基于互相關(guān)的ADS-B幀同步解碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)

文/李羚梅 李鑫儒

基于互相關(guān)的ADS-B幀同步解碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)

文/李羚梅 李鑫儒

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）是一種應(yīng)用于空中交通監(jiān)管的技術(shù)手段。ADS-B系統(tǒng)可以通過機(jī)載設(shè)備廣播飛機(jī)的呼號(hào)、位置、高度、速度和其他一些參數(shù)信息。本文介紹了ADS-B系統(tǒng)S模式信號(hào)的編碼方式、消息結(jié)構(gòu)，并對(duì)信號(hào)報(bào)頭檢測(cè)的原理進(jìn)行闡述，通過仿真和實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證了理論方法的可實(shí)現(xiàn)性。

ADS-B幀同步 信號(hào)報(bào)頭檢測(cè)

1 綜述

ADS是一種新的監(jiān)視工具，不同于二次雷達(dá)，它的覆蓋范圍廣，接收信息更加廣泛。ADS-B是在ADS基礎(chǔ)上形成的廣播是自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視，由機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備獲得飛機(jī)實(shí)時(shí)經(jīng)度、緯度、高度等位置信息和三維速度信息，和其他可能附加信息（沖突告警信息、飛行員輸入信息、航跡角、航線拐點(diǎn)等信息），再增加必要的飛機(jī)標(biāo)識(shí)、飛機(jī)類別信息向空中和地面進(jìn)行廣播，供其它飛機(jī)和地面用戶接收和顯示。

ADS-B不僅實(shí)現(xiàn)地面對(duì)飛機(jī)的監(jiān)視，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)與飛機(jī)之間的互相監(jiān)視，這使飛行員在防止空中沖突方面的能力由原來的被動(dòng)方式變?yōu)橹鲃?dòng)方式，飛行安全將大大加強(qiáng)。此外，這種應(yīng)用系統(tǒng)將大大提高空域的利用率，減小云層及能見度的限制，以及增強(qiáng)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面的監(jiān)視能力。平時(shí)可以用來進(jìn)行多機(jī)飛行訓(xùn)練，主動(dòng)避免可能發(fā)生的空中沖突；戰(zhàn)時(shí)可以根據(jù)機(jī)艙綜合信息顯示器顯示的友機(jī)位置協(xié)調(diào)飛行剖面，協(xié)同作戰(zhàn)。

2 ADS-B消息幀結(jié)構(gòu)介紹

ADS-B消息在每個(gè)傳輸類別的前5個(gè)比特為DF（下行數(shù)據(jù)鏈格式）字段；緊接著的3個(gè)比特應(yīng)遵循這樣的定義：若DF=17，則該3個(gè)比特為CA字段；若DF=18，則該3個(gè)比特為CF字段；若DF=19，則該3個(gè)比特為AF字段。

ADS-B消息數(shù)據(jù)幀的末尾24比特?cái)?shù)據(jù)(89--112比特)為PI字段，用于校驗(yàn)和識(shí)別ADS-B消息的正誤，該24比特位是由特定的生成多項(xiàng)式產(chǎn)生的CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）碼。本設(shè)計(jì)中中頻信號(hào)為70MHz，采樣頻率為96MHz，ADS-B傳輸速率為1MBits/s。

2.1 幀同步的實(shí)現(xiàn)(幀頭檢測(cè))。

ADS-B消息的幀頭位置在消息的前端即信號(hào)的前8μs時(shí)間，總共有4個(gè)脈沖，其中每個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間約為0.5±0.05μs，相對(duì)于第一個(gè)脈沖，第二個(gè)，第三個(gè)和第四個(gè)脈沖分別出現(xiàn)在1.0μs，3.5μs和4.5μs處，定時(shí)誤差相對(duì)于精確位置處不得超過±0.5μs。信號(hào)波形如圖1所示。

圖1：S模式標(biāo)準(zhǔn)ADS-B信號(hào)

信噪比較低的微弱信號(hào)不能再采用檢測(cè)邊沿突變的特性來進(jìn)行脈沖檢測(cè)。對(duì)信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算作為信號(hào)預(yù)處理，使信號(hào)脈沖更容易辨別。

首先做互相關(guān)求和運(yùn)算，即對(duì)采樣點(diǎn)列x(i)與標(biāo)準(zhǔn)幀頭數(shù)據(jù)列X(i)求互相關(guān)，得到互相關(guān)點(diǎn)列y(i)；然后進(jìn)行峰值查找，即是判斷某點(diǎn)y(i)是否滿足y(i-2)＜y(i-1)＜y(i)＞y(i+1)＞y(i+2)；最后判斷脈沖的有效性，通過判斷峰值y(i)是否大于預(yù)設(shè)的閾值，若滿足該條件即可認(rèn)定i所處的位置是脈沖位置。

2.2 數(shù)據(jù)信息提取

如圖2所示，用16MHz的采樣率，每個(gè)符號(hào)幀采樣16個(gè)點(diǎn)，假設(shè)H0在理想情況下為后半幀出現(xiàn)脈沖即矢量S0為(0,0,0,0,0,0,0,0,1, 1,1,1,1,1,1,1)，假設(shè)H1在理想情況下表式為前半幀出現(xiàn)脈沖即S1為(1,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0 ,0,0,0)，當(dāng)1比特位中采樣數(shù)據(jù)的前八個(gè)采樣點(diǎn)的和大于后八個(gè)采樣點(diǎn)的和即可判決假設(shè)H1成立，即該比特位為“1”，否則判決假設(shè)H0成立，即該比特位為“0”。采樣點(diǎn)求和的大小關(guān)系反應(yīng)了比特位的值，顯然這種大小關(guān)系相差越懸殊，判決越準(zhǔn)確，即置信度越高。

