王 杰

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

0 引 言

ADS-B利用空地、空空数据链通信完成空中交通监视和信息传递。与传统雷达系统相比，ADS-B可靠性更高，能提供更加精确和实时的飞机位置信息、状态信息和其他监视信息等。此外，ADS-B的建设投资费用只有传统雷达的十分之一，而且维护费用低、使用寿命长，大大降低了空中交通管理所需要的费用和成本。

针对ADS-B的研制主要借助于IFR-6000这类专用二次雷达信号源或可加载ADS-B波形文件的信号源，如安捷伦4438C和RS SMW200A等。此类信号源只能测试设备对单一目标的接收处理能力，对ADS-B的多目标处理能力，如解交织、系统吞吐量等指标测试能力严重不足。因此，ADS-B设备整机的性能指标、功能指标及多目标环境下的处理能力测试只能借助于外场试飞或机场实地测试等，这将大大增加系统的研制经费和设备的研发周期。

1 多目标信号合成理论依据

当前的多目标信号合成技术主要在基带实现，通过控制信号之间的延迟来模拟真实目标的距离，通过控制信号的幅度来模拟真实目标的功率，但是该方法只能模拟部分幅度调制信号的多目标合成，而对于BPSK或DBPSK等相位调制信号的多目标模拟则显得无能为力。如果能在射频域通过控制各目标的幅度和延迟实现多目标信号的合成，将大大逼近空间信号实际的合成效果。

(1)目标距离的生成

根据电磁波在空间的传播公式，通过设置不同的时间延迟来模拟真实信号在空间传播过程，其公式为

t=d/v

(1)

式中，d为模拟目标和真实目标的距离；t为模拟目标和真实目标的时间延迟；v=3×108m/s为电磁波在空间的传播速度。

(2)目标功率的生成

针对不同距离上的模拟目标信号，可换算成对应的幅度值来控制每一路输出信号的幅度，从而模拟真实目标信号经过空间传播后的电磁衰减，其计算公式为

L=-32.44-20logf-20logd

(2)

式中，L为电磁波传播的路径衰减，dB；f为发射信号的射频频率，MHz；d为模拟目标和真实目标的距离，km。

(3)多目标合成理论

假定经过编码和调制后的基带信号为

A1S1(t-Δτ1)，A2S2(t-Δτ2)，…，ANSN(t-ΔτN)

(3)

则经过AD9361变频到射频后的合成信号为

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

(4)

式中，Ai为第i个目标的幅度；Δτi为第i个目标的距离延迟；ω0为射频角频率，此处ω0=2π*1 090 MHz。

本文提出的合成信号在射频域完成，各路生成信号之间相互独立、并行处理，更好地保留了基带信号的相位特性。

2 AD9361芯片总体架构

AD9361这类集成度很高的射频频率捷变芯片的问世让射频域实现多目标合成的技术迎刃而解。AD9361芯片是一款面向3G和4G基站应用的高集成度、高性能的射频收发器，由2×2收发器、SPI配置接口、AUXADC、内部PLL等组成，每个通道都有独立的低噪放、混频器、放大器、滤波器等，并且可灵活控制每一路输出信号的衰减。其发射处理流程如图1所示。

图1 AD9361发射处理流程

3 基本原理

当前我国的ADS-B信号主要采用基于S模式的1090ES数据链，其信号工作的频率是1 090 MHz，有四个同步头，其同步采用ASK调制方式，同步头之间的位置固定，同步头后面跟112 bit的信息位，信息编码格式采用脉冲位置编码方式，即用01表示消息位的bit为0，用10表示消息位的bit为1。ADS-B OUT发射机通过发射天线将自身的导航信息(包括经度、纬度、高度和速度等)通过特定格式发送出去。ADS-B信号格式如图2所示。

图2 ADS-B信号格式

针对当前我国ADS-B信号的特点，采用基于AD9361技术的实现方式，其基本原理如图3所示。控制模块根据用户需求产生相应目标的经纬度、高度、航速和航向等编码信息，其中每个目标均有唯一的一组地址码数据。同时，根据模拟目标距离并结合电磁波空间传播公式，计算各模拟目标相对于真实目标的距离延时。各目标的编码信息和距离信息送入ADS-B基带，生成模块生成对应的基带I、Q信号后送入到AD9361。根据信号功率距离衰减公式生成功率控制字来控制AD9361的衰减寄存器。由于各用户的需求不一致，根据用户定制的多目标合成路数控制矩阵开关的输出路数后送至合路器。由于AD9361 输出的最大功率是5 dBm，如果需要更大的发射功率，可通过控制功放选择来实现。

