CN108092682B - 一种hfdl信号接收处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种HFDL信号接收处理装置。所述装置包括：射频接收单元，用于接收1.5MHz‑30MHz的短波射频信号，并将接收的射频信号滤除工作频段外干扰信号，并进行适应的增益调整，将增益调整后的射频信号发送给变频处理单元；变频处理单元，用于将所述射频信号上变频至70MHz的中频信号，并将所述中频信号发送给信号处理单元；信号处理单元，用于对所述中频信号进行采样得到数字信号，对所述数字信号进行数字下变频、检测、解调和Turbo均衡处理，将处理后的数据进行封装处理并经过网络接口发送给上位机。本发明实现了HFDL信号的接收和处理，而且本发明涉及的HFDL信号接收处理装置结构简单，体积小、成本低、便于携带、部署方便，部署数量不受限制，侦收距离远、动态范围大、截获的信号类型更加全面、性能优异。

Description

一种HFDL信号接收处理装置

技术领域

本发明涉及短波通信信号处理领域，具体涉及一种HFDL信号接收处理装置。

背景技术

高频数据链技术(简称，HFDL)是飞机通信寻址和报告系统(简称，ACARS)空地数据通信工作在短波频段的协议簇，用于在飞机与航空公司地面基地间传输飞行数据和指令。整个ACARS系统由机载设备、地面服务网和航空公司运营中心三部分组成，而机载设备又由管理部件、控制部件和HF电台组成。ACARS系统的优势在于可使航空公司缩短飞行的准备时间，更好地对飞机进行监视和提高飞机的利用率，且其主要应用有：报告航班号、经纬度、高度、“出、起、落、入”时间、选择呼叫、发动机监视、传输重量与平衡数据、更新飞行计划等。

由于该机载设备属于民航领域，受限于技术水平，民航基本选择国外产品，因此，在国内HFDL专用监视设备研发方面基本属于空白。目前进口的HFDL专用监视设备对HFDL信号的接收处理任务大都由定制信号接收处理机承担，其缺点就是设备体积大、价格昂贵、操作复杂、部署展开不方便和可部署数量有限等。

发明内容

本发明提供了一种HFDL信号接收处理装置，以解决上述问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种HFDL信号接收处理装置，所述装置包括：

射频接收单元，用于接收1.5MHz-30MHz的短波射频信号，并将接收的射频信号滤除工作频段外干扰信号、并进行适应的增益调整，将增益调整后的射频信号发送给变频处理单元；

变频处理单元，用于将所述射频信号上变频至70MHz的标准中频信号，并将所述中频信号发送给信号处理单元；

信号处理单元，用于对所述中频信号进行采样得到数字信号，对所述数字信号进行数字下变频、检测、解调和Turbo均衡处理，将处理后的数据进行封装处理并经过网络接口发送给上位机。

优选地，所述变频处理单元，具体采用超外差一次变频模式将所述射频信号上变频至所述中频信号。

优选地，所述变频处理单元包括：

分波段滤波器，用于滤除工作频段内所述射频信号中的干扰信号；

变频电路，用于将滤除干扰信号后的射频信号与参考射频信号进行混频，得到所述70MHz的中频信号；

中频放大电路，用于对所述70MHz的中频信号进行放大、滤波处理；

调控电路，用于稳定输出所述放大、滤波处理后的70MHz的中频信号。

优选地，所述变频处理单元还包括扩展接口，所述扩展接口与所述调控电路的输出端连接，用于将所述调控电路稳定输出的70MHz的中频信号分路发送至其他设备。

优选地，所述信号处理单元包括A/D转换电路、FPGA芯片和DSP芯片，

所述A/D转换电路，用于采用采样芯片对所述中频信号进行采样得到数字信号；

所述FPGA芯片，用于对所述中频信号进行数字下变频、检测、解调和Turbo均衡处理；

所述DSP芯片，用于对所述FPGA芯片处理后的数据进行协议分析，并将协议分析后的数据进行封装，将封装后的数据通过以太网发送至上位机。

优选地，所述射频接收单元包括射频接口，用于连接外部短波天线。

优选地，所述装置由上盖板、下盖板和中间壳体围成一腔体，所述中间壳体内固定一个PCB板，所述射频接收单元和所述变频处理单元设置在所述PCB板的上层，所述信号处理单元设置在所述PCB板的下层，所述PCB板将所述腔体分成上下腔体。

