Air trffiac has steadily increased worldwide over the last decades. This trend has been mainly pushed by subsidies and, as a result, by budget airlines and their dumping pricing, which motivates people to take short trips. EUROCONTROL claimed in 2018 that the total number of flights will increase by 50% in the near future. The trend has been postponed by COVID-19 but will highly likely continue when the crisis is over. Nevertheless, air traffic management (ATM) has to face the challenge that today’s communication systems will not be able to handle future air traffic. Especially when the separation between aircraft is reduced, the navigation and communication will increase due to safety reasons. Therefore, new systems with higher data exchange rates and the interaction with multiple systems will be necessary to keep flying one of the safest means of transportation. One promising candidate for terrestrial communication between an aircraft and a ground station is L-band digital aeronautical communication system (LDACS). LDACS will operate in an already used frequency band between legacy systems without interfering with them. The challenge is that the LDACS receiver will severely suffer from the high interference powers of the existing systems.This thesis verifies the latest LDACS standard, which evolved over the last years. An existing system simulator from the DLR is based on an older LDACS standard, which made it necessary to implement an own simulation framework in Matlab. The implemented simulator can be used as an independent comparator system to verify the LDACS communication system. Furthermore, the simulator serves as a basis for verifying the developed LDACS receiver hardware, which is a part of this thesis. Due to the high input powers of the legacy systems, the receiver saturates up to four times the temporal length of the interrogator pulse. Hence, multiple analog interference mitigation methods have been developed for the LDACS receiver prototype, which are analyzed and compared with each other in detail. Another field of interest is the investigation of the pros and cons of broadband instead of a narrowband receiver concept. This would enable the possibility of simultaneously receiving several LDACS ground stations at once, which facilitates a handover procedure. Moreover, the ranging topic via LDACS gained in significance over the last few years, enabled by a second LDACS receiver. A broadband concept can offer a more accurate ranging due to simultaneous reception of all adjacent LDACS ground stations. The impact on the narrowband and broadband receiver due to co-site interference is analyzed in detail in this thesis.
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Die Zunahme des Flugverkehrs in den letzten Jahrzehnten ist regelrecht über unseren Köpfen spürbar. Dieser Trend wird zusätzlich durch staatliche Subvention gefördert, wodurch Billigairlines Tickets zu Dumpingpreisen anbieten können, was im Speziellen Privatpersonen zu Kurzreisen motivieren soll. Die EUROCONTROL prognostizierte im Jahr 2018, dass die Anzahl der Flüge in naher Zukunft um 50% ansteigen wird. Diese Entwicklung wurde zwar durch COVID-19 vorerst gestoppt, es kann aber davon ausgegangen werden, dass sich dieser Trend fortsetzt wird. Dies stellt die Flugverkehrskontrolle vor ein großes Problem, da die heutzutage verwendeten Navigations- und Kommunikationssysteme nicht für solche Kapazitäten ausgelegt sind. Zudem besteht die Notwendigkeit die Staffelung der Flugzeuge auf Grund des hohen Flugverkehrsaufkommens in Zukunft zu reduzieren, wodurch eine noch genauere Überwachung der Flugzeuge für einen sicheren Flugbetrieb notwendig wird. Damit das Flugzeug eines der sichersten Verkehrsmittel bleibt, bedarf es daher einer stärkeren Vernetzung unterschiedlicher Systeme und infolgedessen neuer leistungsfähigerer Kommunikationssysteme. Das terrestrische Funksystem LDACS ist dabei ein erfolgversprechender Kandidat um den zukünftigen Anforderungen der Flugverkehrskontrolle gerecht zu werden. Die Herausforderung hierbei ist aber, dass der zugewiesene Frequenzbereich bereits durch ältere Systeme belegt ist, welche Spektral gesehen nicht effizient sind. Die Idee von LDACS ist es, in den Lücken zwischen den etablierten Systemen zu arbeiten, was aber eine technische Herausforderung ist, da diese System mit hohen Sendeleistungen arbeiten und daher den LDACS Empfänger kurzzeitig stören. Diese Arbeit beschäftigt sich einerseits mit der Verifikation des aktuellen LDACS Standards, der sich über die Jahre weiterentwickelt und geändert hat. Der bereits existierende System Simulator des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt basiert auf einem älteren Standard, womit es in Folge notwendig war einen eigenen Simulator in Matlab zu implementieren. Dieser kann als unabhängiger Vergleichssimulator herangezogen werden, um die im LDACS Standard präsentierten Simulationsergebnisse zu bestätigen. Zudem dient er auch als Basis zur Verifikation des im Rahmen der Dissertation entwickelten Empfängerprototype. Auf Grund der starken Pulsleistungen der Nachbarsysteme, wird die LDACS Empfangskette in eine starke Sättigung gebracht, was in eine Beeinflussung des Empfängers bis weit über der vierfachen Dauer des eigentlichen Pulses resultiert. Auf der Empfängerhardware wurden daher unterschiedliche Interferenzabschwächungsmethoden implementiert, welche untersucht und gegeneinander verglichen werden. Als Basis für die Verifikation dient die resultierende Bit Fehlerrate. Ein weiterer Forschungsbeitrag ist die Untersuchung eines Breitbandempfangskonzeptes, welches die Möglichkeit des gleichzeitigen Empfangs mehrerer Basisstationen ermöglicht. Dies erleichtert einerseits das Handover eines Flugzeuges zwischen LDACS Basisstationen. Zudem hat das Thema der Navigation durch LDACS über die letzten Jahre an Bedeutung gewonnen, was ein gleichzeitiger Empfang mehrerer Basisstationen wesentlich verbessern würde, im Vergleich zu einem System welches ständig seine Empfangsfrequenz ändern muss um benachbarte Basisstationen zu scannen. Der Einfluss von Störpulsen auf breitband und schmalband Empfangskonzept wird in dieser Arbeit analysiert und gegenübergestellt.
