S模式應(yīng)答機(jī)DPSK信號解調(diào)處理方法分析

王華軍 鄒亮

（四川九洲空管科技有限責(zé)任公司 四川省綿陽市 621000）

隨著航電系統(tǒng)高度綜合化時代的到來，同時還面臨著空域中飛行器密度的增加以及地面詢問站數(shù)量的增加的挑戰(zhàn)，很容易出現(xiàn)相互干擾、多徑影響嚴(yán)重等問題，因此，對于S 模式應(yīng)答機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力提出了更高的要求。

本文將基于軟件無線電的思想介紹S 模式應(yīng)答機(jī)詢問信號的中頻數(shù)字化處理方法，重點(diǎn)針對S 模式的DPSK 解調(diào)方法進(jìn)行介紹，并介紹一種碼元自相關(guān)的DPSK 解調(diào)算法。

1 S 模式詢問信號格式

S 模式詢問信號格式如圖1所示，其頻率為1030MHz，采用為ASK 和DPSK 兩種方式混合調(diào)制。

其中，P1 與P2 脈沖間隔2μs，兼容普通A/C 模式的旁瓣抑制脈沖，因此，當(dāng)A/C 模式應(yīng)答機(jī)接收到該詢問信號時，就會判為是地面二次雷達(dá)的旁瓣抑制信號，不進(jìn)行應(yīng)答處理；長脈沖P6 包含56bit 或112bit 信息，采用差分相移鍵控調(diào)制（即DPSK 調(diào)制），碼速率為4MHz，其中，有相位翻轉(zhuǎn)表示二進(jìn)制“1”，無相位翻轉(zhuǎn)表示二進(jìn)制“0”，兩個相位翻轉(zhuǎn)時間間隔為0.25μs。第一個相位翻轉(zhuǎn)是在P6 脈沖上升沿的1.25μs 處，也即是同步倒相位處，航管S 模式應(yīng)答機(jī)根據(jù)這個參考點(diǎn)來同步自身時鐘，并解碼后續(xù)的DPSK 數(shù)據(jù)。

在S 模式詢問條件下，P5 脈沖作為旁瓣抑制脈沖。如果機(jī)載應(yīng)答機(jī)接收到的P5 脈沖幅度要強(qiáng)于P6，應(yīng)答機(jī)將判斷不出同步相位翻轉(zhuǎn)點(diǎn)，則不會應(yīng)答該S 模式詢問，也即是會抑制當(dāng)前S 模式詢問的應(yīng)答；反之如果收到的P6 脈沖幅度強(qiáng)于P5 脈沖，那么應(yīng)答機(jī)將能夠檢測出同步相位翻轉(zhuǎn)點(diǎn)，并將繼續(xù)接收并解碼P6 脈沖，從而完成S 模式詢問信號的譯碼操作，并給出當(dāng)前詢問的應(yīng)答信號。

2 S模式中頻信號處理流程

由于S 模式詢問信號采用為ASK 和DPSK 兩種方式混合調(diào)制，為了能獲得S 模式詢問信號的幅度信息和相位信息，需要利用數(shù)字下變頻（DDC）等中頻處理技術(shù)。

本文將以70MHz 中頻信號的處理過程為例，簡單介紹S 模式中頻信號處理過程。

經(jīng)過信道前端的模擬下變頻處理，詢問信號從射頻信號（1030MHz）變?yōu)橹蓄l信號（70MHz），然后再根據(jù)欠采樣以及帶通采樣定理且頻譜不發(fā)生混疊的條件，一般選取40MHz 采樣頻率作為ADC 采樣頻率對70MHz 中頻信號進(jìn)行采樣。容易知道最靠近零頻的中心頻率為10MHz，經(jīng)過正交相干解調(diào)處理后，容易得到相互正交的零頻詢問信號，這一過程又稱為數(shù)字下變頻。然后經(jīng)過包絡(luò)解調(diào)處理得到S 模式詢問信號的包絡(luò)，經(jīng)過DPSK 解調(diào)處理則得到DPSK 碼元信息。

