S模式應(yīng)答信號(hào)多通道接收解碼技術(shù)研究

摘要：為了解決單個(gè)天線覆蓋范圍和作用距離之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)更廣的空域覆蓋和更高解碼率的目標(biāo)，采用多個(gè)通道進(jìn)行S模式應(yīng)答信號(hào)的接收、解碼及融合糾錯(cuò)的方法，進(jìn)行了兩通道接收、解碼及融合糾錯(cuò)實(shí)驗(yàn)，獲得具有代表性的三批目標(biāo)的解碼數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)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(shù)據(jù)量，同時(shí)在其中兩個(gè)通道覆蓋的交疊區(qū)域，采用信息融合糾錯(cuò)的方法可提供較好的相互糾錯(cuò)能力。
關(guān)鍵詞：S模式；多通道；分集接收；融合糾錯(cuò)

0 引言
隨著空中交通流量的增加，傳統(tǒng)的A／C模式二次雷達(dá)因?yàn)榇a有限且易受到混擾和串?dāng)_的影響已不能滿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(jiān)視、增強(qiáng)監(jiān)視和數(shù)據(jù)鏈等功能的S模式被提出，并被國(guó)際民航組織接受，作為二次監(jiān)視雷達(dá)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。自此，S模式二次雷達(dá)在世界范圍內(nèi)得到了最廣泛地使用。目前，被公認(rèn)為新一代監(jiān)視技術(shù)的ADS-B迅猛發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。為實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)升級(jí)，ADS-B采用S模式擴(kuò)展報(bào)文數(shù)據(jù)鏈作為其主要協(xié)議。因此，對(duì)S模式應(yīng)答信號(hào)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(shè)備的兩大追求目標(biāo)。使用單天線進(jìn)行接收解碼存在全向天線有效作用距離短和定向天線覆蓋角度有限的矛盾，同時(shí)多點(diǎn)定位系統(tǒng)也對(duì)天線的全向接收和更遠(yuǎn)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。本文主要以兩個(gè)接收通道為例研究S模式應(yīng)答信號(hào)的多通道接收解碼技術(shù)，及利用多天線的分集接收進(jìn)行報(bào)文糾錯(cuò)的技術(shù)。

1 多通道接收解碼的現(xiàn)實(shí)前提
目前的空域中，載波頻率在1 090 MHz上的信號(hào)有二次雷達(dá)A／C／S模式應(yīng)答信號(hào)和基于1090ES數(shù)據(jù)鏈的ADS-B下行信號(hào)。A／C模式應(yīng)答信號(hào)的長(zhǎng)度為20．75μs，S模式應(yīng)答信號(hào)及1090ES格式的ADS-B下行信號(hào)的長(zhǎng)度為64／120μs(56／112μs的數(shù)據(jù)加上8μs的報(bào)頭)，在理想情況下1 s之內(nèi)可以發(fā)射或接收8 000多幀S模式應(yīng)答信號(hào)或ADS-B下行信號(hào)，或更多的A／C模式應(yīng)答信號(hào)。如圖1所示。

A／C／S模式二次雷達(dá)是即問(wèn)即答的，而ADS-B下行信號(hào)具有時(shí)間上的自適應(yīng)發(fā)射機(jī)制，選擇在空域中的靜默時(shí)隙發(fā)送。由于信號(hào)完成發(fā)送所用的時(shí)間相當(dāng)短暫，所以可以認(rèn)為大多數(shù)的信號(hào)沒(méi)有和其他信號(hào)有重疊部分，當(dāng)然不排除這樣的情況?；谶@樣的認(rèn)識(shí)，對(duì)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(jī)的信號(hào)到達(dá)的前提下進(jìn)行。本文僅對(duì)兩通道進(jìn)行研究實(shí)驗(yàn)，多通道的原理是一樣的，很容易進(jìn)行拓展。
將兩個(gè)接收天線安裝在同一個(gè)支架上，朝向不同的角度(同時(shí)有覆蓋區(qū)域的交疊)，使用相同長(zhǎng)度的微波電纜，以保證同一個(gè)信號(hào)通過(guò)兩個(gè)通道到達(dá)解碼輸入端時(shí)嚴(yán)格的脈沖沿對(duì)準(zhǔn)。

2 多通道融合糾錯(cuò)的理論基礎(chǔ)
在無(wú)線通信中，發(fā)射信號(hào)可能經(jīng)過(guò)直射、反射、散射等多條路徑到達(dá)接收端。這些多徑信號(hào)相互疊加會(huì)形成衰落，其中快衰落的衰落深度可達(dá)40 dB。衰落會(huì)嚴(yán)重影響通信質(zhì)量(如導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)的高誤碼率等)。
直觀上可以通過(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(kuò)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(yīng)答信號(hào)中的CRC冗余校驗(yàn)編碼即是如此；均衡主要通過(guò)補(bǔ)償信道衰落引起的畸變來(lái)減小衰落的影響；擴(kuò)頻是通過(guò)特殊的信號(hào)設(shè)計(jì)所具有的分離多徑信號(hào)的能力，來(lái)消除引起衰落的多徑信號(hào)干擾效應(yīng)；而分集接收則是有意識(shí)地分離多徑信號(hào)并恰當(dāng)合并，以提高接收信號(hào)的信噪比來(lái)抗衰落。多通道能實(shí)現(xiàn)相互糾錯(cuò)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(tǒng)的性能。分集的概念可以簡(jiǎn)單解釋為：如果一個(gè)無(wú)線路徑經(jīng)歷深衰落，那么另一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的路徑中可能仍保持著較強(qiáng)的信號(hào)。因此，一旦在多徑信號(hào)中選擇出兩個(gè)或兩個(gè)以上的信號(hào)，接收機(jī)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
分集方式分為宏觀分集和微觀分集兩大類。宏觀分集主要用來(lái)抗慢衰落；微觀分集主要用來(lái)抗快衰落。微觀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(jù)是相距間隔達(dá)到一定程度時(shí)，不同接收地點(diǎn)收到信號(hào)的衰落具有獨(dú)立性。當(dāng)多個(gè)接收支路的問(wèn)隔在0．6個(gè)波長(zhǎng)以上，接收的信號(hào)具有較好的獨(dú)立性。S模式應(yīng)答信號(hào)載頻的波長(zhǎng)大約為0．3 m，架設(shè)在同一支架上的兩幅接收天線之間的間距可以滿足信號(hào)獨(dú)立到達(dá)的條件?？臻g分集的基本結(jié)構(gòu)為發(fā)射端使用一副天線發(fā)射，接收端使用多副天線接收。
2．3 分集合并技術(shù)
對(duì)接收到的多個(gè)通道信號(hào)，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(dāng)滿足信號(hào)接收獨(dú)立的條件下，到達(dá)信號(hào)在某副天線處有較深的衰落時(shí)，而在另一副天線處有可能卻保持著較強(qiáng)的信號(hào)。這為本文基于空間分集的雙通道融合糾錯(cuò)提供了可能。根據(jù)S模式應(yīng)答信號(hào)的調(diào)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(cuò)。