何 进

(中国西南电子技术研究所,成都 610036)

1 引 言

广播式自动相关监视(ADS-B)是国际民航组织(ICAO)推广的集通信、卫星导航和监视技术于一体的新一代技术,也是基于飞机监视技术的应用系统,是新一代空中交通管理系统的重要组成部分。ADS-B信息以ADS-B报文形式,通过空-空、空-地和地-地数据链广播式传播。当前,世界各国主要采用的数据链有1090MHz S模式扩展电文数据链(1090ES)、通用访问电台数据链(UAT)和甚高频数据链模式4(VDL Mode 4)等3种,其中1090ES是国际民航组织推荐使用的全球可互用ADS-B地空数据链。

目前,国内有关ADS-B综述[1-3]和S模式应答机[4,5]应用介绍的资料较多,但对1090ES体系架构、设备实现介绍甚少。民航飞机实现ADS-B IN功能常采用TCAS系统,ADS-B OUT功能采用S模式应答机,而能完整实现两个功能的独立设备很少,且这些设备基本上都被国际大公司垄断。本文根据国际民航组织附件10(2007版)航空通信第4部分[6]对1090ESADS-B机载A3类设备的具体要求,提出了一种基于1090ES一次变频的超外差中频数字化ADS-B设备总体设计方案。

2 系统组成及信号格式

2.1 系统组成

1090ES ADS-B系统[6]主要由外部的输入数据源、1090ES ADS-B OUT数据发射子系统[7]、1090ES ADS-B IN数据接收子系统及输出数据客户应用4部分组成,如图1所示。数据发射子系统可将本机的位置、速度、高度、呼号等信息自动广播出去,数据接收子系统可接收并在综合监控上显示来自其它飞机、地面目标的位置、速度、高度、呼号等信息,从而对周边空域的交通状况有全面、详细的了解,实现飞机间的空空监视或对地面目标的空地监视。

图1 1090ES ADS-B系统功能框图Fig.1 Functional block diagram of 1090ES ADS-B system

2.2 信号格式

1090ES信号格式与S模式应答机发射信号格式[5-7]类同,其脉位调制信号由前同步脉冲和数据脉冲组成,如图2所示。前同步脉冲由起始的8 μ s内两组0.5 μ s宽的脉冲对组成。数据脉冲是脉位调制的,其脉位位置随调制信息的二进制数而变化,所有脉冲幅度和宽度不变。每位1 μ s间隔的前半周0.5 μ s内有脉冲时,逻辑电平为 1;每位的后半周0.5 μ s内有脉冲时,逻辑电平为 0。

1090ES采用DF17格式[6-8],共有5个主要的任务字段,如图3所示。第一字段是5 bit格式描述符,1090ES为固定值 17(十进制数);第二字段是3 bit设备能力(CA),描述了该设备所具备的数据传输能力;第三字段是24 bit设备唯一地址码(AA);第四字段为56 bit报文信息(ME),它为设备的位置、速度、呼号等信息;第五字段为24 bit PI信息,提供奇偶及CRC检验,用于纠检错;DF17格式中该字段通常为全0。

图3 1090ES DF17格式任务字段及位分配Fig.3 Task segment and bit layout of 1090ES DF17 format

3 详细设计

3.1 设备组成及工作原理

机载1090ES ADS-B设备完成1090ES ADS-B IN接收子系统和1090ES ADS-B OUT发射子系统的功能,由上下天线、收发分机、终端分机3部分组成,如图4所示。

图4 设备组成框图Fig.4 Composition diagram of equipment

(1)接收工作原理

通过上、下两路天线分集接收其它平台1090ES ADS-B OUT发射子系统的信息,收发分机对接收信号进行限幅、滤波、放大、混频,送出中频70MHz信号,终端分机对70MHz中频信号进行解调、信号提取、分类、打包、组帧、装配后,通过对外接口送综合显控显示。

(2)发射工作原理

终端分机将来自导航、综合显控等系统的导航信息(位置、速率、高度、时间等)、自身状态信息及其它信息等进行格式转换、压缩编码等处理后,组装成适合于1090ES信号格式传输的112 bit ADS-B报文,存入内部寄存器,按照规定时间分时选择上、下天线,并随机产生发射触发信号,在触发时刻将组装好的信息进行70MHz中频调制、滤波后送收发分机混频、滤波、放大后,通过全向天线辐射到空间。

3.2 天线设计

由于机载设备的特殊性,为避免接收数据的盲区,采用机腹机背两个全向天线,实现无线电波信号的全空域接收。发射时,分时选择上、下天线,也实现了发射信号的全空域辐射。该天线方向图特性为水平面全向360°,俯仰面波束宽度优于60°。

