王敏杰 文榮輝 陳昱均

摘? 要：根據(jù)敵我識(shí)別系統(tǒng)中對(duì)ACARS數(shù)據(jù)鏈識(shí)別解調(diào)的需求，分析了ACARS的基帶信號(hào)特點(diǎn)。針對(duì)ACARS基帶信號(hào)的MSK解調(diào)易受噪聲和頻偏影響的問題，對(duì)3種常用的MSK解調(diào)方法進(jìn)行了比較分析與仿真測(cè)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(shí)現(xiàn)，適合于FPGA上實(shí)現(xiàn)高速M(fèi)SK解調(diào)。解調(diào)正確率的測(cè)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(qiáng)。

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

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

1? ACARS基帶信號(hào)特點(diǎn)

ACARS基帶信號(hào)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(hào)的碼元，它不同于典型的MSK信號(hào)碼元的定義，MSK用兩種頻率分別代表0或1，而ACARS信號(hào)還加入了相位信息[5]，其定義如圖1所示。

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

在ACARS基帶信號(hào)的生成與解調(diào)過程中，都需要進(jìn)行ACARS編碼和MSK編碼的相互轉(zhuǎn)換。在基帶信號(hào)的生成過程中，將已知的ACARS編碼信號(hào)SACARS（t）轉(zhuǎn)換成MSK編碼信號(hào)SMSK（t），存在關(guān)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(hào)的載波頻率并產(chǎn)生本地載波進(jìn)行解調(diào)，對(duì)載波頻率要求較為嚴(yán)格，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。而非相干解調(diào)方法不需要產(chǎn)生本地載波，算法實(shí)現(xiàn)相對(duì)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(hào)提取基帶正交信號(hào)，提取到的兩個(gè)信號(hào)都分別與另一路經(jīng)過一個(gè)碼元周期延遲后的信號(hào)進(jìn)行相乘，利用差分特性得到與碼元信息相關(guān)的解調(diào)信號(hào)，最后經(jīng)抽樣判決恢復(fù)出碼元信息。其解調(diào)流程如圖3所示。

MSK調(diào)制信號(hào)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(hào)[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(duì)MSK信號(hào)特性設(shè)計(jì)的數(shù)字解調(diào)方法[9]，MSK調(diào)制信號(hào)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(jìn)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(hào)Y（t），經(jīng)抽樣判決恢復(fù)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(gè)通帶頻率分別為f1和f2的帶通濾波器，分別濾出MSK信號(hào)的2個(gè)頻率成分，2路信號(hào)經(jīng)過整流和濾波處理后再通過抽樣判決恢復(fù)出碼元信息[10，11]。這種方法的關(guān)鍵在于帶通濾波器設(shè)計(jì)與真實(shí)信號(hào)的匹配程度，匹配度的高低決定了濾出頻率成分信號(hào)的信噪比。解調(diào)流程如圖5所示。

3? 仿真驗(yàn)證與抗干擾性能比較

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

3.1? 解調(diào)功能驗(yàn)證仿真

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

上述MSK調(diào)制信號(hào)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(jìn)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(cè)試仿真

在上述結(jié)論的基礎(chǔ)上，為比較3種解調(diào)方法對(duì)信號(hào)產(chǎn)生頻偏的情況下的抗干擾能力，進(jìn)行不同頻偏和不同信噪比條件下的誤碼率測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)量為10萬個(gè)隨機(jī)碼元，測(cè)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(cè)試結(jié)果如圖8所示。

從測(cè)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(jìn)行相關(guān)項(xiàng)的抵消，在信號(hào)產(chǎn)生2%的頻偏時(shí)，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(jìn)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(shè)計(jì)參數(shù)很難取到一個(gè)最佳值，并且選取不同的參數(shù)會(huì)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(qiáng)于平方環(huán)解調(diào)法，但在信噪比≥10 dB，頻偏量≥4%時(shí)，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(yàn)證了其抗頻偏能力較強(qiáng)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(qiáng)的解調(diào)方法。在信噪比≥10 dB，頻偏量為8%時(shí)，其誤碼率仍然小于5×10-5，具有較強(qiáng)抗干擾性能。

4? 結(jié)? 論

本文以解決敵我識(shí)別系統(tǒng)中的工程實(shí)際問題為目的，分析了ACARS的基帶信號(hào)特點(diǎn)，針對(duì)MSK解調(diào)易受噪聲與頻偏影響的問題，對(duì)3種常用的MSK解調(diào)方法進(jìn)行了理論分析與仿真測(cè)試。從測(cè)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(qiáng)的解調(diào)方法。在SNR≥10 dB，頻偏量為8%時(shí)，數(shù)字差分解調(diào)的誤碼率小于5×10-5，具有較強(qiáng)抗干擾性能。在設(shè)計(jì)實(shí)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(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的難度不大，適用于ACARS基帶信號(hào)的MSK解調(diào)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔣興城，曹力，鄧雪云，等.基于MSK的地空數(shù)據(jù)鏈通信調(diào)制解調(diào)方法 [J].信息技術(shù)，2012，36（8）：5-8.

[2] 張輝，代遵超.一種改進(jìn)的MSK信號(hào)解調(diào)算法 [J].通信技術(shù)，2019，52（5）：1061-1064.

[3] 張姝璇.三種頻移鍵控調(diào)制解調(diào)算法的仿真性能研究 [J].保山學(xué)院學(xué)報(bào)，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.基于軟件無線電技術(shù)的ACARS信號(hào)接收技術(shù)研究 [D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2015.

[6] 樊昌信，曹麗娜.通信原理 [M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2015.

[7] 謝躍輝.兩種MSK信號(hào)解調(diào)方法性能比較 [J].電子世界，2016（17）：104+115.

[8] 張幼明，賈建祥.MSK信號(hào)的差分?jǐn)?shù)字解調(diào)方法 [J].艦船電子工程，2008（11）：77-79.

[9] 王正磊，周新力，宋斌斌.一種基于改進(jìn)平方環(huán)的MSK解調(diào)方法的FPGA實(shí)現(xiàn) [J].電子設(shè)計(jì)工程，2018，26（1）：102-105+109.

[10] 陳韻，劉建，宋大偉，等.基于MSK的敵我識(shí)別及遙測(cè)信號(hào)解調(diào)方法研究 [J].航天電子對(duì)抗，2018，34（5）：29-33.

作者簡(jiǎn)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(hào)處理。