基于ACARS數(shù)據(jù)鏈的MSK解調(diào)方法抗干擾性能研究

王敏杰 文榮輝 陳昱均

摘? 要：根據(jù)敵我識別系統(tǒng)中對ACARS數(shù)據(jù)鏈識別解調(diào)的需求，分析了ACARS的基帶信號特點。針對ACARS基帶信號的MSK解調(diào)易受噪聲和頻偏影響的問題，對3種常用的MSK解調(diào)方法進行了比較分析與仿真測試。在結(jié)構(gòu)分析中可以看出數(shù)字差分解調(diào)的構(gòu)成易于工程實現(xiàn)，適合于FPGA上實現(xiàn)高速MSK解調(diào)。解調(diào)正確率的測試結(jié)果表明，數(shù)字差分解調(diào)方法相較于幾種常規(guī)MSK解調(diào)方法，其誤碼率更低，抗頻偏能力更強。

關鍵詞：ACARS;MSK;數(shù)字差分解調(diào);頻偏;誤碼率

中圖分類號：TN971.+1;TN919.2? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：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數(shù)據(jù)鏈信號是敵我識別系統(tǒng)中一項重要的檢測信號，它是由美國航空無線電公司研發(fā)的一種用于飛機與地面站雙向通信的甚高頻數(shù)據(jù)鏈，用以保障飛機的飛行安全和全球范圍的空中交通管制[1]。在敵我識別系統(tǒng)中需要完成對ACARS信號的識別解調(diào)以及明碼解譯等任務，其信號識別解調(diào)的正確率關鍵在于其基帶信號的MSK（最小頻移鍵控）解調(diào)誤碼率的高低。MSK調(diào)制信號是一種相位連續(xù)調(diào)制方式，具有抗非線性失真能力強、頻帶利用率高等特點[2]。由于不同MSK解調(diào)方法的誤碼率受噪聲干擾和信號頻偏的影響相差較大，多數(shù)有關MSK解調(diào)方法抗干擾性能分析的文獻僅僅只考慮了信噪比因素，未考慮信號頻偏帶來的影響[3，4]。根據(jù)本公司的敵我識別系統(tǒng)中對ACARS數(shù)據(jù)鏈識別解調(diào)的需求，本文對常用的3種MSK數(shù)字解調(diào)方法在不同信噪比條件下的抗頻偏能力進行了對比分析，選擇出抗干擾性能更強、更易于FPGA實現(xiàn)的MSK解調(diào)方法用于ACARS基帶信號的解調(diào)。

1? ACARS基帶信號特點

ACARS基帶信號采用碼元速率為2.4 kbps的MSK調(diào)制方式，在ARINC618協(xié)議中定義了ACARS基帶信號的碼元，它不同于典型的MSK信號碼元的定義，MSK用兩種頻率分別代表0或1，而ACARS信號還加入了相位信息[5]，其定義如圖1所示。

在ACARS信號中，碼元值1或0都有兩種定義的波形。在一個碼元周期內(nèi)，當信號頻率為1 200 Hz且起始相位為π，或信號頻率為2 400 Hz且起始相位為0時，代表碼元值為1。在一個碼元周期內(nèi)，當信號頻率為1 200 Hz且起始相位為0，或信號頻率為2 400 Hz且起始相位為π時，代表碼元值為0。ACARS編碼與MSK編碼關系如圖2所示。

在ACARS基帶信號的生成與解調(diào)過程中，都需要進行ACARS編碼和MSK編碼的相互轉(zhuǎn)換。在基帶信號的生成過程中，將已知的ACARS編碼信號SACARS（t）轉(zhuǎn)換成MSK編碼信號SMSK（t），存在關系式如下：

2? 常用MSK解調(diào)方法

MSK解調(diào)分為相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩類。其中相干解調(diào)需要提取出信號的載波頻率并產(chǎn)生本地載波進行解調(diào)，對載波頻率要求較為嚴格，實現(xiàn)較為復雜。而非相干解調(diào)方法不需要產(chǎn)生本地載波，算法實現(xiàn)相對容易，主要常用的解調(diào)方法如下。

2.1? 數(shù)字差分解調(diào)

數(shù)字差分解調(diào)利用正交載波信號提取基帶正交信號，提取到的兩個信號都分別與另一路經(jīng)過一個碼元周期延遲后的信號進行相乘，利用差分特性得到與碼元信息相關的解調(diào)信號，最后經(jīng)抽樣判決恢復出碼元信息。其解調(diào)流程如圖3所示。

MSK調(diào)制信號分別與正交載波相乘，經(jīng)過低通濾波器去除載波后得到兩路基帶信號[6]，分別為：

2.2? 平方環(huán)解調(diào)

