CN111896920A - 一种基于ad9361的星载ads-b载荷的配置方法 - Google Patents

一种基于ad9361的星载ads-b载荷的配置方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于AD9361的星载ADS‑B载荷的配置方法，针对星载系统接收到的ADS‑B信号功率很小以及在星载环境中信号交叠严重而导致的ADS‑B信号提取困难的情况，通过对AD9361的输入输出参数、基带锁相环BBPLL、射频锁相环RFPLL、信号增益控制和滤波器参数等的配置，实现AD9361对带外信号和干扰信号的有效抑制，得到高信噪比的ADS‑B信号，这有助于星载ADS‑B载荷对ADS‑B报文的正确解算。

Description

一种基于AD9361的星载ADS-B载荷的配置方法
技术领域
本发明属于航空器ADS-B的设计领域，尤其涉及一种基于AD9361的星载ADS-B载荷的配置方法。
背景技术
ADS-B的全称是广播式自动相关监视，A——Automatic自动，“全天候运行”，无需职守。D——Dependent相关，它只需要于依赖精确的全球卫星导航定位数据。S——Surveillance监视，监视(获得)飞机位置、高度、速度、航向、识别号和其它信息。B——Broadcast广播，无需应答，飞机之间与地面站互相广播各自的数据信息。ADS-B是一种基于二次雷达的系统，用于空中交通的管制。它把冲突探测、冲突避免、冲突解决、ATC监视和ATC一致性监视以及机舱综合信息显示有机的结合起来，为新航行系统增强和扩展了非常丰富的功能。
装备了ADS-B系统的空中飞行器，会向外广播自身的位置信息(经度，纬度，高度)以及速度、航向，在发射自身信息的同时，也不在断接收其它飞行器的信息，从而可以使飞行器掌握以自身为中心的大范围内空中交通情况。因此，ADS-B也是促进实施自由航路的手段之一。
荒漠、海洋等地无法安装雷达，地面中心无法对处于这些区域的飞行器进行有效监控，而星载ADS-B载荷可以有效解决这一问题，它不受地面环境的约束，可以对无雷达地区的飞行器进行有效监控。此外，星载ADS-B载荷的覆盖范围远比地面雷达广阔，建设维护的成本却低于地面雷达。
AD9361是一种高性能，高集成度的射频捷变收发器，该芯片集射频前端和信号基带处理为一体，并提供了数字接口供外部处理器进行配置和数据交换。芯片接收/发送频率、频带、增益等参数的可编程性以及支持的高可变换范围(AD9361接收器的可变范围为70MHz至6.0GHz)可以为多种无线电方案提供统一的可再编程软件无线电平台。
若将AD9361应用于星载ADS-B载荷，则星载ADS-B载荷将在射频收发及数据处理方面达到更高的性能。因此，如何将AD9361应用于星载ADS-B载荷中，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于AD9361的星载ADS-B载荷的配置方法，使星载ADS-B载荷对接收到的信号进行有效过滤，提高信噪比，从而提升接收机对ADS-B报文解算的成功率。
为解决上述问题，本发明的技术方案为：
一种基于AD9361的星载ADS-B载荷的配置方法，包括：
S1：根据星载ADS-B载荷的硬件电路，对AD9361的输入输出参数进行设置；
S2：对基带锁相环BBPLL进行配置，通过对基带锁相环BBPLL中的寄存器0x41-0x44赋值，将时钟倍频到1280MHz，该时钟分频之后为ADC提供工作时钟；
S3：根据星载ADS-B载荷接收到的ADS-B信号的频率及强度，配置接收通道相关参数，所述接收通道相关参数包括射频锁相环RFPLL参数、信号增益控制及滤波器参数；
S4：根据BBPLL锁定指示位、RFPLL锁定指示位及RXcp校准完成标志位的状态，判断AD9361的配置是否完成，若未完成，则延时等待；若已完成，则星载ADS-B载荷进入工作状态。
根据本发明一实施例，所述步骤S3进一步包括：
S31：所述射频锁相环RFPLL用于产生AD9361的本振频率，将所述本振频率设为1090MHz，使接收的ADS-B信号直接转化为零中频信号；
S32：将AD9361的增益控制方式设为手动增益控制(MGC)，并设置增益值；
S33：对AD9361内部的模拟滤波器及数字滤波器进行配置，所述模拟滤波器包括低通滤波器TIALPF及BBLPF，将所述低通滤波器TIALPF的带宽设为3MHz，BBLPF的带宽设为2.1MHz；所述数字滤波器包括半带数字滤波器HB1、HB2、HB3及可编程FIR滤波器，将所述半带数字滤波器HB1、HB2、HB3的阶数分别设为15阶、7阶及5阶，抽头系数均设为2；将可编程FIR滤波器的阶数设为128。
根据本发明一实施例，所述步骤S2进一步包括：