优选地，所述PCB板采用多层设计，中间层大面积覆地，区分信号地、电源地和模拟地、数字地。

优选地，所述采样芯片设置在所述PCB板的上层和下层的连接区。

优选地，所述PCB板的下层还设置有电源管理单元和时钟基准电路，所述电源管理单元为所述射频接收单元、所述变频处理单元、所述信号处理单元和所述时钟基准电路供电。

本发明的有益效果是：本发明的技术方案利用射频接收单元接收1.5MHz-30MHz的短波射频信号，利用变频处理单元对该射频信号上变频至70MHz的中频信号，并利用信号处理单元对该中频信号进行采样得到数字信号，对该数字信号进行数字下变频、检测、解调和Turbo均衡处理，将处理后的数据进行封装处理并经过网络接口发送给上位机，与现有技术中HFDL信号定制接收设备体积重量较大、价格昂贵、安装不便的问题，本发明实现了HFDL信号的接收和处理，而且本发明涉及的HFDL信号接收处理装置结构简单，体积小、成本低、便于携带、部署方便，部署数量不受限制，侦收距离远、动态范围大、截获的信号类型更加全面、性能优异。

附图说明

图1是本发明一个实施例的一种HFDL信号接收处理装置的功能结构示意图；

图2是本发明一个实施例的一种变频处理单元的电路图；

图3是本发明一个实施例的一种信号处理单元的电路图。

具体实施方式

本发明的设计构思是：针对现有技术中现有技术中HFDL信号定制接收设备体积重量较大、价格昂贵、安装不便的问题，发明人想到，利用射频接收单元接收1.5MHz-30MHz的短波射频信号，利用变频处理单元将该射频信号上变频至70MHz的标准中频信号；利用信号处理单元对中频信号进行采样得到数字信号，对该数字信号进行数字下变频、检测、解调和Turbo均衡处理，将处理后的数据进行封装处理并经过网络接口发送给上位机，从而实现HFDL信号的接收和处理，并使得HFDL信号接收处理装置结构简单，体积小、成本低、便于携带、侦收距离远、动态范围大、截获的信号类型更加全面、性能优异。

图1是本发明一个实施例的一种HFDL信号接收处理装置的功能结构示意图，如图1所示：HFDL信号接收处理装置100包括：

射频接收单元110，用于接收1.5MHz至30MHz的射频信号，滤除频段外干扰信号，并进行适应的增益调整，将增益调整后的射频信号并将接收的射频信号发送给变频处理单元120；

本实施例中，射频接收单元110为工作频段为1.5MHz至30MHz的小型专用射频接收模块。该射频接收单元中包括小型的增益调整电路和射频接口(例如SMA-K型连接器)，外部短波天线与射频接口连接，将接收到的射频信号滤除工作频段(1.5MHz至30MHz)外干扰信号后，并通过增益调整电路对滤除工作频段外干扰后的信号进行适应的增益调整，然后将增益调整后的射频信号(即，将滤除工作频段外干扰后的信号的电平调整至合适的电平)通过射频接口发送至变频处理单元120，从而避免了射频信号由于长距离传输造成的信号衰减，保证射频接收单元传递给变频处理单元的射频信号为可处理的射频信号，进而保证变频处理单元能够对接收到的射频信号进行精确处理。

变频处理单元120，用于将射频信号上变频至70MHz的标准中频信号，并将中频信号发送给信号处理单元130；

本实施例中，采用超外差一次变频模式将射频接收单元110接收到的射频信号上变频至70MHz的中频信号。选择70MHz的中频信号的原因在于：以减少组合干扰、中频干扰及镜频干扰为原则，根据此原则采取高中频方案，避免信号带内有三阶、五阶组合干扰，只要满足中频信号的频率值大于信号最高频率值的二分之一即可。但是对于短波调谐器来说，考虑到大功率电台的影响，1.5MHz至30MHz的射频信号包含的信息比较多而且信号幅度比较大，尤其是二次和三次谐波对射频信号的影响，中频信号频率值的选取还要注重数字处理的通用性，综合考虑，选择70MHz作为中频信号的频率值。在实际应用中，可以根据实际需求，选择相应的中频信号的频率值，本申请对中频信号的频率值不进行限定。

本发明的技术方案利用射频接收单元接收1.5MHz-30MHz的短波射频信号，利用变频处理单元对该射频信号上变频至70MHz的标准中频信号，并利用信号处理单元对该中频信号进行采样得到数字信号，对该数字信号进行数字下变频、检测、解调和Turbo均衡处理，将处理后的数据进行封装处理并经过网络接口发送给上位机，与现有技术中HFDL信号定制接收设备存在体积重量较大、价格昂贵、安装不便的问题相比，本发明实现了HFDL信号的接收和处理，而且本发明涉及的HFDL信号接收处理装置结构简单，体积小、成本低、便于携带、部署方便，部署数量不受限制，侦收距离远、动态范围大、截获的信号类型更加全面、性能优异。