3.3 收发分机设计

收发分机由电源模块、天线接口模块、接收模块、发射模块、频率源模块和自检模块组成,如图5所示。发射时,终端模块先对天线选择开关进行控制,选择所需天线,然后将发射开门信号和70MHz中频信号送发射模块,发射模块混频放大经天线选择开关、环形器、滤波器送天线将无线电波辐射到空间。接收时,天线将空间中的电磁波信号转变为电信号,经滤波器、环形器送接收模块放大、滤波、混频送出两路中频70MHz信号给终端分机。频率源模块将1020MHz本振信号功分3路,放大滤波隔离后送接收、发射模块混频使用。自检模块将发射时天线驻波和发射功率检测信号放大检波比较后送出TTL电平自检信号,以供自检使用。电源模块、接收模块和发射模块在下面详细介绍。

图5 收发分机组成框图Fig.5 Composition diagram of T/R module

电源模块将机上提供的输入直流电源首先经过电磁兼容滤波、极性反接、欠压过压和短路保护,对瞬时尖峰浪涌脉冲处理后,送5路DC/DC模块进行电源转换、滤波后,输出模拟 +35 V、+48 V、±12 V、+5 V和数字+5 V共6组电压,并送出电源转换状态标志,以供自检使用。模拟+35 V、+48V供发射模块功放电路使用,模拟±12 V供发射、接收模块使用,模拟+5 V供收发分机和终端分机使用,数字+5V仅终端分机使用。每路DC/DC模块都具有输入输出隔离、过流、过热保护功能。

接收采用分集接收方式,由两路完全相同的接收模块组成,同时接收上、下天线的信号。单路接收模块原理框图如图6所示。工作原理为接收天线接口模块的射频信号经大信号限幅、收发开关后,送低噪放放大,进入镜频抑制滤波器滤波,再送入混频器下变频,输出70MHz中频信号,经低通滤波,滤除中频高次谐波及本振信号的干扰,再经中频放大、对数放大及中频滤波后送终端处理,同时该信号经定向耦合器耦合出一路信号,经放大、检波、比较送出自检信号。

图6 接收模块原理框图Fig.6 Schematic diagram of receiver module

发射模块原理框图如图7所示,工作原理为终端送来的70MHz中频信号经放大滤波后,与1020MHz本振信号混频送出1090MHz信号放大滤波,经功放保护电路后送给40W脉冲小功放模块,经隔离送200 W脉冲功放,再隔离送900 W脉冲大功放,后低通滤波经隔离器输出,最大功率可达到28.5dBW。功放保护电路内含检波电路、单刀单掷开关、脉宽比较器、计数器电路,通过对脉宽、占空比、开路和短路的多重保护,避免了功放的烧毁,提高了发射模块的可靠性和生产性。

图7 发射模块原理框图Fig.7 Schematic diagram of transmitter module

3.4 终端分机设计

终端分机由两路高速AD采样、DDS调制、FPGA、DSP及接口电路组成,实现接收70MHz中频信号处理、发射编码及70MHz中频信号调制、对收发分机控制、设备自检和外部设备如综合显控、导航系统的接口通信等功能,原理框图如图8所示。

图8 终端分机原理框图Fig.8 Schematic diagram of terminal module

接收工作原理:同时接收两路中频70MHz信号,进行AD采样,在FPGA中对两路采样数据数字滤波,去直流电平,进行数字正交解调,实现对模拟ASK调制信号的二进制数据转换,再通过自适应门限处理、窄脉冲剔除和脉冲鉴宽处理,去除外部环境和内部噪声引起的毛刺及干扰。根据信号格式进行脉冲时间间隔和幅度的一致性比较,判断是否为同步脉冲[9]。若是同步脉冲,再对数据脉冲进行处理,提取112 bit的数据信息,并根据数据格式提取各字段的值。先来一路信号处理完毕,查询另一路是否正在处理,若是,等待另一路处理完毕,并进行相关处理。最后,DSP将处理出来的信息转换、组装、打包,按规定的协议通过对外接口送相关设备。

发射工作原理:将来自导航、综合显控等系统的导航数据、自身状态信息及其它信息等根据该时段发送信息的要求,提取相应信息,进行格式转换、压缩编码、重新封装等一系列处理后,组装成适合于DF17格式传输的112 bit ADS-B报文,存入内部寄存器,按照规定时间分时选择上、下天线,并随机产生发射触发信号(如位置、速率信息平均每秒发送两次,上、下天线交替发送,广播周期为0.5±0.1 s,而不是一个固定值,以降低信号混叠的概率),在发射时刻将组装好的信息送DDS调制成70MHz中频载波信号,再滤波送收发分机。