通过对寄存器0x41-0x44赋值来设置BBPLL的输出频率，所述寄存器0x41～0x44的值的计算见公式(1)(2)(3)：
Figure BDA0002511128860000031
NINTEGER＝floor(FOUT/FREF) (2)
NFRACTIONAL＝(FOUT/FREF-floor(FOUT/FREF)).modulus (3)
其中，FOUT是基带锁相环BBPLL输出的频率，FREF是参考时钟频率，也就是外部输入时钟频率。floor是向下取整函数(输出值为不大于输入值的最大整数)，NINTERGER是8bit整数部分，填入寄存器0x044，NFRACTIONAL是23bit小数部分，填入寄存器0x041，0x042，0x043。modulus为1020*2^11＝2088960。
根据本发明一实施例，所述步骤S31进一步包括：
开启接收通道RX1，通过对寄存器0x231-0x235赋值来设置RFPLL的输出频率，所述寄存器0x231～0x235的值的计算见公式(4)(5)(6)：
Figure BDA0002511128860000032
NINTEGER＝floor(FRFPLL/FREF) (5)
NFRACTIONAL＝Round(8388593*(FRFPLL/FREF-NINTEGER)) (6)
其中，FRFPLL是RX1接收器的工作频率，FREF是参考时钟频率，floor是向下取整函数(输出值为不大于输入值的最大整数)，Round是四舍五入函数，NINTERGER是11bit整数部分，其数值填入寄存器0x231和0x232，NFRACTIONAL是23bit小数部分，其数值填入寄存器0x233、0x234、0x235。
本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
本发明一实施例中的基于AD9361的星载ADS-B载荷的配置方法，针对目前机载ADS-B发射机系统没有根据星载系统做出改进，因此卫星能够接收到的信号功率很小，而且在星载环境中信号的交叠情况严重的问题，通过对AD9361的输入输出参数、基带锁相环BBPLL、射频锁相环RFPLL、信号增益控制方式和滤波器参数的配置，实现AD9361对带外信号和干扰信号的有效抑制，对ADS-B信号的正确提取，有助于星载ADS-B载荷对ADS-B报文的正确解算。
附图说明
图1为本发明一实施例中的基于AD9361的星载ADS-B载荷的配置方法流图；
图2为本发明一实施例中的在配置1下AD9361的Q路输出信号波形图；
图3为本发明一实施例中的在配置2下AD9361的Q路输出信号波形图；
图4为本发明一实施例中的在配置3下AD9361的Q路输出信号波形图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于AD9361的星载ADS-B载荷的配置方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
目前机载ADS-B发射机系统没有根据星载系统做出改进导致卫星能够接收到的信号功率很小，而且在星载环境中信号的交叠严重，因此ADS-B信号的提取是个难题。针对于这种情况，本发明提出了一种基于AD9361的星载ADS-B载荷的配置方法。该配置方法可以对星载接收机接收到的噪声信号进行有效过滤，提取出ADS-B信号并提高接收信号的信噪比，从而提高接收机对ADS-B报文解算的成功率。
请参看图1，该基于AD9361的星载ADS-B载荷的配置方法，包括以下步骤：
步骤S1、基本输入输出参数配置：SPI配置为4线接口模式；使能时钟并设置为外部时钟输入方式，由外部晶振为AD9361提供参考时钟；AD9361是双通道接收，双通道发射。因星载ADS-B接收机只工作在接收模式下，只使用一个接收通道，故设置AD9361的RX1通道打开，其它通道均关闭。设置数据输出接口为单端CMOS格式。
步骤S2、基带锁相环BBPLL的配置：基带锁相环BBPLL可以对输入时钟进行倍频，通过对寄存器0x41-0x44赋值将时钟倍频到1280MHz，之后对其分频，为ADC提供采样时钟。
步骤S3、对接收通道相关参数进行配置。
射频锁相环RFPLL的配置：射频锁相环用来产生AD9361的本振频率。上行ADS-B信号的频率为1090MHz，本发明将RFPLL的输出设置为1090MHz，这样AD9361可以将ADS-B信号直接转为零中频信号，无需再进行下变频处理，简化了接收机对信号的处理工作。
对接收信号的增益进行配置。AD9361增益控制方式分为自动增益控制(AGC)和手动增益控制(MGC)，因自动增益方式会对ADS-B信号造成失真放大的现象，故本发明选择手动增益控制，将寄存器0x0F0的D1和D0位置零，从而使能RX1通道MGC模式。设置MGC为全表增益模式并在寄存器0x109中写入增益值。
