王敏杰 文荣辉 陈昱均

摘  要：根据敌我识别系统中对ACARS数据链识别解调的需求，分析了ACARS的基带信号特点。针对ACARS基带信号的MSK解调易受噪声和频偏影响的问题，对3种常用的MSK解调方法进行了比较分析与仿真测试。在结构分析中可以看出数字差分解调的构成易于工程实现，适合于FPGA上实现高速MSK解调。解调正确率的测试结果表明，数字差分解调方法相较于几种常规MSK解调方法，其误码率更低，抗频偏能力更强。

关键词：ACARS;MSK;数字差分解调;频偏;误码率

中图分类号：TN971.+1;TN919.2      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）06-0061-05

Abstract：According to the requirement of ACARS data link identification and demodulation in IFF system，the baseband signal characteristics of ACARS are analyzed. Aiming at the problem that the MSK demodulation of ACARS baseband signal is easily affected by noise and frequency offset，three kinds of commonly used MSK demodulation methods are compared，analyzed and simulated. In the structural analysis，it can be seen that the structure of DDM is easy to implement in engineering，and it is suitable for high-speed MSK demodulation on FPGA. The test results of demodulation accuracy show that compared with several conventional MSK demodulation methods，the digital differential demodulation method has lower bit error rate and stronger anti frequency offset ability.

Keywords：ACARS;MSK;digital differential demodulation;frequency offset;bit error rate

0  引  言

ACARS数据链信号是敌我识别系统中一项重要的检测信号，它是由美国航空无线电公司研发的一种用于飞机与地面站双向通信的甚高频数据链，用以保障飞机的飞行安全和全球范围的空中交通管制[1]。在敌我识别系统中需要完成对ACARS信号的识别解调以及明码解译等任务，其信号识别解调的正确率关键在于其基带信号的MSK（最小频移键控）解调误码率的高低。MSK调制信号是一种相位连续调制方式，具有抗非线性失真能力强、频带利用率高等特点[2]。由于不同MSK解调方法的误码率受噪声干扰和信号频偏的影响相差较大，多数有关MSK解调方法抗干扰性能分析的文献仅仅只考虑了信噪比因素，未考虑信号频偏带来的影响[3，4]。根据本公司的敌我识别系统中对ACARS数据链识别解调的需求，本文对常用的3种MSK数字解调方法在不同信噪比条件下的抗频偏能力进行了对比分析，选择出抗干扰性能更强、更易于FPGA实现的MSK解调方法用于ACARS基带信号的解调。

1  ACARS基带信号特点

ACARS基带信号采用码元速率为2.4 kbps的MSK调制方式，在ARINC618协议中定义了ACARS基带信号的码元，它不同于典型的MSK信号码元的定义，MSK用两种频率分别代表0或1，而ACARS信号还加入了相位信息[5]，其定义如图1所示。

在ACARS信号中，码元值1或0都有两种定义的波形。在一个码元周期内，当信号频率为1 200 Hz且起始相位为π，或信号频率为2 400 Hz且起始相位为0时，代表码元值为1。在一个码元周期内，当信号频率为1 200 Hz且起始相位为0，或信号频率为2 400 Hz且起始相位为π时，代表码元值为0。ACARS编码与MSK编码关系如图2所示。

在ACARS基带信号的生成与解调过程中，都需要进行ACARS编码和MSK编码的相互转换。在基带信号的生成过程中，将已知的ACARS编码信号SACARS（t）转换成MSK编码信号SMSK（t），存在关系式如下：

2  常用MSK解调方法

MSK解调分为相干解调和非相干解调两类。其中相干解调需要提取出信号的载波频率并产生本地载波进行解调，对载波频率要求较为严格，实现较为复杂。而非相干解调方法不需要产生本地载波，算法实现相对容易，主要常用的解调方法如下。

2.1  数字差分解调

数字差分解调利用正交载波信号提取基带正交信号，提取到的两个信号都分别与另一路經过一个码元周期延迟后的信号进行相乘，利用差分特性得到与码元信息相关的解调信号，最后经抽样判决恢复出码元信息。其解调流程如图3所示。

MSK调制信号分别与正交载波相乘，经过低通滤波器去除载波后得到两路基带信号[6]，分别为：

2.2  平方环解调

平方环解调是一种针对MSK信号特性设计的数字解调方法[9]，MSK调制信号通过乘法器与平方环公式相乘得出正交分量Ik（t）和Qk（t），再经过低通滤波器进行平滑滤波，最后再通过乘法器将滤波后的正交分量相乘得到解调信号Y（t），经抽样判决恢复出码元信息。其解调流程如图4所示。

