基于MSK的地空数据链通信调制解调方法
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２０１２年第８期 文章编号：１００９—２５５２（２０１２）０８—０００５—０４ 中图分类号：ＴＮ９４１．４；Ｖ２１６．８ 文献标识码：Ａ
基于ＭＳＫ的地空数据链通信调制解调方法
蒋兴城 ，曹 力 ，邓雪云２，袁树德 （１．南京航空航天大学民航学院，南京２１００１６；２．上海飞机设计研究院，上海２００２３２）
摘要：现阶段民航地空数据链系统是以ＡＲＩＮＣ一６１８协议为基础的，报文的编码形式不同于典 型的ＭＳＫ信号。利用现有的ＭＳＫ技术实现民航地空数据链系统的研制开发，不仅可以缩短研制 周期，同时也能够确保技术的成熟。通过分析ＡＣＡＲＳ信号和典型ＭＳＫ信号编码方式的特点。建 立了实现两种编码方式相互转换的映射关系，并从理论上证明了这种映射具有ｌ一１对应关系， 确保了两种编码格式转换的唯一性，为基于ＭＳＫ的地空数据链通信调制解调提供保证。 关键词：ＡＲＩＮＣ一６１８；调制；解调；映射 Ｔｈｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉ０ｎ ０ｆ ａｉｒ．ｇｒｏｕｎｄ ｄａｔａ ｌｉｎｋ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＳＫ ＪＩＡＮＧ Ｘｉｎｇ．ｃｈｅｎｇ ，ＣＡ０ Ｌｉ ，ＤＥＮＧ Ｘｕｅ—ｙｕｎ ，ＹＵＡＮ Ｓｈｕ—ｄｅ。 （１．ＣｏＨｅｇｅ ｏｆＣｉｖｉｌ Ａｖｉａｔｉｏｎ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００１６，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２３２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｉｖｉｌ Ａｖｉａｔｉｏｎ Ａｉｒ—Ｇｒｏｕｎｄ Ｄａｔａｌｉｎｋ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＡＲＩＮＣ－６１８ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ａｔ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｔａｇｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｎｃｏｄｉｎｇ ｆｏｒｍ ｏｆｉｔｓ ｍｅｓｓａｇｅ ｉｓ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ＭＳＫ ｓｉｇｎａ１．Ｂｕｔ ｔｈｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ＭＳＫ ｗｈｅｎ ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｈｅ Ａｉｒ—Ｇｒｏｕｎｄ Ｄａｔａｌｉｎｋ ｓｙｓｔｅｍ，ｃａｎ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｓｈｏｒｔｅｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｃｙｃｌｅ ｂｕｔ ａｌｓｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｍａｔｕｒｅ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ ａ ｍａｐｐｉｎｇ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｒｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ＡＣＡＲＳ ｓｉｇｎａｌ ａｎｄ ｔｙｐｉｃａｌ ＭＳＫ ｓｉｇｎａｌ ｉｎ ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅｉｒ ｆｅａｔｕｒｅｓ，ａｎｄ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ １—１ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｉｓ ｍａｐｐｉｎｇ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅｏｒｙ，ｗｈｉｃｈ ｅｎｓｕｒｅｓ ｔｈｅ ｕｎｉｑｕｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｍｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅｓｅ ｔｗｏ ｅｎｃｏｄｉｎｇ ｆｏｒｍｓ ａｎｄ ｇｕａｒａｎｔｅｅｓ ｔｈｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ Ａｉｒ— Ｇｒｏｕｎｄ Ｄａｔａｌｉｎｋ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＳＫ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＡＲＩＮＣ－６１８；ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｍａｐｐｉｎｇ
０ 引言 进人新的世纪，民用航空运输业迅猛发展，面临 前所未有的机遇与挑战。地空数据链技术的发展与 应用，极大地保障飞机运营的安全与高效，因而受到 各方的关注。中国民航总局１２１部第１２１．３４６条规 定…“合格证持有人在２００４年４月２０日以前投入 运行的旅客座位数大于９９座的飞机，应当在２００５ 年１２月３ １日前按照本规则安装满足要求的空地双 向数据通信系统”。ＡＣＡＲＳ（飞机通信寻址与报告 系统）是地空数据链系统的重要设备，满足民航局 要求的空地双向数据通信要求，是现阶段我国民航 普遍采用的地空通信手段。国内相关技术储备不 足，加之国外公司对相关设备的垄断，导致国内无论
在硬件设备，还是在应用等方面均受制于人。摆脱 目前的困境，就需要掌握地空数据链通信的核心技 术，提高设备的国产化能力 。 对于地空数据链通信技术来讲，信号的调制解调 是其中关键的技术之一ｌ３］。本文针对地空数据链通信 中的信号特点，结合典型的ＭＳＫ信号调制解调方法， 探索基于ＭＳＫ的地空数据链通信调制解调方法。 ｌ 民航地空数据链报文信号的特点分析 ＡＲＩＮＣ一６１８协议是民航地空数据链系统的基
收稿日期：２０１２—０２—２９ 基金项目：国家自然科学基金（６１０７９００３；６１１７９０６６） 作者简介：蒋兴城（１９８３一），男，硕士研究生，研究方向为交通信
息工程及控制。
一５一 本协议。该协议明确规定了现阶段民航广泛使用的 ＡＣＡＲＳ信号，其调制解调方式采用最小频移键控 （ＭＳＫ）的方式，即ＡＣＡＲＳ信号是具有包络恒定、正 交的信号。 然而，在ＡＲＩＮＣ一６１８协议的附件５中进一步 明确了民航采用的地空数据链通信信号与典型的 ＭＳＫ信号不同之处，主要体现在信号的调制和解调 过程中，码元的定义不同。 具体来讲，在ＡＣＡＲＳ信号中有两种频率的载 波，载波频率分别为２４００Ｈｚ和１２００Ｈｚ，如图１所 示。图１中波形用Ｓｉｎ函数表示，２４００Ｈｚ的信号是
一个高频信号，在一个码元周期内是一个完整的正 弦波；１２００Ｈｚ的信号是一个低频信号，在一个码元 周期内是半个周期的正弦波。在一个码元周期内信 号是高频且起始相位是０时，那它所代表的码元值 为１；在一个码元周期内信号是高频且起始相位是 １Ｔ时，那么那它所代表的码元值为０；在一个码元周 期内信号是低频且起始相位是０时，那它所代表的 码元值为０；在一个码元周期内信号是低频且起始 相位是 时，那么那它所代表的码元值为１。而典 型的ＭＳＫ信号在一个码元周期内，高频信号代表的 码元值为１，低频信号代表的码元值为０。由此可 知，ＡＣＡＲＳ信号与典型ＭＳＫ信号最大的区别在于它 们编码方式不同，即ＡＣＡＲＳ信号是通过频率与相位 的不同组合编码，而典型ＭＳＫ信号仅通过频率编码。 Ｌ＿Ｙ
２４００１４ｚ中系萌； ２，１００ｔＥ中表示码元１２００ｉｔｚ中表示码为 １２１１０ｔ４ｚ中表示为 为“ｌ”的波形 “０ 的波形 “０ 的波形 “１”的波形
图１ ＡＣＡＲＳ信号编码 对于图２中的信号波形，按照不同的编码方式 可以得到不同的编码序列。根据６１８协议规定得到 ＡＣＡＲＳ信号格式编码序列Ｐ，Ｐ＝｛０，１，０，０，１，１，１，
比特位 ２ ’ ＾ｃ＾Ｒｓｆ言号编码 ｌ
．厂＼ ／＾、 ｆ 厂、 厂、＼ ／＾＼ ｆ’ 信号波形 ＼．， ｆ √
＾ 言号编码 ０ ０ ０ １ Ｏ
——６—— 图２ ＡＣＡＲＳ信号与ＭＳＫ信号对应关系
０，０，１，０｝；按照典型ＭＳＫ信号编码规则，得到序列 Ｃ，记序列Ｃ＝｛０，０，０，１，０，ｌ，ｌ，０，１，０，０｝。 ＭＳＫ是一种在数据传输中广泛使用的通信技 术，技术成熟、可靠。如果要将ＭＳＫ应用于ＡＣＡＲＳ 信号的调制解调，就必须解决上述的差异。这就需 要解决两个基本问题： ①建立两种信号编码的关系。 ②确保转换无歧义性，即在上述关系下，码元的 转换是唯一的。 ２ ＡＣＡＲＳ信号 和ＭＳＫ信号 码元 的转换映射关系证明 ２．１码元转换的方法 Ｐ中共有１１个元素，表示由已知波形得到的 ＡＣＡＲＳ信号编码序列，其中Ｐ 代表序列中第ｋ＋１ 个元素，即Ｐ０＝０，Ｐｌ＝１，…，Ｐｌ０＝０。 Ｃ中共有１１个元素，表示由已知波形得到ＭＳＫ 信号序列，其中ｃ 代表序列中第ｋ＋１个元素，即 Ｃ０＝０，Ｃ１＝０，…， １０＝０。 分析序列Ｐ与Ｃ，可以得出以下的规律：由序列 Ｐ到序列Ｃ，当Ｐ 与Ｐ 相同时，ｃ 取值为１；当Ｐ 与Ｐｋ－１不相同时，ｃ 取值为０。例如当Ｐ：＝０，ｐ，＝０ 时，ｃ ＝１；当Ｐ ＝１、Ｐ２＝０时，ｃ２＝０。由序列Ｃ到序 列Ｐ，当ｃ 为１的时，Ｐ 与 一 相同；当ｃ 为０的 时，Ｐ 与Ｐ 一 不相同。例如当Ｃ，＝１时，Ｐ３＝０，Ｐ：＝ ０，Ｐ３与Ｐ２相同；当ｃ２＝０时，Ｐ２＝０，Ｐ１＝１，Ｐ２与Ｐ１ 不相同。 归纳上面的推演过程，给出从Ｐ到ｃ的关系 ｃ ＝ ④Ｐ ０ ｌ （１） 从Ｃ到Ｐ的关系为 Ｐ ＝ｃ ｏ １ ｏＰ㈧ （２） 其中，“①”表示ｍｏｄ ２的加法。 ２．２唯一性证明 式（１）一（２）分别给出了序列Ｐ到ｃ的映射关 系，和序列Ｃ到Ｐ的映射关系，解决了码元转换的 第一个问题。对于第二个问题，本质上就是考察Ｐ 和Ｃ之间是否在上述转换准则下存在一一对应的 关系，即证明这两个映射关系是否互为逆映射。 现在定义模ｍ上的算术运算：令ｚ 表示集合 ｛０，１，２，…，ｍ一１｝，在其上定义加法（０）运算，其 运算类似于普通实数域上的加法，所不同的是所得 数值是取模后的余数。 例如，在ｚ１２上计算７ ０ ８，因为７＋８＝１５＝１２十 ３，所以在ｚ１：上７ ｏ ８＝３。