S 模式詢問信號的整個中頻處理的流程如圖2所示，其中DPSK 解調(diào)處理是整個處理的核心，如何準(zhǔn)確有效地對S 模式詢問信號中的DPSK 信號進(jìn)行解調(diào)將在后面的第3 節(jié)重點(diǎn)介紹。

圖1：S 模式詢問信號格式

圖2：S 模式中頻信號處理流程

3 DPSK解調(diào)算法對比研究

DPSK 調(diào)制解調(diào)方式是為了解決PSK 系統(tǒng)中相位模糊問題而產(chǎn)生的一種調(diào)制方式。S 模式應(yīng)答機(jī)中采用該調(diào)制方式進(jìn)行詢問信息傳輸，將會降低通信出錯的概率，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性。另外一方面，由于S 模式詢問信號具有突發(fā)性、達(dá)到時間的不確定性等的特點(diǎn)，因此，對其進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)將有新的要求。目前工程應(yīng)用常用的DPSK 解調(diào)方式包括:正交解調(diào)、差分解調(diào)等[1]。下面將簡單介紹各方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

3.1 傳統(tǒng)的DPSK解調(diào)算法原理

傳統(tǒng)的DPSK 解調(diào)方式分為兩種，非相干解調(diào)和相干解調(diào)。如圖3所示。

所謂非相干解調(diào)，也即是不需要載波恢復(fù)電路的一種解調(diào)方法，通常非相干解調(diào)也稱為差分相干解調(diào)，是相對于相干解調(diào)這種方式而言的一種解調(diào)方法。因此，該解調(diào)方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要載波恢復(fù)處理。具體實(shí)現(xiàn)過程：將輸入信號延遲一個碼元，然后與原始信號相乘，經(jīng)過低通濾波器進(jìn)行濾波處理，最后經(jīng)過抽樣判決便可解調(diào)出DPSK 信息。

采用非相干解調(diào)方法的缺點(diǎn)顯而易見的，如果輸入信號含有噪聲等其他干擾信號，那么該方法的性能將會下降許多。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，在相同信噪比條件下，非相干解調(diào)比相干解調(diào)要低3dB 左右，也即是誤碼率要比相干解調(diào)方式高。

因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，對于性能要求較高的場合，一般都采用相干解調(diào)方式完成DPSK 信號解調(diào)。如圖4所示。

相干解調(diào)方法的關(guān)鍵在于同步載波信號的提取。針對載波同步，常用的方法是基于鎖相環(huán)（PLL）原理，直接從接收信號中提取出同步信息，從實(shí)現(xiàn)上方式上一般有兩種方法：平方環(huán)法和科斯塔斯（Costas）環(huán)法。

兩種方法的性能在理論上是一樣的，但平方環(huán)法會導(dǎo)致整個環(huán)路工作頻率倍增，實(shí)現(xiàn)難度增大，同時也可能會導(dǎo)致鎖相環(huán)鎖定在錯誤的頻率上，而科斯塔斯環(huán)法是用乘法器和低通濾波器代替平方環(huán)，實(shí)現(xiàn)較為簡單。但科斯塔斯（Costas）環(huán)法的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于參數(shù)的確定，參數(shù)的選擇直接影響整個環(huán)路的性能和效果，而且該參數(shù)受多個因素相互制約，調(diào)試麻煩[1]。

值得說明的是，由于S 模式詢問信號具有突發(fā)性，為了能夠正確獲得S 模式的數(shù)據(jù)信息，科斯塔斯（Costas）環(huán)路必須在P6 信號1.25us 之前完成環(huán)路的鎖定，才能保證后續(xù)的DPSK 數(shù)據(jù)的正確性。當(dāng)輸入的頻率存在較大頻偏時，環(huán)路鎖定是時間較長，無法在1.25us 內(nèi)完成鎖定，會導(dǎo)致后續(xù)DPSK 解碼錯誤。

