S模式应答信号多通道接收解码技术研究

摘要：为了解决单个天线覆盖范围和作用距离之间的矛盾，实现更广的空域覆盖和更高解码率的目标，采用多个通道进行S模式应答信号的接收、解码及融合纠错的方法，进行了两通道接收、解码及融合纠错实验，获得具有代表性的三批目标的解码数据。经过统计分析，结果表明多通道接收解码不仅可以覆盖更广的空域范围以增加数据量，同时在其中两个通道覆盖的交叠区域，采用信息融合纠错的方法可提供较好的相互纠错能力。
关键词：S模式；多通道；分集接收；融合纠错

0 引言
随着空中交通流量的增加，传统的A／C模式二次雷达因为代码有限且易受到混扰和串扰的影响已不能满足空中交通管制的需求。为了克服A／C模式的不足，具有基本监视、增强监视和数据链等功能的S模式被提出，并被国际民航组织接受，作为二次监视雷达的行业标准。自此，S模式二次雷达在世界范围内得到了最广泛地使用。目前，被公认为新一代监视技术的ADS-B迅猛发展，具有广阔的应用前景。为实现平稳升级，ADS-B采用S模式扩展报文数据链作为其主要协议。因此，对S模式应答信号的接收解码显得尤为重要。在空中交通管制领域，更广的空域覆盖和更高的正确接收解码率是接收设备的两大追求目标。使用单天线进行接收解码存在全向天线有效作用距离短和定向天线覆盖角度有限的矛盾，同时多点定位系统也对天线的全向接收和更远的作用距离提出了要求。为解决上述矛盾，采用多通道接收解码成为了一个发展方向。本文主要以两个接收通道为例研究S模式应答信号的多通道接收解码技术，及利用多天线的分集接收进行报文纠错的技术。

1 多通道接收解码的现实前提
目前的空域中，载波频率在1 090 MHz上的信号有二次雷达A／C／S模式应答信号和基于1090ES数据链的ADS-B下行信号。A／C模式应答信号的长度为20．75μs，S模式应答信号及1090ES格式的ADS-B下行信号的长度为64／120μs(56／112μs的数据加上8μs的报头)，在理想情况下1 s之内可以发射或接收8 000多帧S模式应答信号或ADS-B下行信号，或更多的A／C模式应答信号。如图1所示。

A／C／S模式二次雷达是即问即答的，而ADS-B下行信号具有时间上的自适应发射机制，选择在空域中的静默时隙发送。由于信号完成发送所用的时间相当短暂，所以可以认为大多数的信号没有和其他信号有重叠部分，当然不排除这样的情况。基于这样的认识，对多通道接收解码的研究将在多个接收通道在同一时刻只有一架飞机的信号到达的前提下进行。本文仅对两通道进行研究实验，多通道的原理是一样的，很容易进行拓展。
将两个接收天线安装在同一个支架上，朝向不同的角度(同时有覆盖区域的交叠)，使用相同长度的微波电缆，以保证同一个信号通过两个通道到达解码输入端时严格的脉冲沿对准。

2 多通道融合纠错的理论基础
在无线通信中，发射信号可能经过直射、反射、散射等多条路径到达接收端。这些多径信号相互叠加会形成衰落，其中快衰落的衰落深度可达40 dB。衰落会严重影响通信质量(如导致数字信号的高误码率等)。
直观上可以通过加大发射功率来抗衰落，但这实际上并不可行。目前典型的抗衰落的方法有信道编码、均衡、扩频和分集接收。信道编码通过增加信息的冗余度来纠正衰落引起的误码，S模式应答信号中的CRC冗余校验编码即是如此；均衡主要通过补偿信道衰落引起的畸变来减小衰落的影响；扩频是通过特殊的信号设计所具有的分离多径信号的能力，来消除引起衰落的多径信号干扰效应；而分集接收则是有意识地分离多径信号并恰当合并，以提高接收信号的信噪比来抗衰落。多通道能实现相互纠错正是基于分集接收技术。
2．1 分集接收的基本概念
分集接收是一种有效的通信接收方式，它能以较低成本改善系统的性能。分集的概念可以简单解释为：如果一个无线路径经历深衰落，那么另一个相对独立的路径中可能仍保持着较强的信号。因此，一旦在多径信号中选择出两个或两个以上的信号，接收机的瞬时信噪比和平均信噪比就可得到较大幅度的改善。
2．2 分集方式
分集方式分为宏观分集和微观分集两大类。宏观分集主要用来抗慢衰落；微观分集主要用来抗快衰落。微观分集又可分为空间分集、频率分集、时间分集、极化分集、角度分集和路径分集。空间分集的依据是相距间隔达到一定程度时，不同接收地点收到信号的衰落具有独立性。当多个接收支路的问隔在0．6个波长以上，接收的信号具有较好的独立性。S模式应答信号载频的波长大约为0．3 m，架设在同一支架上的两幅接收天线之间的间距可以满足信号独立到达的条件。空间分集的基本结构为发射端使用一副天线发射，接收端使用多副天线接收。
2．3 分集合并技术
对接收到的多个通道信号，可以在中频和射频上进行合并，也可以在基带上进行。合并方式有最大比合并、等增益合并、选择式合并和切换合并。
由上所述，当满足信号接收独立的条件下，到达信号在某副天线处有较深的衰落时，而在另一副天线处有可能却保持着较强的信号。这为本文基于空间分集的双通道融合纠错提供了可能。根据S模式应答信号的调制特点，选择在基带上采用改进了的选择式合并技术进行双通道的接收解码及融合纠错。

3 双通道接收解码及融合纠错方案设计
3．1 双通道接收系统方案设计
双通道接收解码在系统结构上是在解码板之前增加一路接收通道，包括天线、功率放大器和微波前端。如图2所示。但双通道接收解码不仅仅是多增加一个接收天线那么简单，其主要工作是在解码板中如何对接入的两路基带信号进行时间提取、融合纠错及合并输出。