在本发明的一个实施例中，变频处理单元120，具体采用超外差一次变频模式将射频信号上变频至中频信号。其中，变频处理单元120包括分波段滤波器121、变频电路122、中频放大电路123和调控电路124，下面分别对分波段滤波器121、变频电路122、中频放大电路123和调控电路124的功能实现和工作原理进行解释说明。

分波段滤波器121，用于滤除工作频段(1.5MHz-30MHz)内的射频信号中的干扰信号；分波段滤波器的作用是降低二阶互调干扰，提高二阶互调性能(互调干扰，是指当两个或多个干扰信号同时加到接收机时，由于非线性的作用，这两个干扰的组合频率有时会恰好等于或接近有用信号频率而顺利通过接收机)，从而改善了信号传输通道的动态范围、灵敏度和抗干扰性能。

变频电路122，用于将滤除干扰信号后的射频信号与参考射频信号进行混频，得到70MHz的中频信号；

具体地，仍如图2所示，变频电路122同时接收滤除干扰后的射频信号和参考射频信号，参考射频信号的生成过程如下：变频电路122接收一参考频率值，并通过直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)模拟一个71.5MHz至100MHz的频率源，DDS输出一个参考射频信号，并通过本振驱动放大器对参考射频信号进行放大处理，得到本振信号；另外，分波段滤波器在将滤除干扰信号后的射频信号发送至变频电路122之前，还需要通过调控电路124中的低通滤波器和衰减电路对该滤除干扰信号后的射频信号依次进行低通滤波处理和衰减处理，进一步滤除射频信号中的干扰因素，得到电平适中的射频信号。然后，变频电路122通过混频器将本振信号与滤除干扰后的射频信号进行混频处理，输出频率为70MHz的中频信号。

中频放大电路123，用于对70MHz的中频信号进行放大、滤波处理；

具体地，仍如图2所示，中频放大电路123包括一中频放大器和中心频率为70MHz的带通滤波器，从而获得更加纯净的频率为70MHz的中频信号。

调控电路124，用于稳定输出放大、滤波处理后的70MHz的中频信号。具体地，仍如图2所示，调控电路124包括放大器1、放大器2、放大器3、30dB数控衰减电路ATT1、30dB数控衰减电路ATT2、截止频率为30MHz的低通滤波器、自动控制增益电路AGC、截止频率为70MHz的带通滤波器、耦合器，截止频率为70MHz的低通滤波器。通过放大器1对中频放大电路123输出的信号进行放大处理，然后再通过30dB数控衰减电路ATT2对放大器1放大处理后的信号进行衰减处理，再通过放大器2对30dB数控衰减电路ATT2衰减处理后的信号进行放大处理，再通过耦合器将放大器2输出的信号分别传送给截止频率为70MHz的带通滤波器和自动控制增益电路AGC；自动控制增益电路AGC将处理后的信号发送至30dB数控衰减电路ATT2进行衰减处理，同时自动控制增益电路AGC将处理后的信号发送至30dB数控衰减电路ATT1进行衰减处理；截止频率为70MHz的带通滤波器对耦合器输出的信号进行带通滤波处理，再通过放大器3对截止频率为70MHz的带通滤波器输出的信号进行放大处理，再通过截止频率为70MHz的低通滤波器对放大器3输出的信号进行低通滤波处理，输出70MHz的中频信号。由此可见，通过调控电路的设计进一步保证了变频处理单元稳定输出70MHz的中频信号，提升信号的匹配性。在实际应用中，可以根据实际应用设置调控电路中相应电子元器件的参数，从而达到稳定输出信号的目的。本申请对调控电路中涉及的电子元器件的参数不做进一步限定。

另外，变频处理单元120还包括扩展接口125，扩展接口125与调控电路124的输出端连接，用于将调控电路124稳定输出的70MHz的中频信号分路发送至其他设备。通过扩展接口125的设计，实现将获取到的70MHz的中频信号进行分路，便于其他设备对获取到的70MHz的标准中频信号进行自定义处理，扩大系统的应用范围。

信号处理单元130，用于对中频信号进行采样得到数字信号，对数字信号进行数字下变频、检测、解调和Turbo均衡处理，将处理后的数据进行封装处理并经过网络接口发送给上位机。

