基于1090ES的ADS-B信号接收处理设备设计

2022-03-17杨维波何晓赵强

电子测试 2022年4期

杨维波，何晓，赵强

（成都西科微波通讯有限公司，四川成都，610072）

0 引言

ADS-B(广播式自动相关监视，Automatic Dependent Surveillance-Broadcast,)是一种基于全球卫星定位系统和空对空、地对空数据链通信，集通信、卫星导航和监视技术于一体的航空器运行监视技术。由于国际民航组织（ICAO）的推动，ADS-B已是新一代空中交通管理系统重要组成部分。

目前有3种数据链供用户选择：基于异频雷达收发机的1090ES 数据链的S模式、模式4的甚高频数据链（VDL-4）、通用通路异频雷达收发机（UAT）【1-2】、。其中国际民航组织推荐使用的1090ES是全球可互用ADS-B地空数据链。

近年来，国内关于1090ES接收机的开发与应用有诸多介绍【3-4】。本文介绍了基于1090ES一次变频的超外差变频及中频数字化接收处理设备一种设计。

1 信号格式

1090ES的信息格式是简单的脉冲编码，如图1所示，分别由8uS的前同步脉冲串和112uS的数据脉冲构成长应答信号格式。

图1 1090ES脉冲格式

前同步脉冲是由起始的8uS内两组0.5uS宽的脉冲对组成。数据脉冲是由脉位调制的，其脉位位置随着调制信息的二进制数而进行变化,所有脉冲的幅度和宽度是不变的。每位1uS间隔的前半周0.5uS内有脉冲时，可见逻辑电平为1；每位的后半周0.5uS内有脉冲时，可见逻辑电平为0。

1090ES的112bit数据部分应用DF17格式，包含有5个主要任务字段，详见图2。有图2可见5bit格式描述符为第一个字段，1090ES则为固定值17（十进制数）；3bit的设备能力（CA）为第二个字段，描述了设备的数据传输能力；24位的设备唯一地址码（AA）为第三个字段；56位消息信息（ME）为第四个字段，即设备的速度、呼号、位置等信息；24位PI信息为第五个字段，它提供奇偶检验和CRC检验，用于纠正错误检测。

图2 1090ES DF17格式任务字段

2 详细设计

接受处理设备内部原理框图，如图3所示。设计时考虑到提高设备集成度和增加便携性，采用一体化设计，将GPS/北斗天线、射频信号接收天线、GPS/北斗接收模块、射频接收组件、信号采集处理模块、电源模块等功能模块全部集成在一个机箱中。

图3 接收处理设备原理框图

如图3所示，1090ES信号被天线接收后进入射频接收组件。射频接收组件采用采用一次变频体制，将射频信号下变频到70MHz中频，输出到信号采集处理模块。信号采集处理模块对中频信号进行高速ADC采集、脉冲信号检测和脉冲参数测量，输出全脉冲参数（PDW）。

GPS/北斗接收模块与天线一同完成设备的高精度授时和自定位。

接收处理设备通过千兆以太网接口与系统上位计算机进行数据通信，系统可通过该网口实现对设备的控制、状态监视和数据读取。

2.1 射频信号天线设计

接收天线由4个背腔偶极子单元以及对应的功分网络组成。背腔偶极子天线单元结构简单，馈电方便，定向性较好，工作带宽较宽。功分器网络用于背腔偶极子单元的馈电以及幅度加权，达到降低俯仰面副瓣电平的目的。另外合理的幅度加权还可以达到扩展天线波束宽度的目的。

该天线波束宽度特性为方位向≥100°，俯仰≥20°。

2.2 射频接收组件

射频接收组件的原理框图如图4所示。射频接收组件采用一次变频接收体制，集成了1个独立的变频通道和1个独立的本振源。

图4 射频接收组件原理框图

1090MHz信号首先经过限幅、带通滤波器，分别对大信号信号进行限幅、带外信号与镜频信号进行抑制，再下变频到70MHz中频。经窄带滤波后，再经过一个幅度校正衰减器后通过中频放大器放大，最后通过一个低通滤波器后输出给信号采集处理模块进行采样处理。

2.3 信号采集处理模块

信号采集处理模块的原理框图如图 5所示。信号采集处理模块主要功能是实现信号采集及信号处理。模块使用高速ADC对中频信号进行采集，信道化为中频数据，并对其进行处理分析得到脉冲描述字（PDW，包含脉宽、幅度、到达时间、时标等信息），再通过网络接口传输至上位机。信号采集处理模块的核心控制器为FPGA，负责信号采集、信号处理、射频通道控制等。MCU主要实现对内和对外的各种接口，MCU内置嵌入式Linux操作系统，可靠性高，可长时间稳定工作。