S模式應答信號多通道接收解碼技術(shù)研究

摘要：為了解決單個(gè)天線(xiàn)覆蓋范圍和作用距離之間的矛盾，實(shí)現更廣的空域覆蓋和更高解碼率的目標，采用多個(gè)通道進(jìn)行S模式應答信號的接收、解碼及融合糾錯的方法，進(jìn)行了兩通道接收、解碼及融合糾錯實(shí)驗，獲得具有代表性的三批目標的解碼數據。經(jīng)過(guò)統計分析，結果表明多通道接收解碼不僅可以覆蓋更廣的空域范圍以增加數據量，同時(shí)在其中兩個(gè)通道覆蓋的交疊區域，采用信息融合糾錯的方法可提供較好的相互糾錯能力。
關(guān)鍵詞：S模式；多通道；分集接收；融合糾錯

0 引言
隨著(zhù)空中交通流量的增加，傳統的A／C模式二次雷達因為代碼有限且易受到混擾和串擾的影響已不能滿(mǎn)足空中交通管制的需求。為了克服A／C模式的不足，具有基本監視、增強監視和數據鏈等功能的S模式被提出，并被國際民航組織接受，作為二次監視雷達的行業(yè)標準。自此，S模式二次雷達在世界范圍內得到了最廣泛地使用。目前，被公認為新一代監視技術(shù)的ADS-B迅猛發(fā)展，具有廣闊的應用前景。為實(shí)現平穩升級，ADS-B采用S模式擴展報文數據鏈作為其主要協(xié)議。因此，對S模式應答信號的接收解碼顯得尤為重要。在空中交通管制領(lǐng)域，更廣的空域覆蓋和更高的正確接收解碼率是接收設備的兩大追求目標。使用單天線(xiàn)進(jìn)行接收解碼存在全向天線(xiàn)有效作用距離短和定向天線(xiàn)覆蓋角度有限的矛盾，同時(shí)多點(diǎn)定位系統也對天線(xiàn)的全向接收和更遠的作用距離提出了要求。為解決上述矛盾，采用多通道接收解碼成為了一個(gè)發(fā)展方向。本文主要以?xún)蓚€(gè)接收通道為例研究S模式應答信號的多通道接收解碼技術(shù)，及利用多天線(xiàn)的分集接收進(jìn)行報文糾錯的技術(shù)。

1 多通道接收解碼的現實(shí)前提
目前的空域中，載波頻率在1 090 MHz上的信號有二次雷達A／C／S模式應答信號和基于1090ES數據鏈的ADS-B下行信號。A／C模式應答信號的長(cháng)度為20．75μs，S模式應答信號及1090ES格式的ADS-B下行信號的長(cháng)度為64／120μs(56／112μs的數據加上8μs的報頭)，在理想情況下1 s之內可以發(fā)射或接收8 000多幀S模式應答信號或ADS-B下行信號，或更多的A／C模式應答信號。如圖1所示。

A／C／S模式二次雷達是即問(wèn)即答的，而ADS-B下行信號具有時(shí)間上的自適應發(fā)射機制，選擇在空域中的靜默時(shí)隙發(fā)送。由于信號完成發(fā)送所用的時(shí)間相當短暫，所以可以認為大多數的信號沒(méi)有和其他信號有重疊部分，當然不排除這樣的情況?；谶@樣的認識，對多通道接收解碼的研究將在多個(gè)接收通道在同一時(shí)刻只有一架飛機的信號到達的前提下進(jìn)行。本文僅對兩通道進(jìn)行研究實(shí)驗，多通道的原理是一樣的，很容易進(jìn)行拓展。
將兩個(gè)接收天線(xiàn)安裝在同一個(gè)支架上，朝向不同的角度(同時(shí)有覆蓋區域的交疊)，使用相同長(cháng)度的微波電纜，以保證同一個(gè)信號通過(guò)兩個(gè)通道到達解碼輸入端時(shí)嚴格的脈沖沿對準。

2 多通道融合糾錯的理論基礎
在無(wú)線(xiàn)通信中，發(fā)射信號可能經(jīng)過(guò)直射、反射、散射等多條路徑到達接收端。這些多徑信號相互疊加會(huì )形成衰落，其中快衰落的衰落深度可達40 dB。衰落會(huì )嚴重影響通信質(zhì)量(如導致數字信號的高誤碼率等)。
直觀(guān)上可以通過(guò)加大發(fā)射功率來(lái)抗衰落，但這實(shí)際上并不可行。目前典型的抗衰落的方法有信道編碼、均衡、擴頻和分集接收。信道編碼通過(guò)增加信息的冗余度來(lái)糾正衰落引起的誤碼，S模式應答信號中的CRC冗余校驗編碼即是如此；均衡主要通過(guò)補償信道衰落引起的畸變來(lái)減小衰落的影響；擴頻是通過(guò)特殊的信號設計所具有的分離多徑信號的能力，來(lái)消除引起衰落的多徑信號干擾效應；而分集接收則是有意識地分離多徑信號并恰當合并，以提高接收信號的信噪比來(lái)抗衰落。多通道能實(shí)現相互糾錯正是基于分集接收技術(shù)。
2．1 分集接收的基本概念
分集接收是一種有效的通信接收方式，它能以較低成本改善系統的性能。分集的概念可以簡(jiǎn)單解釋為：如果一個(gè)無(wú)線(xiàn)路徑經(jīng)歷深衰落，那么另一個(gè)相對獨立的路徑中可能仍保持著(zhù)較強的信號。因此，一旦在多徑信號中選擇出兩個(gè)或兩個(gè)以上的信號，接收機的瞬時(shí)信噪比和平均信噪比就可得到較大幅度的改善。
2．2 分集方式
分集方式分為宏觀(guān)分集和微觀(guān)分集兩大類(lèi)。宏觀(guān)分集主要用來(lái)抗慢衰落；微觀(guān)分集主要用來(lái)抗快衰落。微觀(guān)分集又可分為空間分集、頻率分集、時(shí)間分集、極化分集、角度分集和路徑分集?？臻g分集的依據是相距間隔達到一定程度時(shí)，不同接收地點(diǎn)收到信號的衰落具有獨立性。當多個(gè)接收支路的問(wèn)隔在0．6個(gè)波長(cháng)以上，接收的信號具有較好的獨立性。S模式應答信號載頻的波長(cháng)大約為0．3 m，架設在同一支架上的兩幅接收天線(xiàn)之間的間距可以滿(mǎn)足信號獨立到達的條件?？臻g分集的基本結構為發(fā)射端使用一副天線(xiàn)發(fā)射，接收端使用多副天線(xiàn)接收。
2．3 分集合并技術(shù)
對接收到的多個(gè)通道信號，可以在中頻和射頻上進(jìn)行合并，也可以在基帶上進(jìn)行。合并方式有最大比合并、等增益合并、選擇式合并和切換合并。
由上所述，當滿(mǎn)足信號接收獨立的條件下，到達信號在某副天線(xiàn)處有較深的衰落時(shí)，而在另一副天線(xiàn)處有可能卻保持著(zhù)較強的信號。這為本文基于空間分集的雙通道融合糾錯提供了可能。根據S模式應答信號的調制特點(diǎn)，選擇在基帶上采用改進(jìn)了的選擇式合并技術(shù)進(jìn)行雙通道的接收解碼及融合糾錯。