1090ES模式ADS-B信號自適應(yīng)門限檢測算法

江志浩,李　迅

(中國人民解放軍91635部隊，北京 102249)

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1090ES模式ADS-B信號自適應(yīng)門限檢測算法

江志浩,李迅

(中國人民解放軍91635部隊，北京 102249)

摘要：針對1090ES模式ADS-B信號接收處理中利用傳統(tǒng)固定門限檢測算法時抗噪聲性能差、弱信號檢測能力弱的問題，分析了1090ES模式ADS-B信號特征、研究了該信號前導(dǎo)脈沖瞬時相關(guān)特征，提出一種基于前導(dǎo)脈沖瞬時相關(guān)特性的1090ES模式ADS-B信號檢測算法，并分析了該算法在不同加性高斯白噪聲(AWGN)環(huán)境下和不同信號功率條件的信號檢測率，實驗結(jié)果表明該算法在低信噪比、弱信號等條件下均具有較高的信號檢測率，且能有效提高信號處理動態(tài)范圍。

關(guān)鍵詞：ADS-B信號；信號檢測；自適應(yīng)門限；相關(guān)特性

0引言

1090ES(1090 MHz Extended Squitter)模式廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast)是自動相關(guān)監(jiān)視技術(shù)的以一種[1,2]，也是唯一被批準可在全球運行使用頻譜的ADS-B 數(shù)據(jù)鏈，并被歐洲、美國共同認可并強制推行的ADS-B 技術(shù)[3,4]。該信號具有短時、突發(fā)信號、出現(xiàn)時間不確定性等特點，因此很難對該信號進行AGC(Automatic Gain Control)控制，從而選擇合適的檢測門限。若檢測門限過高，將使大量弱信號不能被檢測；若檢測門限較低，則易受到基底噪聲的影響，產(chǎn)生大量誤碼，降低后續(xù)報文解譯率。因此，接收機必須具有精確地同步性能才能準確恢復(fù)出報文數(shù)據(jù)，對信號前導(dǎo)脈沖的檢測顯得尤為重要。自適應(yīng)門限就是讓信號檢測的門限隨著接收信號的功率變化而變化，從而解決傳統(tǒng)的固定門限檢測算法難以解決的信號高檢測率和抗噪聲性能矛盾，在提高信號檢測率的同時控制算法的抗噪聲性能[5]。

11090ES模式ADS-B信號簡介

1090ES模式ADS-B利用機載S模式應(yīng)答機來廣播工作。1090ES模式最初只用于飛機回答地面二次雷達的詢問信號，數(shù)據(jù)傳輸采用PPM(Pulse Position Modulation)編碼方式，飛機應(yīng)答地面雷達的頻率為1 090 MHz[6]。1090ES模ADS-B的工作原理是利用1090ES模式應(yīng)答機在地面二次雷達和其他飛機的TCAS詢問的空余時段，將飛機自身的位置、高度、速度、機號等數(shù)據(jù)向外廣播，廣播頻率同樣為1 090 MHz，空中有效距離可以達到100海里[7]。

其實際信號由前導(dǎo)脈沖和數(shù)據(jù)脈沖兩部分組成，其中前導(dǎo)脈沖由前面2個脈沖對組成，兩個脈沖對間隔為4.5 μs，脈沖對由脈寬為0.5 μs、間隔為1 μs的2個脈沖組成，前導(dǎo)脈沖與數(shù)據(jù)脈沖間隔8 μs。數(shù)據(jù)脈沖為112 bit信息脈沖構(gòu)成的S模式應(yīng)答格式，數(shù)據(jù)傳輸速率達1 Mbps，即每比特對于1 μs的時間，采用PPM(Pulse Position Modulation)編碼。在編碼過程中，每個比特對應(yīng)的1 μs分為2個周期，各占用0.5 μs，若當前碼子為1，則第1個0.5 μs為高電平，第2個0.5 μs為低電平；反之，則第1個0.5 μs為低電平，第2個0.5 μs為高電平[8,9]。

2基于相關(guān)特征的自適應(yīng)門限檢測算法

相關(guān)檢測為時域上進行信號檢測的方法，主要是利用信號的相關(guān)性和噪聲的隨機性特點，通過自相關(guān)或互相關(guān)運算，達到噪聲抑制并檢測出有效信號的目的。若發(fā)射信號期望或某種特征已知，在接收端產(chǎn)生一個發(fā)射信號相同或包含已知特征的期望信號，使其與輸入信號進行相關(guān)，即可提高信號的抗干擾能力。互相關(guān)原理如圖1所示[10]。

圖1　互相關(guān)檢測原理框圖

圖1中，輸入信號為f1(t)=s1(t)+n(t)，期望信號為f2(t)=s2(t)，由于期望信號與噪聲不相關(guān)[10]，則有：

Rs1s2(τ)+Rns2(τ)≈Rs1s2(τ)。

由于Rs1s2(τ)包含了信號s1(t)所攜帶的信息，從而實現(xiàn)把信號s1(t)檢測出來[11]。

針對1090ES模式ADS-B信號前導(dǎo)脈沖固定、數(shù)據(jù)脈沖隨傳輸數(shù)據(jù)不同而變化這一特點[6，7]，以理想前導(dǎo)脈沖作為期望信號f2(t)，采用基于相關(guān)檢測原理的自適應(yīng)門限檢測算法。算法流程如圖2所示。

首先，將所接收到信號脈沖序列與1090ES模式ADS-B信號的4位前導(dǎo)碼理想信號樣本進行相關(guān)；其次，根據(jù)信號相關(guān)特征，完成信號捕獲。然后，在一個1090ES模式ADS-B信號傳輸長度范圍內(nèi)計算基底噪聲功率和脈沖最大功率；最后，以基底噪聲和最大功率差值的3 dB作為該信號的瞬時信號檢測門限。