模拟滤波器的参数设置。混频器与ADC之间有两个模拟滤波器TIALPF和BBLPF，分别将其带宽设置为3MHz和2.1MHz。
数字滤波器的参数设置。ADC转换之后经过三个半带数字滤波器HB3、HB2、HB1和可编程FIR滤波器。将HB3、HB2、HB1分别设置阶数为5阶，7阶，15阶，抽头系数为2。FIR滤波器使用kaiser窗，阶数设为128，然后将抽头系数一一写入到FIR参数表里。
步骤S4、检查配置是否完成。检查BBPLL锁定指示位，RFPLL锁定指示位，RXcp校准完成标志位的状态以判断AD9361的配置是否完成，若未完成，则延时等待，若已完成，则星载ADS-B载荷进入工作状态。
具体的，在步骤S1中，对AD9361的基本输入输出参数进行设置：向AD9361的寄存器0x00写入0，将SPI设置为4线接口模式；使能时钟，设置其为外部时钟输入；设置RX1通道打开；将数据输出接口配置为单端CMOS格式。
在步骤S2中对基带锁相环BBPLL进行设置通过对寄存器0x41-0x44赋值设置倍频系数，将BBPLL的输出频率倍频到1280MHz。通过对寄存器0x41-0x44赋值来设置BBPLL的输出频率，寄存器值的计算见公式(1)(2)(3)：
Figure BDA0002511128860000061
NINTEGER＝floor(FOUT/FREF) (2)
NFRACTIONAL＝(FOUT/FREF-floor(FOUT/FREF)).modulus (3)
其中，FOUT是基带锁相环BBPLL输出的频率，FREF是参考时钟频率，也就是外部输入时钟频率。floor是向下取整函数(输出值为不大于输入值的最大整数)，NINTERGER是8bit整数部分，填入寄存器0x044，NFRACTIONAL是23bit小数部分，填入寄存器0x041，0x042，0x043。modulus为1020*2^11＝2088960。
在步骤S3中，根据星载ADS-B载荷系统接收ADS-B信号的频率和强度，配置接收通道相关寄存器，具体如下：
配置RFPLL将AD9361的接收本振频率设为1090MHz。RFPLL的配置与BBPLL的配置过程相似，相关寄存器的值的计算见公式(4)(5)(6)；设置RFPLL内部环路滤波器R1、R2、C1、C2、C3的值；设置压控振荡器VCO参数以及混频器增益。
Figure BDA0002511128860000062
NINTEGER＝floor(FRFPLL/FREF) (5)
NFRACTIONAL＝Round(8388593*(FRFPLL/FREF-NINTEGER)) (6)
其中，FRFPLL是RX1接收器的工作频率，FREF是参考时钟频率，floor是向下取整函数(输出值为不大于输入值的最大整数)，Round是四舍五入函数，NINTERGER是11bit整数部分，填入寄存器0x231和0x232，NFRACTIONAL是23bit小数部分，填入寄存器0x233、0x234、0x235。
对接收信号的增益进行配置。将寄存器0x0F0的D1和D0位置零来设置RX1通道为手动增益控制模式MGC。设置MGC为全表增益模式并在寄存器0x109中写入增益值。
对AD9361内部的模拟滤波器进行配置：将模拟低通滤波器TIALPF和BBLPF的带宽分别设置为3MHz和2.1MHz。
对AD9361内部的数字滤波器进行配置：设置半带数字滤波器HB1、HB2、HB3分别为15阶、7阶、5阶，抽取率(抽头系数)为2。将可编程FIR滤波器的阶数设为128，系数表可由MATLAB生成。在MATLAB中打开FDATool，设置FIR滤波器为低通滤波模式，加窗，窗函数选择kaiser，截止频率为1.6MHz，阶数为128，生成参数表，然后将其一一写入到AD9361的FIR系数寄存器里。
在步骤S4中，检查BBPLL锁定指示位，RF-PLL锁定指示位，RXcp校准完成标志位的状态，判断AD9361的配置是否完成，若未完成，则延时等待，若已完成，则星载ADS-B载荷进入工作状态。
下面简要介绍一下在不同配置参数下，AD9361输出信号的不同情况，进一步说明本发明基于AD9361的星载ADS-B载荷的配置方法在信号处理方面的优势。
将ADS-B信号发生器输出口经过衰减器后与AD9361射频板连接，设置ADS-B信号发生器，调节衰减器使ADS-B信号发生器的信号强度衰减到-95dBm，读取AD9361的输出信号。使用上述配置方法得到的配置参数表(设为配置1)，如下表所示：
SPI 4线接口
时钟频率 1280MHz
RX1 打开
数据输出接口 单端CMOS格式
本振频率 1090MHz
信号增益控制 MGC
TIALPF滤波器带宽 3MHz
BBLPF滤波器带宽 2.1MHz
FIR滤波器带宽 1MHz
FIR滤波器截止频率 1.6MHz