平方環(huán)解調(diào)是一種針對MSK信號特性設計的數(shù)字解調(diào)方法[9]，MSK調(diào)制信號通過乘法器與平方環(huán)公式相乘得出正交分量Ik（t）和Qk（t），再經(jīng)過低通濾波器進行平滑濾波，最后再通過乘法器將濾波后的正交分量相乘得到解調(diào)信號Y（t），經(jīng)抽樣判決恢復出碼元信息。其解調(diào)流程如圖4所示。

2.3? 帶通濾波器法

帶通濾波器法采用了2個通帶頻率分別為f1和f2的帶通濾波器，分別濾出MSK信號的2個頻率成分，2路信號經(jīng)過整流和濾波處理后再通過抽樣判決恢復出碼元信息[10，11]。這種方法的關鍵在于帶通濾波器設計與真實信號的匹配程度，匹配度的高低決定了濾出頻率成分信號的信噪比。解調(diào)流程如圖5所示。

3? 仿真驗證與抗干擾性能比較

根據(jù)上述理論公式對3種MSK解調(diào)方法分別進行仿真驗證，驗證測試分為兩大部分，分別是解調(diào)功能驗證和抗干擾性能測試。解調(diào)功能驗證是在無頻偏無噪聲的理想情況下，驗證3種解調(diào)方法是否具備MSK解調(diào)能力，為抗干擾性能測試提供基礎。抗干擾性能測試是在不同頻偏和不同信噪比的條件下進行誤碼率統(tǒng)計，以比較3種解調(diào)方法的抗干擾性能。

3.1? 解調(diào)功能驗證仿真

通過MSK正交調(diào)制，將一個由20個0、1組成的隨機序列[10100100111100010100]調(diào)制成MSK信號，如圖6所示。

上述MSK調(diào)制信號分別通過數(shù)字差分解調(diào)、平方環(huán)解調(diào)和帶通濾波器解調(diào)3種解調(diào)方法進行解調(diào)，得到仿真結(jié)果如圖7所示。

由仿真結(jié)果可見，在無頻偏無噪聲的理想條件下，3種解調(diào)方法的解調(diào)結(jié)果都是[10100100111100010100]，與原始碼元信息一致，證明3種解調(diào)方法都具備MSK解調(diào)能力。

3.2? 抗干擾性能測試仿真

在上述結(jié)論的基礎上，為比較3種解調(diào)方法對信號產(chǎn)生頻偏的情況下的抗干擾能力，進行不同頻偏和不同信噪比條件下的誤碼率測試。測試數(shù)據(jù)量為10萬個隨機碼元，測試信噪比為0～10 dB，頻偏分別為0、2%、4%、6%、8%、10%的誤碼率，其測試結(jié)果如圖8所示。

從測試結(jié)果可以看出，由于平方環(huán)解調(diào)依賴于載波信息進行相關項的抵消，在信號產(chǎn)生2%的頻偏時，誤碼率就已經(jīng)大于10-1，因此，該解調(diào)方法無法在產(chǎn)生頻偏的情況下進行MSK解調(diào)。

由于帶通濾波器解調(diào)方法中的帶通濾波器設計參數(shù)很難取到一個最佳值，并且選取不同的參數(shù)會直接影響到解調(diào)誤碼率，因此帶通濾波器解調(diào)的抗頻偏能力稍微強于平方環(huán)解調(diào)法，但在信噪比≥10 dB，頻偏量≥4%時，其誤碼率高于10-4，抗干擾性能一般。

數(shù)字差分解調(diào)方法的結(jié)果驗證了其抗頻偏能力較強的理論分析，是3種解調(diào)方法中誤碼率最低、抗頻偏能力最強的解調(diào)方法。在信噪比≥10 dB，頻偏量為8%時，其誤碼率仍然小于5×10-5，具有較強抗干擾性能。

4? 結(jié)? 論

本文以解決敵我識別系統(tǒng)中的工程實際問題為目的，分析了ACARS的基帶信號特點，針對MSK解調(diào)易受噪聲與頻偏影響的問題，對3種常用的MSK解調(diào)方法進行了理論分析與仿真測試。從測試結(jié)果得出的結(jié)論是：數(shù)字差分解調(diào)方法是3種MSK解調(diào)方法中誤碼率最低，抗頻偏能力最強的解調(diào)方法。在SNR≥10 dB，頻偏量為8%時，數(shù)字差分解調(diào)的誤碼率小于5×10-5，具有較強抗干擾性能。在設計實現(xiàn)上，數(shù)字差分解調(diào)主要由乘法器、移位寄存器和低通濾波器等構(gòu)成，基于FPGA設計實現(xiàn)的難度不大，適用于ACARS基帶信號的MSK解調(diào)。

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作者簡介：王敏杰（1988-），男，漢族，湖南祁東人，工程師，本科，研究方向：電子偵察及信號處理。