基于前导脉冲辅助的相位调制1090ES信号载频同步算法

孙清清，王　洪，宋　妍，姒　强

(电子科技大学 电子工程学院,　成都 611731)



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基于前导脉冲辅助的相位调制1090ES信号载频同步算法

孙清清，王洪，宋妍，姒强

(电子科技大学 电子工程学院,成都 611731)

摘要：基于相位调制扩容1090ES信号为ADS-B带来新的功能和应用，载波频率同步是扩容信号需解决的一项关键技术。针对扩容1090ES信号的突发载频同步问题，提出了一种基于频偏捕获和相位误差跟踪环的快速同步方法，频偏捕获采用前导辅助脉冲相关性判决进行二叉树频率搜索，捕获载频偏差并校正得到频偏较小的基带信号，相位误差跟踪环实现对小频偏信号进行频率估计和补偿。仿真结果表明：该方法适用于基于相位调制的扩容1090ES信号接收系统。

关键词：1090ES；相位调制；载频同步；二叉树搜索；相位跟踪环

0引言

广播式自动相关监视(ADS-B)是下一代民航监视系统的一项重要技术，在国内外得到了广泛应用。随着监视技术的不断发展和进步，未来的ADS-B将不再是执行简单的监视任务，而将同时具备导航、监视和通信的一体化功能，ADS-B信息的传输需求将不断提高。为此，国际民航组织(ICAO)和欧控等权威机构提出一种适用于新一代ADS-B技术的扩容1090ES数据链，该数据链在原有的1090ES数据链格式基础上加入了多重相位调制(MPSK)，可在不增加频点使用和广播次数的前提下提高ADS-B信息的传输容量[1-4]。另外，扩容1090ES数据链也可一定程度上缓解多类设备使用1 090 MHz频点造成的频谱拥塞问题[5]。现阶段，扩容1090ES数据链正处于验证阶段，各项技术如调制、编码、同步、解码等都有待进一步研究和完善[6-7]。

扩容1090ES数据链载频同步是难点。一般的1090ES信号解码主要关注接收信号的幅度和位置，因此对载频和相位的同步没有严格的要求。扩容信号格式与现有1090ES信号的格式相同，前导脉冲主要用于信号检测以及定时同步，加入相位调制后，提高了信号载频、相位以及时间同步的精确度要求。ICAO规定1090ES发射信号的载频为1 090 MHz±1 MHz，且机载信号多普勒频移都可能达到几百甚至几千Hz，接收端载频的同步必然很大程度上影响相位信息的解码性能。另外，ADS-B地面接收机作用面临的ADS-B发射机可能达到几十到几百部，扩容1090ES信号是一种特殊的单发多收的突发通信，难以采用常规的锁相环实现同步。

现有针对具有前导数据辅助的突发同步方法有很多研究成果，典型的如：基于辅助数据的频偏估计Kay 算法[8]、突发模式下数据辅助载波频偏恢复Fitz算法[9]，以及改进的L&R 频偏估计算法[10]。这些经典算法在已知训练序列的辅助下，均能取得良好的同步效果，但是无法直接用于1090ES扩容信号的同步，原因在于1090ES信号前导四个脉冲是非连续调制的脉冲，即每个码元之间的时间间隔不相同，另外前导辅助数据太少也将造成频偏估计的误差变大。

本文针对1090ES扩容信号载频同步的特殊性和难点，提出一种新型的适用于1090ES扩容信号的载频同步方法，主要分为两步：频偏捕获和相位误差跟踪判决。频偏捕获首先基于前导辅助脉冲对信号载频偏差的进行快速估计并校正，剩余的载频偏差通过相位误差跟踪环路进行补偿，提高了同步性能和解码的准确率。

1系统模型

扩容1090ES信号使用一种复合调制方法，在现有的脉冲位置调制(PPM)高电平子脉冲上进行相位调制。图1为对1090ES进行MPSK脉内调相后的信号波形，四个前导脉冲调制为0相位作为参考脉冲，用于接收信号的相位和载频同步。

图1　相位调制1090ES信号

基于频偏捕获及误差跟踪环的扩容1090ES信号载频同步系统模型如图2所示。

图2　扩容1090ES信号载频同步系统模型

扩容1090ES信号接收端经过混频后基带信号为x(n)，如式(1)

(1)

式中：Δfb为大频率偏差，包含扩容信号经过1 090 MHz混频后剩余的载频偏差及多普勒频移；A为信号幅度；g(n)为1090ES信号的基带幅度包络，如图1所示；2π·(m-1)/M为8PSK调制相位，M=8，m=1,2,…,8；θ0为载波相位。