3.5 机内测试电路设计

机内测试电路结合各个分机一并设计,充分利用该设备收发频率相同的特点,合理选取各电路的参数,实现设备内部整个收发链路动态自检。当设备发射时,收发分机产生天线驻波及发射功率自检信号送终端分机;同时,发射载波信号经环形器泄漏一部分到接收模块,经限幅器、收发开关,到低噪放前信号功率约为-50dBm,接收模块产生本身自检信号,并将中频70MHz信号送终端处理,终端对发射同步头信号进行译码。若正确,则整个收发链路功能都正常。终端把译码结果标志、接收模块自检信号、发射驻波及功率自检信号、电源模块自检信号综合处理后,控制面板自检指示灯显示。若本次自检结果与上次不同,则通过对外接口将结果送相关设备。

4 关键技术参数计算

4.1 接收支路链路指标计算

根据接收支路主要部件噪声系数、增益分配数据,利用噪声系数级联计算公式,可计算出接收支路总的噪声系数NF=5.03dB,接收信号带宽 BW=8MHz,信号处理正确解码要求的信噪比 SNR=12dB,则接收灵敏度Ps为

国际民航组织附件10航空通信第4部分[6]对1090ES ADS-B机载A3类设备天线口接收灵敏度要求为-84dBm。本设计中,天线增益为0dB,馈线损耗约2dB,则天线口接收机灵敏度理论值为-85.94dBm,约有2dB余量。

4.2 发射支路链路指标计算

发射支路主要节点脉冲功率如表1所示。

表1 发射支路主要节点脉冲功率Table 1 Peak power of main node in the transmitting part

由表1可知,天线口面等效全向辐射功率为24dBW,满足国际民航组织附件10航空通信第4部分[6]对机载A3类设备天线口面辐射功率23～27dBW的要求。

5 主要技术特征

5.1 大功率固态功放及保护电路设计

采用全固态功放合成方案,通过电路仿真和微波CAD辅助设计,选择最佳级间匹配电路和偏置电路,以保证优异的高频特性,功放合成效率高,发射功率稳定,输出波形频谱特性好。通过精心设计脉宽保护、占空比保护等保护电路,保证了发射机在各种条件下安全可靠地工作,生产调试方便,大大提高了设备的可靠性。

5.2 大动态范围高灵敏度双路接收机设计

双路分集接收避免了载机在各种飞行姿态下接收数据的丢失,实现了对全空域数据接收。同时,采用了低噪声系数、大动态范围的低噪放和一次变频超外差接收机方案,接收灵敏度高,并在末级采用了高精度的对数放大器,既压缩了接收机信号输出动态范围,保留了输入信号的幅度信息,降低了对AD器件动态范围的要求,又提高了设备对终端电路的保护能力。

5.3 中频数字调制解调及信号处理设计

采用了70MHz中频数字调制和70MHz中频信号处理技术,巧妙选择中频频率和AD采样频率,简化了接收和终端电路的硬件设计,提高了设备的可靠性,利于实现设备小型化和低功耗。采用数字化正交解调一类信号处理方法和自适应门限、双路信号处理、脉冲幅度信息多次判决比对等信号处理技术,进一步提高了设备的抗干扰能力和解码能力[10]。

5.4 机内测试电路设计

设备内部各个模块设计了相应的自检信号,充分利用设备内部收发频率相同、定时主动发射信号的特点,合理选择各项参数,在发射的同时通过泄漏信号实现内部电路动态自检,实现了设备从射频、中频到基带信号处理整条收发链路的功能检查,并将故障隔离到模块,有利于检测与维修。

6 结 语

ADS-B技术的应用是新航行系统的一个重要组成部分,1090ES是ICAO推荐使用的实现ADS-B功能的地空数据链。本文提出了一种实现该设备的总体方案,并在工程中得以应用。实验设备表明,采用该方案的设备具有架构先进、结构紧凑、可靠性高和维护方便等特点,主要技术指标满足ICAO附件10的要求,这对从事ADS-B系列产品开发和应用的人员具有重要的参考意义。该设备通过外部配置或裁减电路,也可单独作为1090ES接收设备或发射设备使用,满足不同类型平台的装载需要,具有广泛的适应性。

[1] 时宏伟.ADS-B数据链应用技术的综合评述(一)[J].空中交通管理,2007(6):13-16.SHI Hong-wei.General Assessment on the Application Technology of ADS-B Data Link(PartⅠ)[J].Air Traffic Management,2007(6):13-16.(in Chinese)

[2] 时宏伟.ADS-B数据链应用技术的综合评述(二)[J].空中交通管理,2007(7):17-20.SHI Hong-wei.General Assessment on the Application Technology of ADS-B Data Link(PartⅡ)[J].Air Traffic Management,2007(7):17-20.(in Chinese)

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