噪声等干扰信号的影响，设定的门限值会因外部环境变化而变化。

本文介绍的DPSK 解调方法，由式（6）可以看出，由于最后的计算出的DPSK 相位信息与m1，m2的符号无关，而只与m1，m2码元是否变化有关。因此，如果当判决点的幅度小于0 时，则认为存在相位翻转，如果当判决点的幅度大于0 时，则认为不存在相位翻转。因此，只需利用有符号数据在 FPGA 上进行运算时其在正负值表达上的区别，即可完成DPSK 信号的抽样判决。和传统预先设定门限的方法相比，本文介绍的方法会减小出错的机率。

5 结束语

本文主要介绍了S 模式应答机的中频数字信号处理过程，重点介绍了DPSK 信号的解码原理和过程，针对目前工程应用中常用方法优缺点的介绍，介绍了一种码元自相关的DPSK 信号解调算法，与传统方法相比，该方法计算简单，在载波相位不同步、存在频偏的情况下任然可以正常工作，无需传统方法中载波恢复的过程，易于工程实现。