图3 基于AD9361的多目标合成实现原理

4 基于多目标设计的总体硬件实现

每片AD9361可实现两路射频信号的发射。受限于板卡的体积及用户的具体需求，本设计方案采用ZYNQ和AD9361组合方式，最多可以模拟12路空间信号的合成，用户也可根据自身需求定制合成多目标信号数量。ZYNQ的PS部分主要负责接收上位机从网口下发的各通道的编码信息与配置信息，同时用功率控制信息控制每一路AD9361相应寄存器。ZYNQ 部分根据PS送入的配置信息完成基带信号的生成。硬件实现如图4所示。

图4 基于AD9361的多目标合成总体硬件设计

图4中的功放最多可支持12路1 090 MHz射频信号的同时合成，每一路可在FPGA里独立配置幅度和发射延迟。鉴于多目标信号源的体积功耗等因素，且实验室联试主要集中于有线联试，故选用约20 dB左右的功放，配合AD9361内置的功放一起工作，信号合成后发射功率尽量工作于功放的线性区，以减少合路器和功放对信号波形畸变的影响。

上位机根据目标的位置信息生成各通路的ADS-B编码信息、距离延迟信息和幅度衰减信息，ZYNQ根据上位机下发的配置参数配置AD9361的各通道工作参数。在各通道配置完成后下发启动指令，完成该次多目标模拟信号的发射。信号发射启动流程如图5所示。

图5 信号发射启动流程

5 仿真分析

AD9361作为零中频的射频频率捷变器，其输出信号是射频信号，射频频率为1 090 MHz，由于当前无法通过示波器直接观察信号合成效果，下面通过Matlab仿真分析，并结合PFGA实采中频信号观察实际的信号合成效果。

通过上位机计算目标的幅度和距离延迟，生成配置参数，控制ZYNQ启动信号的合成流程。生成的单路ADS-B信号如图6、图7所示，其中图6是通过Matlab产生的一个目标的ADS-B射频信号，图7是FPGA信号采集板实采的ADS-B信号中频信号。经过AD9361多路合成的1 090 MHz射频模拟信号接入工程样机接收通道中，经过前端的超外差接收机后变成140 MHz的中频模拟信号，然后经AD数字采样后进FPGA，此时的采样率为192 MHz。

图6 Matlab仿真的ADS-B射频信号

图7 FPGA实采的ADS-B中频信号

当两信号幅度相差6 dB、距离相差93 750 m时产生的两信号合成效果如图8、图9所示。图9给出的是FPGA波形抓取软件实采的两个ADS-B的多目标合成效果。

图8 两目标相距93 750 m的射频信号

图9 FPGA实采相距93 750 m的140 MHz中频信号

当两个ADS-B信号合成，距离相差2 400 m、幅度相差6 dB时，fc=1 090 MHz的合成效果如图10、图11所示。

图10 两目标相距2 400 m的射频信号

图11 FPGA实采相距2 400 m的140 MHz中频信号

由仿真分析可知，当目标之间距离较近时，合成后的同步头部分叠加在一起，相邻码片部分重叠；当目标的距离足够近，且合成目标设置为4路时，可测试ADS-B IN设备的解交织效果。

6 结束语

本文基于当前ADS-B IN设备开发中面临的系统性能指标无法在实验室完成测试的问题，提出了基于AD9361的多目标信号源设计思路，利用现有的成熟器件完成了系统的总体硬件方案，并通过仿真证实了该方法的实用性和可靠性。该方法采用射频信号的合成方式，各路信号独立生成，并行处理，当输出射频信号后再通过合路器合成，信号调制方式对合成效果无任何影响。利用该方法设计的信号源功耗低，体积小，价格实惠，便于恶劣环境下的外场携带和使用，可大幅降低该体制空管设备的研发成本，缩短研制周期。此类信号源不仅可以针对ADS-B信号完成多路目标的合成，也可以扩展到整个空管系统中，如S模式、TACAS和A/C模式等。