圖2　基于前導(dǎo)碼匹配特征的自適應(yīng)門限檢測算法

3實驗驗證

在實驗中，采用實際信道環(huán)境下的1090ES模式信號，對完成載波同步的基帶信號進行信號檢測，采樣率為10 MHz。算法所需的1090ESS模式ADSB前導(dǎo)碼理想波形，即期望信號如圖3所示。

圖3　期望信號波形

基帶信號前導(dǎo)脈沖波形如圖4所示，期望信號與前導(dǎo)脈沖的相關(guān)特征如圖5所示。

由圖5可知，對1090ES模式ADS-B信號的前導(dǎo)脈沖進行相關(guān)檢測時，其相關(guān)峰前后1 μs、前后3.5 μs處將各出現(xiàn)一個弱相關(guān)峰，且弱相關(guān)峰值約為相關(guān)峰值的二分之一。通過捕獲上述特征，可有從密集的接收脈沖序列中檢測出1090ES模式ADS-B信號。

若接收到ADS-B信號的平均功率穩(wěn)定在-20 dBm，基底噪聲在-40～-10 dBm變化，基底噪聲為加性高斯白噪聲，在不同信噪比條件下利用上述算法進行自適應(yīng)門限信號檢測，并與-30 dBm的固定門限檢測算法進行信號檢測率的比較，兩種算法在不同噪聲條件下的檢測率對比如圖6所示。

圖4　基帶信號前導(dǎo)　　　　圖5　期望信號與前導(dǎo)脈沖　脈沖波形　的相關(guān)特征

由圖6可知，自適應(yīng)門限信號檢測算法的檢測率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)固定門限檢測算法；當噪聲功率小于-30 dBm，即信噪比≥1.76 dB時，2種算法的信號檢測率均大于91%；當信噪比進一步惡化，傳統(tǒng)固定門限檢測算法的信號檢測率迅速下降，而自適應(yīng)門限信號檢測算法的信號檢測率相對穩(wěn)定，始終保持在82%-90%之間；當噪聲功率為-20 dBm，即信噪比≥0 dB時，傳統(tǒng)固定門限檢測算法的信號檢測率為75%；噪聲功率至-10 dBm，即信噪比≥-3 dB時，傳統(tǒng)固定門限檢測算法的信號檢測率僅為25%。可見，自適應(yīng)門限信號檢測算法具有更好的抗噪聲性能，在信噪比≥-3 dB時仍具有82%的信號檢測率。

若接收到的ADS-B信號的平均功率在-35 dBm至-20 dBm變化，基底噪聲為-40 dBm，為加性高斯白噪聲，在不同信號功率條件下利用上述算法進行信號檢測，并與固定門限為-30 dBm的傳統(tǒng)檢測算法進行比較，其信號檢測率比較如圖7所示。

圖6　不同噪聲條件下的　圖7　不同信號功率條件下　檢測率對比圖　的檢測率對比圖

由圖7可知，在信號功率低于檢測門限時，傳統(tǒng)檢測算法的檢測率為0%，即不具備檢測能力，而自適應(yīng)門限信號檢測算法的檢測概率為61%～78%之間；隨著信號平均功率的逐漸增大，傳統(tǒng)檢測算法的檢測率逐漸恢復(fù)；當信號平均功率增加至-25 dB后，即高出檢測門限大于5 dB時，其檢測率與自適應(yīng)門限信號檢測算法相當。可見，自適應(yīng)門限信號檢測算法具有更好的弱信號檢測能力。

綜上所述，本文設(shè)計自適應(yīng)門限檢測算法相比傳統(tǒng)固定門限檢測算法，不但具有較高的抗噪聲性能，在一定噪聲條件下對弱信號的檢測能力性能也非常突出。

4結(jié)束語

該算法的應(yīng)用，解決了1090ES模式ADS-B信號接收處理中進一步提高信號檢測率的問題，在低信噪比和弱信號條件下，均較傳統(tǒng)固定門限檢測算法具有較高的信號檢測率，且具有較高的信號處理動態(tài)范圍。該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于某型ADS-B信號接收設(shè)備中，有效提高了信號檢測性能和信號處理動態(tài)范圍，取得了較高的效果。

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Adaptive Threshold Signal Detection Algorithm in 1090ES
Model ADS-B Signal Process

JIANG Zhi-Hao，LI Xun

(Unit 91635， PLA，Beijing 102249，China)

Abstract：The 1090ES (1090 MHz Extended Squitter) model ADS-B signal process which used traditional steady threshold detection algorithm has poor anti-noise performance and limited ability of weak signal detection.The paper analyzes the characteristic of the signal，studies the instantaneous correlation of the preamble pulses，and gives an signal detection algorithm in 1090ES model ADS-B signal process based on instantaneous correlation of preamble pulses.And the ratio of signal detection in both different AWGN environment and signal power is also analyzed.Simulations show that the algorithm provides better performance in both low SNR and weak signal condition，and improves the dynamic range of signal process effectively.

Key words：ADS-B Signal;signal detection;adaptive-threshold;correlation character

作者簡介：江志浩(1981―),男，工程師，主要研究方向:數(shù)字信號處理、雷達信號處理。李迅 (1977―),男，高級工程師，主要研究方向：系統(tǒng)工程與應(yīng)用、數(shù)字信號處理。

收稿日期：2015-07-15

中圖分類號：TN971.1

文獻標識碼：A

文章編號：1003-3114(2016)01-51-3

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.01.13

引用格式：江志浩,李迅.1090ES模式ADS-B信號自適應(yīng)門限檢測算法[J].無線電通信技術(shù),2016,42(1):51-53.