第16卷 第5期 太赫兹科学与电子信息学报Vo1.16，No.5 2018年10月 Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology Oct.，2018文章编号：2095-4980(2018)05-0886-06高灵敏度星载ADS-B信号解调算法余孙全1，陈利虎*1，李松亭1，李兰民2(1.国防科技大学空天科学学院，湖南长沙 410073；2.山东航天电子技术研究所，山东烟台 264000)摘 要：为提高星载自动相关广播监视系统(ADS-B)接收机的检测性能，研究了高灵敏度解调算法。
利用基于匹配滤波的ADS-B信号帧头检测算法对信号准确定时和提取功率信息，该方法构建了特殊的帧头匹配脉冲序列，设计了信号控制状态机以确保在相关峰值最大处定位信号，并联合一部分数据位进行同步。
利用多点加权振幅采样法提取比特信息和置信度。
最后，采用基于置信度的纠错方法纠正校验错误的报文。
板载验证表明，该解调算法能有效提升低信噪比条件下星载ADS-B信号的检测概率，最终接收机的灵敏度可达-95 dBm(数据包错误率5%)。
关键词：自动相关广播监视系统；低轨卫星；帧头检测；匹配滤波中图分类号：TN95 文献标志码：A doi：10.11805/TKYDA201805.0886High sensitivity detection algorithm for space-based ADS-BYU Sunquan1，CHEN Lihu*1，LI Songting1，LI Lanmin2(1.College of Aeronautics and Astronautics，National University of Defense Technology，Changsha Hunan 410073，China；2.Shandong Institute of Space Electronic Technology，Yantai Shandong 264000，China)Abstract：In order to detect signal of Automatic Dependent Surveillance-Broadcast(ADS-B) precisely, an improved detection algorithm is developed in this paper. And a special match filter for ADS-B isproposed, which benefits from the phase coherence of the pulse train from the first ADS-B preamble pulseto the third format bit. State machine is developed to ensure decode signal in correlate peak. Thesimulation results show that it is able to increase detection probability by this method under low ratio ofsignal to noise. The sensitivity of receiver using this method is -95 dBm(the packet error rate is 5%).Keywords：Automatic Dependent Surveillance-Broadcast；Low Earth Orbit(LEO) satellite；preamble detection；match filter自动相关广播监视系统(ADS-B)是国际民航组织确定的未来主要空管监视技术。
第21期2023年11月无线互联科技Wireless Internet Science and TechnologyNo.21November,2023作者简介:沈卫康(1961 ),男,江苏南京人,教授,本科;研究方向:电力系统信息通信技术㊂临频差分调制技术研究沈卫康1,张仟凤2(1.南京工程学院,江苏南京210000;2.南京邮电大学,江苏南京210000)摘要:调制技术是通信的基础㊂文章讨论一种在频率域进行差分处理,以提高抗干扰性能的频域差分调制技术㊂它采用多个频率传输一个码元,形成一个合成信号在同一个信道中传输,噪声对该信号干扰时会对多个频点作用,由于多频点信道完全相同,因此其干扰也相似,解调时可利用差分技术降低干扰影响㊂文章研究了2个频率相近载波的临频差分调制(Non -orthogonal Frequency Division Multiplexing ,NFDM ),当输入信噪比为-6DB 时,误码率约为10-4,与信噪比+8DB 时OFDM 的误码率相似,说明NFDM 