基带信号采用PPM的解码信息进行时间同步，即由PPM信息的解码结果判决每个数据位高电平子脉冲的位置，从而确定相位信息判决点位置，经过频偏捕获及校正模块后输出的基带信号为y(n)，如式(2)

(2)

式中：Δfs为经过频偏捕获和校正后的小频率偏差，为提高后续反馈判决的解码性能，本文将小频偏控制在5 kHz范围内。

相位误差跟踪环路通过跟踪相位判决误差对小频偏信号进行同步并解码，输出得到扩容1090ES信号的相位信息。

2频偏捕获

频率捕获是载波频率粗估计的一种方式，目的是将载频的估计误差控制在较小的范围，以提高后续相位跟踪判决的准确性。频率捕获应用于载频同步是较常见的，如锁相环路实现载波同步的系统中，在环路中增加扫描捕获辅助单元使用顺序搜索进行频率捕获，目的是提高环路信噪比和缩短环路捕获时间[11]；在Viterbi等非线性频率估计方法完成之后使用频率捕获，目的是减小非线性算法估计的频率误差，提高系统性能[12]。

本文针对1090ES扩容信号的同步，设计了一种基于二叉树折半搜索的频率捕获方法，主要的思想是：使用前导脉冲与一定数量的数据脉冲作为辅助判决序列，采用前导辅助脉冲相关性作为判决准则，通过二叉树折半搜索原理进行迭代搜索，直到频率捕获精度满足设定的要求。频率捕获算法的核心是前导辅助脉冲的相关性判决，前导辅助脉冲由1090ES信号前导脉冲与一定数量的数据脉冲组成，如采用四个数据脉冲与前导脉冲构成的辅助脉冲如图3所示，时间长度为12 μs，具体判决方法是本地产生特定中心频率的辅助脉冲序列与接收信号的前12 μs进行相关，通过相关性大小判决与接收信号更接近的频率。辅助脉冲长度加入数据脉冲的数量越多判决的准确率越高，但也损失了部分的数据信息，具体使用多少位数据脉冲加入需要进一步探讨和权衡，具体见后面的仿真分析。另外，频率捕获算法的迭代次数应在合理范围，避免过长的捕获时间导致突发信号同步性能下降。

图3　前导辅助脉冲

频偏捕获基本原理可描述为：

假设：系统的最大频偏为Δfmax(对于1090ES信号取值为±1 MHz)，要求的频率捕获精度为δf，则需要的迭代次数为N≈lb(Δfmax/δf)；第一次迭代采用中心频率为-0.5 MHz和+0.5 MHz本地辅助判决序列与接收信号序列进行相关判决，第一次判决将捕获误差控制在±0.5 MHz范围；如第一次判决为+0.5 MHz，则第二次迭代采用中心频率为+0.25 MHz和+0.75 MHz本地辅助判决序列与接收信号序列进行相关判决，反之，则采用中心频率为-0.75 MHz和-0.25 MHz本地辅助判决序列与接收信号序列进行相关判决，第二次判决将捕获误差控制在±0.25 MHz范围；以此类推，直到捕获误差满足要求，如要求将捕获误差控制在±5 kHz范围，需要8次迭代搜索。为方便计算令Δfmax=1.024 MHz，δf=4 kHz，如实际频偏为Δf=1.018 MHz，使用频率捕获方法，需经过8次迭代搜索，得到捕获的载频偏差为1.020 MHz，如图4所示。

图4　二叉树折半搜索频率捕获

频偏捕获可将载频偏差控制在一个较小的范围内，具体需要控制的频率范围根据相位误差跟踪要求的精度决定。要求精度越高搜索迭代的次数也越多，这可能增加频率捕获时间影响同步实时性。针对该问题一般可采取并行计算的方式，即多个中心频率序列与接收序列同时进行相关计算后判决，尽可能缩短频率捕获时间。

3相位误差跟踪原理

相位误差跟踪环路在频偏捕获和校正之后进行，采用的是2阶科斯塔斯环(Costas)的原理，通过比较接收信号相位与理想判决相位产生相位误差，误差信号经过环路滤波后进行前馈补偿，流程如图5所示。

图5　相位误差跟踪环

(3)

μ(n+1)=μ(n)-γ(1+ρ)e(n+1)+γe(n)

(4)

(5)

相位误差跟踪环输出了相位信息的判决结果，前提是在PPM脉冲位置已知条件下，即PPM解码已经正确完成，另外，前导辅助序列的参考相位(调制相位已知)起到相位同步作用，保证了前期判决的准确性。后文的仿真结果说明，相位误差反馈判决方法在小频偏情况下可以获得良好的解码性能。