本实施例中，如图3所示，信号处理单元130包括A/D转换电路131、FPGA芯片132和DSP芯片133，A/D转换电路131与变频处理单元120中的调控电路124连接，采用采样芯片(例如A/D9248芯片)对中频信号进行采样得到数字信号，即，通过采样芯片(例如A/D9248芯片)将调控电路124输出的模拟信号转换为数字信号。A/D转换电路131将采样得到的数字信号发送至FPGA芯片132，FPGA芯片132对中频信号进行数字下变频处理进一步滤除70MHz的标准中频信号中的干扰信号、并检测该70MHz的标准中频信号中是否包含HFDL信号，如果检测到该70MHz的标准中频信号中包含HFDL信号，那么继续对该70MHz的标准中频信号进行解调和Turbo均衡处理，FPGA芯片132将处理后的信号发送至DSP芯片133，DSP芯片133对FPGA芯片处理后的数据经过算法处理后进行协议分析，并将协议分析后的数据进行封装，将封装后的数据通过以太网发送至上位机。或者将DSP芯片133封装后的数据进行电平转换处理，并将电平转换处理后的数据通过串口通讯接口RS422将电平处理后的数据发送至上位机。如果未检测到该70MHz的标准中频信号中包含HFDL信号，那么仍通过射频接收单元继续接收1.5MHz-30MHz的短波射频信号。

其中，本申请选用FPGA芯片对射频信号进行数字下变频、检测、解调和Turbo均衡处理的原因在于：由于HFDL信号属于猝发类信号，该HFDL信号发射次数较少，实时性要求高，而且传输衰落较大，持续时间长，DSP芯片133对上传的两路正交分解信号(in-phasequadrature，IQ)直接进行处理会导致截获概率降低，实时性变差，因此选择FPGA实时检测信号会提高截获概率。另外，本申请对DSP133内部运行的算法进行优化，即在解调时设定解交织和维特比译码参数，重新编写解交织和维特比译码函数，不再使用DSP芯片内置的算法库函数，从而减少了DSP的计算量，而且使得DSP性能更加稳定，改进后的算法收敛速度更快。

另外，信号处理单元130除了A/D转换电路131、FPGA芯片132和DSP芯片133之外，还包括外围电路，外围电路具体包括配置芯片、FLASH芯片(该FLASH芯片用于进行参数或者数据的存储)、网口芯片、同步动态随机存储器。

在本发明的一个实施中，HFDL信号接收处理装置100由上盖板、下盖板和中间壳体围成一腔体，中间壳体内固定一个PCB板，将PCB板嵌入间壳体，即，PCB板在HFDL信号接收处理装置100中起到高隔离的作用。

射频接收单元和变频处理单元设置在PCB板的上层，而且对应射频接收单元和变频处理单元的电路布局设置有相应的隔离板，该隔离板起到高隔离的作用，防止变频处理单元所包含的电路之间的信号相互干扰。该隔离板与PCB板或者PCB板的上层对应的盖板一体加工，便于拆装，进而便于实际应用。信号处理单元设置在PCB板的下层，PCB板将腔体分成上下腔体。另外，PCB板采用多层设计，中间层大面积覆地，区分信号地、电源地和模拟地、数字地，采用多层设计的PCB板更加便于工程实际应用。将信号处理单元中的采样芯片设置在PCB板的上层和下层的连接区，该采样芯片具有很高的隔离度，保证了将射频接收单元、变频处理单元和信号处理单元设置在同一PCB板的设计实现。

PCB板的下层不仅设置有信号处理单元，还设置有电源管理单元和时钟基准电路，电源管理单元为射频接收单元110、变频处理单元120、信号处理单元130和时钟基准电路供电。基准电路用于协助信号处理单元的功能实现。

在本发明的一个实施例中，信号处理单元输出的HFDL信号的类型包括二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)、差分相移键控(Differential PhaseShiftKeying，DPSK)、8移相键控(8Phase ShiftKeying，8PSK)，上位机接收信号处理单元上传的HFDL信号，对HFDL信号进行解析处理，并根据解析处理后的数据在地图上动态显示民航目标标识信息(例如，民航目标的航班号)和位置信息(例如，经纬度信息)，最终可显示民航飞机的运行点迹或者轨迹。同时上位机还可以发送相应的控制指令至HFDL信号接收处理装置，控制HFDL信号接收处理装置执行相应操作或者自检。这里控制HFDL信号接收处理装置自检指的是上位机发送自检控制指令至HFDL信号接收处理装置，HFDL信号接收处理装置进行自检，并将自检的结果发送至上位机，上位机根据HFDL信号接收处理装置反馈的自检指令确定HFDL信号接收处理装置的运行状态，实现实时监测HFDL信号接收处理装置的运行状态，以便当HFDL信号接收处理装置出现故障时，及时通知用户对HFDL信号接收处理装置进行故障处理，从而保证整个系统的正常运行。