有很好的抗干扰能力㊂关键词:频域差分调制;临频差分调制;误码率中图分类号:U228.2㊀㊀文献标志码:A0㊀引言㊀㊀在测量一个物理参数时,有时会以某个参数为参考点,同时测量2个或多个参数,再与参考点的值进行对比,以提高测量的精度㊂这种在受到同一种外部因素干扰时,采用对比的方法,扣除干扰影响,以提高测量处理的准确性,常见的方法有差分处理㊂在电子技术领域,典型的差分运算放大器就是常用的一种,它利用差分技术克服干扰源在2个输入端形成的共模干扰,起到了很好的效果㊂在通信领域中,CAN 总线将码元调制成2个具有不同电平的信号传输,在接收端进行差分处理[1],这种方法大大提高了CAN 的抗干扰性能㊂这些例子,都是在时域进行差分处理,以提高信号传递和通信的抗干扰能力㊂如果将码元信号通过多个频率进行调制传输,再在频率域进行差分处理,其抗干扰性能也将得到提高㊂1㊀模型㊀㊀一个码元信号,在频率方面进行多维度调制,形成一个时间序列,如图1所示㊂图1㊀多维调制系统模型图1中码元m 进入调制器M ,经过多维参数M (1),M (2), ,M (N )调制,形成时域信号y (m ,t )在信道上传输㊂各种噪声n (t )耦合进信道,形成带噪信号y '(m ,t ),y '(m ,t )经接收端的解调器D 进行解调,解调参数为D (1),D (2), ,D (N )㊂解调结果为m '㊂y (m ,t )=Mm (1)y '(m ,t )=y (m ,t )+n (t )(2)m '=Dy '(m ,t )(3)由于多维参数M (1),M (2), ,M (N )调制形成的信号为一集合信号s (m ),在系统工作时,n (t )将对其各个调制参数样本产生误差函数Δm (1),Δm (2), ,Δm (N ),如果M (1),M (2), ,M (N )在传输信道上受n (t )干扰基本相似,那么Δm (1),Δm (2), ,Δm (N )就有一定的相似性㊂在解调时,其对各参数进行适当的运算,以减小Δm (1),Δm (2), ,Δm (N )对输出的影响㊂最简单的运算是差分运算,含有差分运算的解调可以形成差分解调㊂实现这种方案模型的关键是设计调制器M 和选择调制参数M (1),M (2), ,M (N ),以及设计解调器D 和选择解调参数D (1),D (2), ,D (N )㊂2㊀临频差分调制㊀㊀临频差分调制是上述模型中最简单的一种实现方案㊂选择2个靠得较近的频率信号,对码元进行调制,由于频率靠得近,噪声对形成的信号y (t )中2个频率的信号的影响非常接近,在解调时利用差分的方法进行处理,可以取得较好的效果㊂这里有2个不同频率的正弦波信号,其频率分别为f c1(角频率为ω1)㊁f c2(角频率为ω2)㊂这2个正弦波信号的幅度有2种电平A 和B 在调制时进行选择㊂NFDM 技术根据初始的码元调整2个频率接近的正弦波幅值,当码元m 在 0 1 之间发生变化时,2条正弦波的幅值发生交变㊂调制器模型简化为:[y ]=[x 1+x 2]x 1x 2éëêêùûúú=A sin ω1t B sin ω1t B sin ω2t A sin ω2t éëêêùûúúm m ➝éëêêùûúú(4)即当码元信号为 1 时,频率为f c1的正弦波幅值为A ,频率为f c2的正弦波幅值为B ;当码元信号为 0 时,频率为f c1的正弦波幅值为B ,频率为f c2的正弦波幅值为A ㊂只有发生码元变化时,幅值才会交变,码元时间内,幅值不发生变化㊂Y l (t )=Asin 2πf c 1t +Bsin 2πf c 2tY 0(t )=Bsin 2πf c 1t +Asin 2πf c 2t{(5)式(5)中,Y l (t )代表 1 码元的调制信号,Y 0(t )代表 0 码元的调制信号㊂4个码元 1010 其调制后的波形如图2所示,图中仿真分析时有2个支路分别产生2种频率的信号,上支路是信号频率为f c1的调制信号x 1(t ),下支路信号频率为f c2的调制信号x 2(t )㊂图2㊀码元1010调制后的波形图2中最下面那张图是对应二进制值为 1010 的码元m ,合成后的已调制信号y (t )㊂仿真时采用的频率分别为50kHz 和48kHz,A ㊁B 的值分别为2和1㊂这个y (t )信号作为一个整体合成信号,包含了临近的2个载波频率,在信道中传输时2个载波通过相同的路由,各种耦合㊁天线㊁电缆㊁有线无线信道㊁放大㊁滤波等电路环节,在整个信号的传输过程中,虽然也受到外部噪声n (t )的干扰,但这个噪声对y (t )中2个载频信号的干扰模式基本相似㊂这为在解调中进行简单差分处理的思想创造了条件㊂3㊀NFDM 的功率谱㊀㊀设基带信号如式(6),a n 为第n 个码元所对应的电平值(0或+1),T B 为码元持续时间,g (t )为矩形波形[2]㊂s (t )=ð+ɕn =-ɕa n g (t -nT B )(6)双边随机序列s (t )的功率谱密度如式(7):P s (f )=f B P (1-P )|G 1(f )-G 2(f )|2+ð+ɕm =-ɕ|f B [PG 1(mf B )-(1-P )G 2(mf B )]|2δ(f -mf B )(7)p NFDM (f )=(A +B )T 16[sin πT B (f -f 0)πT B (f -f 0)]+(A +B )16δ(f -f 0)+(A +B )T B 16[sin πT B (f -f 1)πT B (f -f 1)]+(A +B )16δ(f -f 1)(8)如图3所示,带宽为|f c 1-f c 2|+2R B ㊂图3㊀NFDM 已调信号频谱4㊀NFDM 信号的解调㊀㊀NFDM 调制2个载波信号共同代表一个码元,解调时又要进行差分处理[3],因此可以构建一个简单的相干函数,如式(9)所示,式中的减号实现了差分运算㊂[sin(w 1t )-sin(w 2t )](9)假设发送端的信号经过信道后,输入噪声为高斯白噪声㊂高斯白噪声经过带通滤波器输出为窄带高斯白噪声,n (t )=n c (t )cos w c t -n i (t )sin w c t (10)则,信号加噪声通过带通滤波器的输出波形可以表示为r (t ),如式(11):r (t )=A sin w 1t +B sin w 2t +n (t )B sin w 1t +A sin w 2t +n (t ){(11)发送码元 1 时:y 1(t )=ʏ(m +1)T BmT Br 1(t )ˑ(sin w 1t -sin w 2t )dt =ʏ(m +1)T BmT BA sin w 1t sin w 1t +B sin w 2t sin w 1t -A sin w 1t sin w 2t -B sin w 2t sin w 2tn c (t )cos w c t sin w 1t -n c (t )cos w c t sin w 2t -n i (t )sin w c t sin w 1t +n i (t )sin w c t sin w 2tdt ʈT B2(A -B )(12)当发送码元为0时:y 2(t )=ʏT B0r 0(t )ˑ(sin w 1t -sin w 0t )dt ʈT B 2(B -A )(13)进行判决,得到解调信号x (t ),大于0判 1 码,小于0判 0 码㊂x (t )=a (A -B )>0,判为"1"码a (B -A )<0,判为"0"码{(14)可以看出,这种新型的利用三角函数正交性的差分相干解调,利用幅值对信号进行抽样判决,解调设备成本低㊂如图4所示为解调过程的MATLAB 仿真,调制码元为1010㊂图4㊀NFDM 解调信号5㊀NFDM 误码率分析㊀㊀已知y (t )=ʏT B0(r (t )+n (t ))(sin w 1t -sin w 2t )dt ,当y (t )>0,判为 1 ;y (t )<0,判为 0 ㊂发生错误的情况是,接收端收到 0 码元后,y (t )>0,判为 1 码,即p (0/1);接收端收到 1 码元,y (t )<0,判为 1 码元,即p (1/0)㊂以接收端收到 0 码元,判为 1 码元为例㊂y (t )=ʏT B(r 0(t )+n (t ))(sin w 1-sin w 2t )dt >0(15)ʏT B[B sin w 1t +A sin w 2t +n (t )](sin w 1t -sin w 2t )dt >0(16)化简得:ʏT Bn (t )(sin w 1t -sin 2t )dt >-ʏT B(B sin w 1t +A sin w 2t )(sin w 1t -sin w 2t )dt (17)式中左端是和此码元中的噪声电压随机值n (t )有关的随机量,而右端则仅与先验概率p (0)和p (1),确知信号s 0(t )和s 1(t )以及噪声功率谱密度n 0有关,他们不是随机量㊂因此,使用随机量ξ表示左端,使用常量a 表示右端,则上述错误概率可以简写为:ξ>a (18)式(18)中:ξ=ʏT B0n (t )(sin w 1t -sin w 2t )dt(19)a =-ʏT B(B sin w 1t -A sin w 2t )(sin w 1t -sin w 2t )dt =T B 2(A -B )(20)E (ξ)=EʏT B 0n (t )(sin w 1t -sin w 2t )dt {}=ʏT BE [n (t )]㊃(sin w 1t -sin w 2t )dt =0(21)δ2ξ=D (ξ)=E (ξ2)=E ʏT B 0ʏT B0n (t )(sin w 1t -sin w 2t )n (t ι)(sin w 1t ι-sin w 2t ι)dtdt ιìîíïïïüþýïïï=ʏT B 0ʏT BE [n (t )n (t ι)]㊃[(sin w 1t -sin w 2t )(sin w 1t ι-sin w 2t ι)]dtdt ι(22)R n (τ)=ʏɕ-ɕP x (f )e jwτdf =ʏɕ-ɕn 02e jwτdf =n 02δ(τ)(23)δ2ξ=D (ξ)=n 02ʏT B(sin w 1t -sin w 2t )2dt =n 0T B 2(24)P (ξ<a )=12πσξʏa-ɕe-x22σ2ξdx(25)将发送端发送 0 而接收端判定为 1 的条件概率记为p (1/0),即:P (1/0)=P (ξ>a )=12πσξʏ+ɕae-x22σ2ξdx =122πʏ+ɕa 