4仿真实例

4.1频偏捕获算法仿真实验

数据源说明：1090ES扩容信号载频在1 089 MHz～1 091 MHz之间随机产生，前导脉冲8 μs，数据脉冲112 μs，基带数据随机产生，信号脉冲上升沿和下降沿等参数符合ICAO标准规范；扩容信号在原有1090ES信号高电平子脉冲上进行8PSK相位调制，前导辅助脉冲由8 μs前导脉冲和若干个数据脉冲构成，前导辅助脉冲的相位调制为0，作为参考相位，扩容信号经过本地1 090 MHz混频后抽取到10 MSPS。PPM信息解调采用文献[13]提出的基于简化表格的多点判决法，并以解码后的PPM信息作为时间同步基准。加入不同数据位作为前导辅助脉冲，随机产生100 000次信号，分别进行频偏捕获算法仿真，偏差捕获精度要求5 kHz，即迭代次数为8，统计仿真结果如图6所示。data 0表示前导辅助脉冲不加入数据位，data 1表示加入1个数据位，data 7表示加入7个数据位，其他表示以此类推。

图6　频偏捕获算法性能

加入数据位越多频偏捕获准确率越高，但使用数据位作为辅助脉冲将损失一部分有用信息，图6的结果表明使用4个数据位时频偏捕获准确率已经很高，继续增加数据位捕获的准确率提高并不明显，因此选择4个数据位加入前导辅助脉冲是最佳选择。

需要说明的是，图6的仿真结果包含了离散化精度导致的相关估计误差因素，在相关度计算之前需要对接收序列进行归一化操作，尽可能减小离散化精度造成的估计误差。

4.2解码性能仿真实验

数据源的产生与实验(1)相同，前导辅助脉冲由8 μs前导脉冲和4 μs数据脉冲构成。随机产生100 000次信号，首先，进行频偏捕获，捕获误差分别设置2.5kHz、5 kHz和10 kHz；然后，进入相位误差跟踪环路并输出解码信息，仿真结果如图7所示。

图7　扩容1090ES信号解码性能

图7的结果显示载频偏差小于5 kHz范围的相位信息判决误码率接近于理想8PSK调制下(载频偏差为0 kHz)的误码率，而捕获后的载频偏差为10 kHz时解码性能将下降。因此，算法实际应用时将频偏捕获精度控制在5 kHz范围，再使用相位误差反馈式解码。

5结束语

仿真结果证明了本文提出的同步算法具有频偏捕获准确率高、相位解码性能好、算法复杂度低和易于工程实现等优点，可以用于扩容1090ES信号的同步。本文的算法是在时间定时同步准确的条件下完成，定时误差是影响1090ES扩容信号解码性能的重要因素，后期的研究需进一步分析定时同步误差的影响；另外，1 090 MHz频点面临同频信号A/C和S模式等信号的干扰，在FRUIT和GARBLE干扰环境下同步算法的性能也有待进一步研究和验证。

参 考 文 献

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孙清清男，1990年生，硕士研究生。研究方向为雷达信号处理、高速实时信号处理。

王洪男，1974年生，博士，副教授。研究方向为雷达信号处理、ADS-B、多点定位、数字接收机和高速实时信号处理。

宋妍女，1991年生，硕士研究生。研究方向为雷达信号处理高速实时信号处理。

姒强男 ，1973年生，博士，副教授。研究方向为雷达信号处理、数字波形产生和高速实时信号处理等。

Algorithm of Carrier Frequency Synchronization of Phase Modulated 1090ES Signals Based on Preamble Pulses Aided

SUN Qingqing，WANG Hong，SONG Yan，SI Qiang

(School of Electronic Engineering, University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731, China)

Abstract：Encoding phase information on 1 090 MHz extended squitter (1090ES) signals is a promising technical method for next generation ADS-B systems，carrier frequency synchronization is the key technique for phase modulated 1090ES signals. An carrier frequency synchronization algorithm is proposed in this paper, based on frequency acquisition and phase error tracking loop, in which binary search tree method based on correlation decision between local signals and input reply signals is used to achieve frequency acquisition for large frequency offset signals and phase error tracking loop is used to achieve small frequency offset estimation and correction. The simulation results show that this algorithm can be applied to the receiver system of phase modulated 1090ES.

Key words：1090ES; phase modulated; carrier frequency synchronization; binary search tree; phase error tracking loop

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.05.006

基金项目：国家自然科学基金重点项目(61139003)

通信作者：孙清清Email：qingqingsunmail@163.com

收稿日期：2015-12-23

修订日期：2016-02-22

中图分类号：TN957

文献标志码：A

文章编号：1004-7859(2016)05-0022-04