按配置1得到的AD9361输出的Q路信号波形请参看图2，可以看到该Q路信号的信号脉冲能够轻易从噪声中分辨出来。
更改配置参数，将FIR滤波器的通带带宽设为1.6MHz，截止频率设为2.2MHz，重新生成参数表(设为配置2)，配置后的AD9361输出的Q路信号请参看图3，该Q路信号的有效信号与噪声信号完全混在一起，无法进行解算。
再更改配置参数，将模拟滤波器TIALPF的通带带宽设为1.56MHz，FIR滤波器带宽设为1.1MHz，截止频率为2MHz，重新生成参数表(设为配置3)，配置后的AD9361输出的Q路信号请参看图4，该Q路信号的部分脉冲信号可以看见，但依然混杂在噪声中。
通过上述三种不同的参数配置，可知根据配置1中的参数得到的AD9361输出的Q路信号能够轻易从噪声中分辨出来，有效提高Q路信号的信噪比，有助于后续接收机对ADS-B报文信息的正确解算。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种基于AD9361的星载ADS-B载荷的配置方法，其特征在于，包括：
S1：根据星载ADS-B载荷的硬件电路，对AD9361的输入输出参数进行设置；
S2：对基带锁相环BBPLL进行配置，通过对基带锁相环BBPLL中的寄存器0x41-0x44赋值，将时钟倍频到1280MHz，所述时钟分频之后为ADC提供工作时钟；
S3：根据星载ADS-B载荷接收到的ADS-B信号的频率及强度，配置接收通道相关参数，所述接收通道相关参数包括射频锁相环RFPLL参数、信号增益控制及滤波器参数；
S4：根据BBPLL锁定指示位、RFPLL锁定指示位及RX cp校准完成标志位的状态，判断AD9361的配置是否完成，若未完成，则延时等待；若已完成，则星载ADS-B载荷进入工作状态。
2.如权利要求1所述的基于AD9361的星载ADS-B载荷的配置方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：
S31：所述射频锁相环RFPLL用于产生AD9361的本振频率，将所述本振频率设为1090MHz，使接收的ADS-B信号直接转化为零中频信号；
S32：将AD9361的增益控制方式设为手动增益控制(MGC)，并设置增益值；
S33：对AD9361内部的模拟滤波器及数字滤波器进行配置，所述模拟滤波器包括低通滤波器TIALPF及BBLPF，将所述低通滤波器TIALPF的带宽设为3MHz，BBLPF的带宽设为2.1MHz；所述数字滤波器包括半带数字滤波器HB1、HB2、HB3及可编程FIR滤波器，将所述半带数字滤波器HB1、HB2、HB3的阶数分别设为15阶、7阶及5阶，抽头系数均设为2；将可编程FIR滤波器的阶数设为128。
3.如权利要求1所述的基于AD9361的星载ADS-B载荷的配置方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：
通过对寄存器0x41-0x44赋值来设置BBPLL的输出频率，所述寄存器0x41～0x44的值的计算见公式(1)(2)(3)：
Figure FDA0002511128850000021
NINTEGER＝floor(FOUT/FREF) (2)
NFRACTIONAL＝(FOUT/FREF-floor(FOUT/FREF)).modulus (3)
其中，FOUT是基带锁相环BBPLL输出的频率，FREF是参考时钟频率，也就是外部输入时钟频率。floor是向下取整函数(输出值为不大于输入值的最大整数)，NINTERGER是8bit整数部分，填入寄存器0x044，NFRACTIONAL是23bit小数部分，填入寄存器0x041，0x042，0x043。modulus为1020*2^11＝2088960。
4.如权利要求1所述的基于AD9361的星载ADS-B载荷的配置方法，其特征在于，所述步骤S31进一步包括：
开启接收通道RX1，通过对寄存器0x231-0x235赋值来设置RFPLL的输出频率，所述寄存器0x231～0x235的值的计算见公式(4)(5)(6)：
Figure FDA0002511128850000022
NINTEGER＝floor(FRFPLL/FREF) (5)
NFRACTIONAL＝Round(8388593*(FRFPLL/FREF-NINTEGER)) (6)
其中，FRFPLL是RX1接收器的工作频率，FREF是参考时钟频率，floor是向下取整函数(输出值为不大于输入值的最大整数)，Round是四舍五入函数，NINTERGER是11bit整数部分，其数值填入寄存器0x231和0x232，NFRACTIONAL是23bit小数部分，其数值填入寄存器0x233、0x234、0x235。
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