如何通过软件定义无线电提高ADS-B接收能力

自动相关监视广播系统(ADS-B)技术使飞机能够通过卫星准确确定位置，并定期广播这些位置信息。ADS-B接收器系统可以用来解码该广播信号以跟踪飞机。

现在让我们来看看ADS-B站的各个组成部分，为什么它们很重要，以及如何改进。

在本文中，我们先前讨论了当今市场上的不同ADS-B接收器。像Garmin这样的系统是完全封闭和完全集成的，没有太多机会了解它们是如何工作的或如何改进它们。你所能做的最好的就是按照制造商的建议使用它们，这应该会使这款产品的性能达到最佳。

另一方面，有很多机会向基于FlightAware或Stratux ADS-B接收器的开放系统学习。

这两个系统都使用RTL-SDR作为基本的构建块。网上有大量关于内部架构和对这些产品进行的各种实验的信息，以了解它们的规格、性能以及如何最好地使用它们。还有一个很大的在线社区可以学习和贡献。

通常，当接收器处理信号时，存在一个最佳信号电平范围，在该范围内其性能最佳。任何较低的值都将导致性能下降-换句话说，您将看到更少的飞机。任何更大的东西都会产生同样的效果。

在非常极端的情况下，高于特定电平的信号电平会损坏ADS-B接收器。然后，诀窍是优化信号电平，这样你就可以到达ADS-B接收器的最佳位置。

一般来说，在不进行测量的情况下很难预测实际接收到的无线信号强度。通常，频谱分析仪用于在任何给定频率进行信号测量。然而，并不是每个人都买得起频谱分析仪，也不是每个人都能买得起。幸运的是，可以在接收器中使用像SDR#这样的应用程序来确定各种接收信号的实际强度或强度，以及它们可能对性能产生的影响。

以下是使用RTL-SDR测量信号的示例，如SDR#中所示。显示的两个视图是FFT视图及其下方的瀑布或光谱图。

当您在下面使用不同的天线和其他组件进行实验时，请在RTL-SDR的频率范围内调谐，以在瀑布视图中检查各种信号及其强度。这将使您对更改如何影响性能有一个了解。例如，它会告诉你大约需要增加多少收益。它还会告诉你，如果你真的需要任何扩音器。一般来说，避免做任何增加红色级别的事情，因为这些都是非常强烈的信号。

现在让我们来看看ADS-B系统的各个部分以及它们对性能的影响。

天线位于ADS-B系统的最前端。你需要一个有效的ADS-B天线，因为它是良好信号接收的关键。正如人们常说的，垃圾进了，垃圾出了。如果你使用糟糕的天线，好的接收器是无法弥补的。您可以阅读我们对ADS-B天线的完整评论。最好的天线需要一些安装和优化工作，但这是非常值得花费时间的。

如果您希望将天线安装在屋顶或塔楼上以获得更好的接收效果，则需要考虑从天线到ADS-B接收器的射频电缆的长度。为什么会这样呢？

随着信号频率的增加，任何给定长度的电缆造成的信号损耗或衰减也会增加。例如，如果使用LMR-400电缆，则每100英尺电缆在30 MHz的损耗仅为0.7分贝。对于相同长度的电缆，1090 MHz的损耗约为4dB。这种信号损耗直接影响系统的灵敏度4分贝，因此与使用非常短的电缆相比，ADS-B接收器的范围减少了一半以上。这一点意义重大。

幸运的是，有一种方法可以补偿由于电缆损耗造成的灵敏度下降。它涉及到低噪声放大器(LNA)的使用。通常，可以使用噪声系数足够低(通常小于1dB)且增益达到要求的任何低噪声放大器。

如前所述，使用LNA可以克服电缆损耗。然而，低噪声放大器将放大其工作范围内的一切。它将放大调幅、调频和其他信号。考虑FM信号比感兴趣的ADS-B信号更强的情况。如果超过动态范围，放大的信号将使接收器饱和。如果您在超出接收器范围的信号电平下操作，信号也可能会损坏接收器。无论哪种情况，接收器都不能处理感兴趣的ADS-B信号。

