一种针对民航通信信号的解调算法

杨 松

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

一种针对民航通信信号的解调算法

杨 松

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

针对民航通信信号的调制方式，介绍了该信号的传统解调算法，同时指出了传统算法存在的缺陷。针对传统算法存在的不足，提出了一种新的信号解调算法，即在最小频移键控（MSK）信号解调中，先进行码元同步，进而提取出每一个码元周期内的采样点序列，然后根据采样点序列的特征完成每一个码元的符号映射，从而实现解调。该算法很好地解决了传统算法存在的问题，并且在性能上也优于传统算法。

民航通信信号；MSK调制；解调；波形

0 引言

在航空业日益发达的今天，地空之间大量信息、数据的交换对实时通信能力提出了新的、更高的要求。民航通信系统是近年来新发展起来的民航专用通信系统，它最大的特点是传输可靠性高，特别适合于地空之间的信息通信和数据传输，并得到了航空界的一致认可，具有极大的实用价值。该系统的调制方式比较特殊［1，2］，目前针对这种调制的解调算法也不少［3－7］，其中最为常用的算法——称之为传统算法，在实际应用中存在一定的问题；新的解调算法可以很好地解决这个问题，并且实现误码率更低、运算量更小、无模糊的高效解调。

1 信号的调制方式

该民航通信信号采用二次调制：一次调制采用特殊的MSK调制，使用的频率为1 200 Hz和2 400 Hz；二次调制采用AM（调幅）调制，载波在甚高频频段［8－10］。在解调端，须先对二次调制的AM信号进行解调，再对一次调制的MSK信号进行解调。对于AM信号的解调不再赘述，以下主要讨论一次调制MSK信号的解调，所述算法均是针对AM解调后的信号。

该信号的一次调制——MSK调制具有其特殊性，它区别于常规MSK信号的特点如下：为了提高抗干扰能力，信号的MSK调制并不是简单的一个频率对应一个符号（0或1），而是每个频率根据其码元内的初始相位变化的不同分别对应2个符号。具体来说：对于频率1 200 Hz，波形起始处是正斜率的对应符号“0”，负斜率的对应符号“1”，如图1所示；而频率2 400 Hz正好相反，波形起始处是正斜率的对应符号“1”，负斜率的对应符号“0”，如图2所示，这里将一个码元对应的采样点序列的图形称为“波形”。即有所谓的“正波形”和“负波形”之分：波形起始处是正斜率的称之为正波形，负斜率的称之为负波形。解调时除了要考虑频率，还要考虑相位，因此不能简单套用常规MSK信号解调算法。

图1 该信号的1 200 Hz码元波形与符号的对应关系

图2 该信号的2 400 Hz码元波形与符号的对应关系

2 传统解调算法及其缺陷

注意到，该民航通信信号的码速率是2 400 Baud，也就是说，当频率为1 200 Hz时，一个码元的波形为半个正弦波；当频率为2 400 Hz时，一个码元的波形为整个正弦波。所以，无论上一个码元的波形是正波形还是负波形，当经过一个2 400 Hz的码元之后，波形的正负性不会改变；而当经过一个1 200 Hz的码元之后，波形的正负性会改变。基于以上，就可以根据MSK解调结果序列来推算一个解调结果修正序列，然后将二者进行整合，采用模2加法，即可得到正确的解调结果。

具体来说，按照协议分析，得出以下对应法则：MSK解调时，频率1 200 Hz对应符号“0”，频率2 400 Hz对应符号“1”；推算解调结果修正序列时，任意设定修正序列的起始为“0”或“1”，之后通过MSK解调结果进行判定：若MSK解调结果的当前元素为“0”，则修正序列的下一个元素与当前元素不同；而当MSK解调结果的当前元素为“1”时，则修正序列的下一个元素与当前元素相同。这样做，由于解调结果修正序列起始的任意设定，可能会造成解调结果的模糊，需要取反；可以根据解调结果与信号的同步头的相关峰的正负来判断是否需要取反。为了便于理解，下面列出了得到MSK解调结果序列后的处理实例，如下：

MSK解调结果序列：1，1，0，1，0，0，1，1，1，0，1，0，0，1，0，0，1，0。

解调结果修正序列：1，1，1，0，0，1，0，0，0，0，1，1，0，1，1，0，1，1。

最终解调结果序列：0，0，1，1，0，1，1，1，1，0，0，1，0，0，1，0，0，1。

该算法在理论上完全没有问题，并且运算量不大，可以使用较为成熟的MSK信号解调算法模块，只需之后加一步简单处理。但是，在实际应用中，该算法却存在明显缺陷。因为在MSK解调中，误码是无可避免的，而只要存在一个误码，对该算法的影响都可以说是致命的，它将导致误码之后的解调结果全反，进而导致无法对该包信号的后续内容进行解析，并且这一点是无法完全纠正的［11］。