由此可見，差分相干解調(diào)方法提取DPSK 的方法較為簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但性能較差，誤碼率較高。而相干解調(diào)算法需要考慮載波同步等較復(fù)雜的工作，實(shí)現(xiàn)上要相對要復(fù)雜一些，同時其性能會受到頻偏、同步等因素影響。針對以上問題，本文介紹了一種易于實(shí)現(xiàn)、不容易受頻偏影響、無需載波恢復(fù)的DPSK 提取方法。

3.2 碼元自相關(guān)解調(diào)算法原理

碼元自相關(guān)DPSK 解調(diào)實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

假設(shè)輸入信號為：

其中，A 代表輸入信號的幅度，M(t)表示基帶信號，f0代表載波信號頻率，代表信號的頻偏，代表載波信號的相位差。

經(jīng)過數(shù)字下變頻DDC 以及低通濾波后，輸入信號轉(zhuǎn)換為相互正交的I、Q 兩路信號，分別為：

假設(shè)第一個碼元的值為m1，第二個碼元值為m2，兩個碼元值之間相距0.25us，每個碼元的采樣點(diǎn)數(shù)為N。

以I 路信號舉例說明，將濾波后的I 路信號的第一個碼元與下一個（距離0.25us）碼元信號相乘，再求和，即可完成I 路信號的能量計(jì)算，即：

同理，Q 路信號的能量如下：

最后將I 路和Q 路能量相加，完成能量集中到一路輸出，即：

由式（6）可知，表示相位翻轉(zhuǎn)的信號Phase 只與前后碼元相關(guān)累計(jì)求和有關(guān)，而與載波信號的相位和載波信號的頻偏無關(guān)，因此，該處理方法無需考慮載波同步信號和頻偏的問題，較容易實(shí)現(xiàn)。

4 位同步抽樣判決技術(shù)

經(jīng)過碼元自相關(guān)輸出的信號是多位寬的數(shù)據(jù)信號，因此，為了得到最終的二進(jìn)制DPSK 碼元信息，還需要對該基帶信號進(jìn)行位同步抽樣判決處理。

圖3：DPSK 非相干（差分相干）解調(diào)原理圖

圖4：DPSK 相干解調(diào)原理圖

圖5：碼元自相關(guān)DPSK 解調(diào)實(shí)現(xiàn)流程

傳統(tǒng)的位同步抽樣判決方法一般是利用位定時脈沖對DPSK 量化后的相位信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，將采樣值與預(yù)先設(shè)定的門限值進(jìn)行比較，進(jìn)而得到最終的二進(jìn)制碼元[1]。因此，該方法的缺點(diǎn)也是顯而易見的，采樣值容易受外部噪聲等干擾信號的影響，設(shè)定的門限值會因外部環(huán)境變化而變化。

本文介紹的DPSK 解調(diào)方法，由式（6）可以看出，由于最后的計(jì)算出的DPSK 相位信息與m1，m2的符號無關(guān)，而只與m1，m2碼元是否變化有關(guān)。因此，如果當(dāng)判決點(diǎn)的幅度小于0 時，則認(rèn)為存在相位翻轉(zhuǎn)，如果當(dāng)判決點(diǎn)的幅度大于0 時，則認(rèn)為不存在相位翻轉(zhuǎn)。因此，只需利用有符號數(shù)據(jù)在 FPGA 上進(jìn)行運(yùn)算時其在正負(fù)值表達(dá)上的區(qū)別，即可完成DPSK 信號的抽樣判決。和傳統(tǒng)預(yù)先設(shè)定門限的方法相比，本文介紹的方法會減小出錯的機(jī)率。

5 結(jié)束語

本文主要介紹了S 模式應(yīng)答機(jī)的中頻數(shù)字信號處理過程，重點(diǎn)介紹了DPSK 信號的解碼原理和過程，針對目前工程應(yīng)用中常用方法優(yōu)缺點(diǎn)的介紹，介紹了一種碼元自相關(guān)的DPSK 信號解調(diào)算法，與傳統(tǒng)方法相比，該方法計(jì)算簡單，在載波相位不同步、存在頻偏的情況下任然可以正常工作，無需傳統(tǒng)方法中載波恢復(fù)的過程，易于工程實(shí)現(xiàn)。