2σe -t 2dt =12erfc (a 2σ)(26)因此,NFDM 先验等概下的误码率可表示为:p e =p (0)p (1/0)+p (1)p (0/1)=12erfc (a2σξ)=12erfc (A -B 2n 0R B)(27)6㊀NFDM 误码率性能仿真比较㊀㊀基于MATLAB 仿真NFDM 信号的调制解调以及误码率与信噪比的关系,在这里设幅值为10V 和5V 的频率f c 1和频率f c 2的正弦载波㊂仿真时通过的信道为高斯白噪声信道㊂信噪比与误码率的关系如图5所示㊂NFDM 在经过理想的滤波器后,差分相干解调后,与其他调制的相干解调的误码率相比,在信噪比为-6dB 的情况下,NFDM 的误码率就达到了10-4,性能很好㊂图5㊀不同信噪比下四种调制方式误码率性能仿真7㊀结语㊀㊀利用NFDM 技术进行通信,有如下几个方面的优点㊂(1)在噪声条件的较为苛刻的情况下,例如电力线载波通信,往往需要增加发射功率,保证通信性能㊂而NFDM 在很差信噪比条件下就可以得到很好的性能,有利于实际应用㊂(2)NFDM 的另一个特点是信号峰均比小㊂如图6所示已调信号的波形可以看出,它的波形峰值,不管是码元 0 还是码元 1 ,波形基本上是一样的,是个很平稳的过程㊂而有些调制方式会有较高的峰均比㊂如图7所示是OFDM 在10个子载波调制时候,出现的一种合成调制波形㊂可以看出信号,信号中会出现很大的冲击峰㊂从负的峰值变化到正的峰值,其变化幅度接近16,而其他大部分信号的峰值为2~4㊂如果在电力线载波通信上应用,这种冲击是会容易耦合进入电气设备㊂在电气设备越来越数字化的今天,这种大的冲击不利于设备的可靠性方面性能的提高㊂图6㊀NFDM调制信号图7㊀10个子载波的OFDM 波形㊀㊀(3)信号峰均比高,对通信设备来说,就是要求其接收和发送部分有较大的功率和信号裕度,AGC 要有较大的范围㊂而NFDM 的信号峰均比为2时就可以得到很好的性能,而且信号平稳,对发射和接收设备的要求较低㊂(4)同时NFDM 实现的算法简单,便于快速运算的实现,生产成本较低㊂参考文献[1]龙志强,李晓龙,窦峰山,等.CAN 总线技术与应用系统设计[M ].北京:机械工业出版社,2013.[2]胡泽文.基于FPGA 的FSK 数字调制系统设计[D ].成都:电子科技大学,2011.[3]樊昌信,曹丽娜.通信原理[M ].北京:国防工业出版社,2012.(编辑㊀沈㊀强)Research on the non -orthogonal frequency division multiplexing technologyShen Weikang 1 Zhang Qianfeng 21.Nanjing Institute of Technology Nanjing 210000 China2.Nanjing University of Posts andTelecommunications Nanjing 210000 ChinaAbstract Modulation technology is the foundation of communication.This paper discusses a differential modulation technique in the frequency domain to improve anti -interference performance.It uses multiple frequencies to transmit a code to form a synthetic signal transmission in the same channel.When the noise interferes with the signal it will act on multiple frequency points.Because the multi -frequency point channel is exactly the same its interference is similar and the difference can be used to reduce the interference influence.In this paper the adjacent frequency differential modulation NFDM of two frequency similar carriers is studied.When the SNR is -6DB its SER is about 10-4 which is similar to the OFDM SER of +8DB SNR indicating that NFDM has good anti -interference ability.Key words frequency domain differential modulation neal frequency differential modulation symbol error rate。