圖2：脈沖位置調(diào)制示意圖

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 程序構(gòu)成

將數(shù)據(jù)量化為210，加26MHz載波，16MHz采樣頻率，并加入高斯白噪聲。如圖3所示。

程序主要模塊包含AD_module、DDC_ module、head_detection、PPM_module和CRC_module，上圖為其主要功能接口連接，AD_module模塊主要控制AD模塊輸出與時(shí)鐘對(duì)齊；DDC_module：將AD模塊輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行下變頻，并進(jìn)行IQ路糾頻偏；head_ detection：與已知幀頭數(shù)據(jù)作互相關(guān)，通過找最大值的方式找到幀頭，實(shí)現(xiàn)幀同步；PPM_ module：實(shí)現(xiàn)PPM解調(diào)功能，并為后面CRC模塊輸出置信度confid和16分頻時(shí)鐘；根據(jù)前五位指示DF="10001"長(zhǎng)幀、或者"01011"短幀，給出后面crc模塊crc_56_flag指示位，做長(zhǎng)幀或者短幀的校驗(yàn)。

圖3：程序功能框圖

圖4：PPM解調(diào)信息

3.2 查找?guī)^

查找?guī)^有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)幀頭數(shù)據(jù)與輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)，得到的數(shù)據(jù)達(dá)到閾值后進(jìn)行比較，查找最大值。

每個(gè)符號(hào)幀采樣16個(gè)點(diǎn)，用12位量化數(shù)據(jù)輸入，與標(biāo)準(zhǔn)幀頭128個(gè)點(diǎn)做互相關(guān)，并存入寄存器進(jìn)行最大值判決。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定閾值，當(dāng)寄存器din_mult_reg值大于閾值head_ detect_flag='1'，并開始進(jìn)入最大值、第二大值、第三大值的判決程序，比較出最大的前三個(gè)數(shù)，記錄位置和數(shù)值。當(dāng)寄存器din_mult_ reg中值小于閾值，出判決程序，并標(biāo)志max_ flag='1'，說明最大值已經(jīng)找到了。檢查最大值與找到最大值之間需要延時(shí)多少時(shí)鐘周期，并作延時(shí)。

3.3 PPM解調(diào)

在檢測(cè)到幀頭后，說明已經(jīng)做好同步，后續(xù)程序進(jìn)入PPM解調(diào)子程序。

首先，將輸入數(shù)據(jù)以16為循環(huán)周期存入數(shù)據(jù)寄存器。然后，每隔16個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行判決：前八個(gè)數(shù)大于后八個(gè)數(shù)，則判決此符號(hào)幀為'1'，并用前八個(gè)數(shù)減去后八個(gè)數(shù)得到置信度值；前八個(gè)數(shù)小于后八個(gè)數(shù)，則判決此符號(hào)幀為'0'，并用后八個(gè)數(shù)減去前八個(gè)數(shù)得到置信度值。ppm_out為ppm解調(diào)后的信號(hào)，置信度confid共后續(xù)CRC校驗(yàn)使用。如圖4所示。

3.4 CRC校驗(yàn)

CRC部分將112位數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，前88位是信息位，后24位是校驗(yàn)位，生成多項(xiàng)式生成的CRC碼可以檢測(cè)出任何突發(fā)長(zhǎng)度小于等于n-k=24的突發(fā)錯(cuò)，并且對(duì)于長(zhǎng)度等于25的突發(fā)錯(cuò)誤未檢錯(cuò)率為1/2r-1=1.19x10-7，對(duì)于長(zhǎng)度大于25的突發(fā)錯(cuò)誤的未檢錯(cuò)率為1/2r-1=5.96x10-8，同時(shí)CRC的漢明距離為d=6，這意味著可以檢測(cè)出任意一個(gè)小于等于5個(gè)的差錯(cuò)。對(duì)于隨機(jī)分布不超過5比特錯(cuò)誤的信息，加上前面得到的置信度，可判斷出接收到的112位信息的出錯(cuò)位置，并對(duì)其進(jìn)行校正，然后將校正后的信息輸出。

4 結(jié)束語

使用本文互相關(guān)的檢測(cè)幀頭的方法，能夠很好的將ADS-B信息檢測(cè)出來，并且具有較高的靈敏度，文中通過仿真和實(shí)際FPGA板上調(diào)試證明了此技術(shù)的可行性。

[1]王魯杰.中國(guó)民航應(yīng)優(yōu)先發(fā)展ADS-B應(yīng)用技術(shù)[J].中國(guó)民用航空,2006(01):27-30.

[2]張辰.ADS-B信號(hào)解碼板設(shè)計(jì)及報(bào)文處理[D].哈爾濱工程大學(xué).

[3]張?zhí)炱?郝建華,許斌,丁丹.ADS-B技術(shù)及其在空管中的發(fā)展與應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品世界,2009,16(06):37-43.

[4]1090MHz擴(kuò)展斷續(xù)振蕩ADS-B最低工作性能標(biāo)準(zhǔn)(D0-260A).

作者單位天津光電通信技術(shù)有限公司 天津市 300211