在本发明的一个实施例中，技术指标包括：工作频率范围：1.5MHz～30MHz；输出中频频率和带宽：中频70MHz，带宽15kHz；调谐步进：100Hz；增益：≥30dB；噪声系数：12dB；镜频抑制：85dB；中频选择特性：15KHz，形状因子1.5：1，带外衰减60dB；带外抑制：70dB；相位噪声：-120dBc/Hz；增益控制范围：60dB；噪声系数：≤12dB(直通模式)；本振相位噪声：≤-110dBc/Hz@10kHz。

本实施例中的HFDL信号接收处理装置的尺寸大小为180mmX105mmX30mm(包含散热片)，方便携带和批量部署。

综上所述，本发明的技术方案利用射频接收单元接收1.5MHz-30MHz的短波射频信号，利用变频处理单元对该射频信号上变频至70MHz的中频信号，并利用信号处理单元对该中频信号进行采样得到数字信号，对该数字信号进行数字下变频、检测、解调和Turbo均衡处理，将处理后的数据进行封装处理并经过网络接口发送给上位机，与现有技术中HFDL信号定制接收设备体积重量较大、价格昂贵、安装不便等问题，本发明实现了HFDL信号的接收和处理，而且本发明涉及的HFDL信号接收处理装置结构简单，体积小、成本低、便于携带、部署方便，部署数量不受限制，侦收距离远、动态范围大、截获的信号类型更加全面、性能优异。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种HFDL信号接收处理装置，其特征在于，所述装置包括：

射频接收单元，用于接收1.5MHz-30MHz的短波射频信号，并将接收的射频信号滤除工作频段外干扰信号，并进行适应的增益调整，将增益调整后的射频信号发送给变频处理单元；

变频处理单元，用于将所述射频信号上变频至70MHz的标准中频信号，并将所述中频信号发送给信号处理单元；

信号处理单元，用于对所述中频信号进行采样得到数字信号，对所述数字信号进行数字下变频、检测、解调和Turbo均衡处理，将处理后的数据进行封装处理并经过网络接口发送给上位机；

其中，所述变频处理单元包括：

分波段滤波器，用于滤除工作频段内所述射频信号中的干扰信号；

变频电路，用于将滤除干扰信号后的射频信号与参考射频信号进行混频，得到所述70MHz的中频信号；

中频放大电路，用于对所述70MHz的中频信号进行放大、滤波处理；

调控电路，用于稳定输出所述放大、滤波处理后的70MHz的中频信号。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述变频处理单元，具体采用超外差一次变频模式将所述射频信号上变频至所述中频信号。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述变频处理单元还包括扩展接口，所述扩展接口与所述调控电路的输出端连接，用于将所述调控电路稳定输出的70MHz的中频信号分路发送至其他设备。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号处理单元包括A/D转换电路、FPGA芯片和DSP芯片，

所述A/D转换电路，用于采用采样芯片对所述中频信号进行采样得到数字信号；

所述FPGA芯片，用于对所述中频信号进行数字下变频、检测、解调和Turbo均衡处理；

所述DSP芯片，用于对所述FPGA芯片处理后的数据进行协议分析，并将协议分析后的数据进行封装，将封装后的数据通过以太网发送至上位机。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述射频接收单元包括射频接口，用于连接外部短波天线。

6.如权利要求1-5任一项所述的装置，其特征在于，所述装置由上盖板、下盖板和中间壳体围成一腔体，所述中间壳体内固定一个PCB板，所述射频接收单元和所述变频处理单元设置在所述PCB板的上层，所述信号处理单元设置在所述PCB板的下层，所述PCB板将所述腔体分成上下腔体。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述PCB板采用多层设计，中间层大面积覆地，区分信号地、电源地和模拟地、数字地。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述信号处理单元的采样芯片设置在所述PCB板的上层和下层的连接区。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述PCB板的下层还设置有电源管理单元和时钟基准电路，所述电源管理单元为所述射频接收单元、所述变频处理单元、所述信号处理单元和所述时钟基准电路供电。