3 新的解调算法

新的解调算法不用恢复基带信号，直接通过信号的导频进行码元同步，然后取出每一个码元内的信号采样点序列进行符号映射，即完成解调。

3.1 码元同步

注意到，该信号所有的标准波形的初相都为0，而且该信号最前面有很长的导频信号，如图3所示，图中幅度较低、大约从1 000～18 000的部分即为该信号的导频，它是单音信号，所有码元的波形全为2 400 Hz的正波形。因此可以对其加以利用，从而找到一个码元的准确起始［12］。具体的做法是：连续定位导频信号的几个最小值点和最大值点，并根据采样率和码速率之间的关系分别确认最小值点与最大值点之间的距离，如果其间距符合过采样率，则认为这一段信号可靠、没有畸变，否则继续向后取信号，根据可靠的相邻的最小值点和最大值点算出一个相位近似为0的点，即为一个码元的准确起始。确定了一个码元的准确起始后，就可以根据过采样率依次计算其后各个码元的起点和终点，并取出每一个码元对应的采样点序列，即完成了码元同步。

图3 该信号AM解调后的总波形

3.2 符号映射

根据标准波形，显然，对于1 200 Hz码元的采样点序列，其第一个点和最后一个点中至少有一个是最大值点或最小值点；而对于2 400 Hz码元的采样点序列，其第一个点和最后一个点既不是最大值点也不是最小值点。符号映射工作正是基于这一特性展开的。

具体的符号映射方法是：对于一个码元对应的采样点序列，若它的第一个点和最后一个点中至少有一个是最大值点或最小值点，则将该码元判为1 200 Hz码元；否则将其判为2 400 Hz码元。再根据其前2个采样点值的大小关系完成符号映射，具体来说，对于已被判为1 200 Hz的码元，若其第2个采样点值大于第一个采样点值，则将其映射为符号“0”，否则将其映射为符号“1”；对于已被判为2 400 Hz的码元则正好相反，若其第2个采样点值大于第一个采样点值，则将其映射为符号“1”，否则将其映射为符号“0”。完成所有码元的符号映射，即完成解调。

4 结束语

针对民航通信信号的调制方式的特殊性以及传统解调算法存在的问题，提出了新的解调算法。该算法成功克服了传统算法的缺点，不存在一个误码导致后续结果全反的现象，误码即使存在也均为离散突发误码，对后续的信源恢复影响较小；且运算量很小，不存在解调模糊，并在实际工程应用中得到了验证。从而实现了可靠性高、运算量小、无模糊的解调，为后续的协议分析、信源恢复工作提供了有力的支撑。

［1］徐见源，邓雪云，曹 力.基于ARINC－618协议的地空数据链技术研究［J］.民用飞机设计与研究，2011（4）：13－15，23.

［2］何 葭，陈 星.空地数据链系统与ARINC620协议［J］.航空维修与工程，2004（1）：33－35.

［3］孙淑光，周 琪，陈 彬.基于ACMS的飞行控制系统性能监控应用［J］.交通信息与安全，2011（6）：127－130.

［4］王 鹏，曹 力，林 静，等.地空数据链通信差分解调算法研究［J］.科学技术与工程，2013（14）：4125－4129.

［5］黄俊祥.航空器通信寻址报告系统数据处理技术研究［J］.中国民航大学学报，2007（2）：1－3.

［6］郭旭周，黄圣果，孙 健.VHF地空数据链系统调制解调器的设计与实现［J］.江苏航空，2004（2）：7－8.

［7］蒋兴城，曹 力，邓雪云，等.基于MSK的地空数据链通信调制解调方法［J］.信息技术，2012（8）：5－8.

［8］吕国祥.对新航行系统中空地通信系统的研究［J］.空中交通管理，2011（8）：12－14.

［9］韩 冬，李志勇，张 琳.地空通信调制解调关键技术分析［J］.无线电通信技术，2012（3）：29－31，46.

［10］刘春冉，殷玉涛，李志勇.300 Mbps地空通信的调制解调器设计［J］.无线电通信技术，2013（3）：32－35.

［11］刘家学，王天明.VHF空地数据译码系统框架设计与实现［J］.航空电子技术，2007（2）：9－13.

［12］王根平，文励洪.数字通信系统中导频同步信号处理技术研究［J］.深圳职业技术学院学报，2005（3）：3－6.

A Demodulation Method for Civil Aviation Communication Signal

YANG Song
（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

In view of the issue of modulation of civil aviation communication signal，the traditional method of the signal demodulation is introduced，at the same time，the defect of the method is also pointed out.To overcome the defect，a new demodulation method is proposed，which is carried out as below：to the Minimum Shift Keying（MSK）demodulation，firstly，the symbol synchronization is completed and the sequence of samples of each symbol is separated，then，each symbol is mapped based on its characteristics of sequence of samples，and the demodulation is finished.The new method can resolve the problem of the traditional method very well and has a better capability.

civil aviation communication signal；MSK modulation；demodulation；waveform

TN941.4

A

1003－3114（2015）06－35－2

10.3969／j.issn.1003－3114.2015.06.09

杨 松.一种针对民航通信信号的解调算法［J］.无线电通信技术，2015，41（6）：35－36，64.

2015－06－23

国家部委基金资助项目

杨 松（1986—），男，工程师，主要研究方向：通信信号解调及解码。