2.3  带通滤波器法

带通滤波器法采用了2个通带频率分别为f1和f2的带通滤波器，分别滤出MSK信号的2个频率成分，2路信号经过整流和滤波处理后再通过抽样判决恢复出码元信息[10，11]。这种方法的关键在于带通滤波器设计与真实信号的匹配程度，匹配度的高低决定了滤出频率成分信号的信噪比。解调流程如图5所示。

3  仿真验证与抗干扰性能比较

根据上述理论公式对3种MSK解调方法分别进行仿真验证，验证测试分为两大部分，分别是解调功能验证和抗干扰性能测试。解调功能验证是在无频偏无噪声的理想情况下，验证3种解调方法是否具备MSK解调能力，为抗干扰性能测试提供基础。抗干扰性能测试是在不同频偏和不同信噪比的条件下进行误码率统计，以比较3种解调方法的抗干扰性能。

3.1  解调功能验证仿真

通过MSK正交调制，将一个由20个0、1组成的随机序列[10100100111100010100]调制成MSK信号，如图6所示。

上述MSK调制信号分别通过数字差分解调、平方环解调和带通滤波器解调3种解调方法进行解调，得到仿真结果如图7所示。

由仿真结果可见，在无频偏无噪声的理想条件下，3种解调方法的解调结果都是[10100100111100010100]，与原始码元信息一致，证明3种解调方法都具备MSK解调能力。

3.2  抗干扰性能测试仿真

在上述结论的基础上，为比较3种解调方法对信号产生频偏的情况下的抗干扰能力，进行不同频偏和不同信噪比条件下的误码率测试。测试数据量为10万个随机码元，测试信噪比为0～10 dB，频偏分别为0、2%、4%、6%、8%、10%的误码率，其测试结果如图8所示。

从测试结果可以看出，由于平方环解调依赖于载波信息进行相关项的抵消，在信号产生2%的频偏时，误码率就已经大于10-1，因此，该解调方法无法在产生频偏的情况下进行MSK解调。

由于带通滤波器解调方法中的带通滤波器设计参数很难取到一个最佳值，并且选取不同的参数会直接影响到解调误码率，因此带通滤波器解调的抗频偏能力稍微强于平方环解调法，但在信噪比≥10 dB，频偏量≥4%时，其误码率高于10-4，抗干扰性能一般。

数字差分解调方法的结果验证了其抗频偏能力较强的理论分析，是3种解调方法中误码率最低、抗频偏能力最强的解调方法。在信噪比≥10 dB，频偏量为8%时，其误码率仍然小于5×10-5，具有较强抗干扰性能。

4  结  论

本文以解决敌我识别系统中的工程实际问题为目的，分析了ACARS的基带信号特点，针对MSK解调易受噪声与频偏影响的问题，对3种常用的MSK解调方法进行了理论分析与仿真测试。从测试结果得出的结论是：数字差分解调方法是3种MSK解调方法中误码率最低，抗频偏能力最强的解调方法。在SNR≥10 dB，频偏量为8%时，数字差分解调的误码率小于5×10-5，具有较强抗干扰性能。在设计实现上，数字差分解调主要由乘法器、移位寄存器和低通滤波器等构成，基于FPGA设计实现的难度不大，适用于ACARS基带信号的MSK解調。

参考文献：

[1] 蒋兴城，曹力，邓雪云，等.基于MSK的地空数据链通信调制解调方法 [J].信息技术，2012，36（8）：5-8.

[2] 张辉，代遵超.一种改进的MSK信号解调算法 [J].通信技术，2019，52（5）：1061-1064.

[3] 张姝璇.三种频移键控调制解调算法的仿真性能研究 [J].保山学院学报，2019，38（02）：65-68.

[4] GRONERNEVER S A，MCBRIDE A L.MSK and offset QPSK modulation [J].IEEE Transactions on Communications，1976，24（8）：809-820.

[5] 李木.基于软件无线电技术的ACARS信号接收技术研究 [D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2015.

[6] 樊昌信，曹丽娜.通信原理 [M].北京：国防工业出版社，2015.

[7] 谢跃辉.两种MSK信号解调方法性能比较 [J].电子世界，2016（17）：104+115.

[8] 张幼明，贾建祥.MSK信号的差分数字解调方法 [J].舰船电子工程，2008（11）：77-79.

[9] 王正磊，周新力，宋斌斌.一种基于改进平方环的MSK解调方法的FPGA实现 [J].电子设计工程，2018，26（1）：102-105+109.

[10] 陈韵，刘建，宋大伟，等.基于MSK的敌我识别及遥测信号解调方法研究 [J].航天电子对抗，2018，34（5）：29-33.

作者简介：王敏杰（1988-），男，汉族，湖南祁东人，工程师，本科，研究方向：电子侦察及信号处理。