解决此问题的一种方法是使用经过滤波的低噪声放大器(LNA)。这是一个集成了滤波器的低噪声放大器，如下图所示。

LNA通常是第一个组件，然后是特定于感兴趣频段的滤波器--在本例中，ADS-B为1090 MHz。该产品将拒绝ADS-B频率范围之外的所有信号。例如，它将拒绝强FM信号、来自蜂窝基站的4G信号、来自Wi-Fi接入点的2.4 GHz信号等等。

以下是几个ADS-B过滤的LNA，它们的工作方式取决于您的设置。

如果您有很长的电缆线路，并且需要补偿显著的信号损失，请使用这款增益为30分贝的经过滤波的低噪声放大器。使用上面对LMR400的计算，过滤后的LNA可以补偿700英尺的电缆损耗。

如果您的电缆较短，请使用此滤波低噪声放大器，它可提供15分贝的增益。

最好将LNA放在离天线非常近的地方。这将有助于将噪声系数降至最低，并提高ADS-B接收器系统的灵敏度。由于很难在天线顶部获得电源或电源，因此可以使用偏置T形系统。接收器上的偏置T形三通用于通过连接两者的射频电缆将DC电压发送到LNA。在低噪声放大器中，有一个反向偏置T形三通，将DC和RF信号分开。DC用于为LNA供电。下面的框图显示了SDR具有内置偏置T形三通的情况。RTL-SDR确实就是这种情况。

有时，当连接LNA时，结果如下图所示--令人惊叹的结果是观察到的飞机数量增加了三倍！

在其他情况下，添加LNA会降低性能，您将无法看到任何飞机。这一切为什么要发生？让我们假设您的LNA与连接到天线的射频输入端连接正确，并且电源正确。那么有两种可能性：

太多的电缆损耗和LNA增益不能帮助克服这种退化。在这种情况下，需要更多增益，您只需添加另一个LNA即可。切记将第一个LNA放置在尽可能靠近天线的位置，以将噪声系数降至最低。还要记住检查信号电平，以便您可以将幅度调整到最佳范围内。

过多的增益很可能会让你的接收器充满强烈的信号。请注意，即使在使用经过滤波的低噪声放大器时，如果您所在地区的FM信号非常强，则由于滤波器引起的带外衰减可能不足以防止接收器饱和。再一次，您可以在SDR#中查看频谱分析器视图的运行情况。

有三种方法可以优化加入经过滤波的LNA后进入RTL-SDR的信号电平。

如果你有很强的带外信号，它们应该被衰减到一个合理的水平。要做到这一点，最简单的方法是在经过滤波的低噪声放大器之后添加额外的ADS-B带通滤波器。

另一种优化增益的方法是使用衰减器降低整个频段的信号电平。将串联固定衰减器连接到LNA的输出。您可以尝试不同的值，例如30分贝、20分贝等，直到开始看到平面输出为止。

第三种方法是以数字方式调整飞行器皿操纵杆中的增益。Flighttaware Stick本质上是RTL-SDR，使用R802T芯片组。下面是R802T的框图。

如您所见，用户可以修改可变增益放大器(VGA)。这个值可以变化的范围接近50分贝。FlightAware在系统中以最大的放大倍数开机。所以你必须把它调整到你能得到最好的接收效果的程度。以下是有关如何修改增益的说明。

在Flight taware讨论网站上已经进行了许多实验，并进行了报道。这里有一个这样的讨论。在下面的图表中，用户BartJr报告说，随着放大程度的增加，接收效果有所改善。

相比之下，以下是用户IE报告的结果，他们在使用Flight taware Stick之前使用过LNA。在这种情况下，显然有一个最佳的增益设置在37左右，任何更高或更低的设置都会导致更少的飞机被检测到。

在这篇文章中，我们介绍了几种不同的方法来提高ADS-B接收器的接收性能。由于射频环境的多变且往往不可预测的性质，没有两个系统会提供相同的结果。学习并取得好成绩的最好方法是在你的ADS-B系统中试验各种设置。