基于互相關的ADS-B幀同步解碼技術實現

文/李羚梅 李鑫儒

基于互相關的ADS-B幀同步解碼技術實現

文/李羚梅 李鑫儒

廣播式自動相關監視系統（ADS-B）是一種應用于空中交通監管的技術手段。ADS-B系統可以通過機載設備廣播飛機的呼號、位置、高度、速度和其他一些參數信息。本文介紹了ADS-B系統S模式信號的編碼方式、消息結構，并對信號報頭檢測的原理進行闡述，通過仿真和實際測試驗證了理論方法的可實現性。

ADS-B幀同步 信號報頭檢測

1 綜述

ADS是一種新的監視工具，不同于二次雷達，它的覆蓋范圍廣，接收信息更加廣泛。ADS-B是在ADS基礎上形成的廣播是自動相關監視，由機載導航設備獲得飛機實時經度、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、航線拐點等信息），再增加必要的飛機標識、飛機類別信息向空中和地面進行廣播，供其它飛機和地面用戶接收和顯示。

ADS-B不僅實現地面對飛機的監視，同時也可以實現飛機與飛機之間的互相監視，這使飛行員在防止空中沖突方面的能力由原來的被動方式變為主動方式，飛行安全將大大加強。此外，這種應用系統將大大提高空域的利用率，減小云層及能見度的限制，以及增強機場場面的監視能力。平時可以用來進行多機飛行訓練，主動避免可能發生的空中沖突；戰時可以根據機艙綜合信息顯示器顯示的友機位置協調飛行剖面，協同作戰。

2 ADS-B消息幀結構介紹

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

ADS-B消息數據幀的末尾24比特數據(89--112比特)為PI字段，用于校驗和識別ADS-B消息的正誤，該24比特位是由特定的生成多項式產生的CRC（循環冗余校驗）碼。本設計中中頻信號為70MHz，采樣頻率為96MHz，ADS-B傳輸速率為1MBits/s。

2.1 幀同步的實現(幀頭檢測)。

ADS-B消息的幀頭位置在消息的前端即信號的前8μs時間，總共有4個脈沖，其中每個脈沖的持續時間約為0.5±0.05μs，相對于第一個脈沖，第二個，第三個和第四個脈沖分別出現在1.0μs，3.5μs和4.5μs處，定時誤差相對于精確位置處不得超過±0.5μs。信號波形如圖1所示。

圖1：S模式標準ADS-B信號

信噪比較低的微弱信號不能再采用檢測邊沿突變的特性來進行脈沖檢測。對信號進行互相關運算作為信號預處理，使信號脈沖更容易辨別。

首先做互相關求和運算，即對采樣點列x(i)與標準幀頭數據列X(i)求互相關，得到互相關點列y(i)；然后進行峰值查找，即是判斷某點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)是否大于預設的閾值，若滿足該條件即可認定i所處的位置是脈沖位置。

2.2 數據信息提取

如圖2所示，用16MHz的采樣率，每個符號幀采樣16個點，假設H0在理想情況下為后半幀出現脈沖即矢量S0為(0,0,0,0,0,0,0,0,1, 1,1,1,1,1,1,1)，假設H1在理想情況下表式為前半幀出現脈沖即S1為(1,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0 ,0,0,0)，當1比特位中采樣數據的前八個采樣點的和大于后八個采樣點的和即可判決假設H1成立，即該比特位為“1”，否則判決假設H0成立，即該比特位為“0”。采樣點求和的大小關系反應了比特位的值，顯然這種大小關系相差越懸殊，判決越準確，即置信度越高。

圖2：脈沖位置調制示意圖

3 仿真實驗

3.1 程序構成

將數據量化為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模塊輸出與時鐘對齊；DDC_module：將AD模塊輸入數據進行下變頻，并進行IQ路糾頻偏；head_ detection：與已知幀頭數據作互相關，通過找最大值的方式找到幀頭，實現幀同步；PPM_ module：實現PPM解調功能，并為后面CRC模塊輸出置信度confid和16分頻時鐘；根據前五位指示DF="10001"長幀、或者"01011"短幀，給出后面crc模塊crc_56_flag指示位，做長幀或者短幀的校驗。

圖3：程序功能框圖

圖4：PPM解調信息

3.2 查找幀頭

查找幀頭有一個標準幀頭數據與輸入數據進行互相關，得到的數據達到閾值后進行比較，查找最大值。

每個符號幀采樣16個點，用12位量化數據輸入，與標準幀頭128個點做互相關，并存入寄存器進行最大值判決。根據經驗設定閾值，當寄存器din_mult_reg值大于閾值head_ detect_flag='1'，并開始進入最大值、第二大值、第三大值的判決程序，比較出最大的前三個數，記錄位置和數值。當寄存器din_mult_ reg中值小于閾值，出判決程序，并標志max_ flag='1'，說明最大值已經找到了。檢查最大值與找到最大值之間需要延時多少時鐘周期，并作延時。

3.3 PPM解調

在檢測到幀頭后，說明已經做好同步，后續程序進入PPM解調子程序。

首先，將輸入數據以16為循環周期存入數據寄存器。然后，每隔16個時鐘周期進行判決：前八個數大于后八個數，則判決此符號幀為'1'，并用前八個數減去后八個數得到置信度值；前八個數小于后八個數，則判決此符號幀為'0'，并用后八個數減去前八個數得到置信度值。ppm_out為ppm解調后的信號，置信度confid共后續CRC校驗使用。如圖4所示。

3.4 CRC校驗

CRC部分將112位數據進行劃分，前88位是信息位，后24位是校驗位，生成多項式生成的CRC碼可以檢測出任何突發長度小于等于n-k=24的突發錯，并且對于長度等于25的突發錯誤未檢錯率為1/2r-1=1.19x10-7，對于長度大于25的突發錯誤的未檢錯率為1/2r-1=5.96x10-8，同時CRC的漢明距離為d=6，這意味著可以檢測出任意一個小于等于5個的差錯。對于隨機分布不超過5比特錯誤的信息，加上前面得到的置信度，可判斷出接收到的112位信息的出錯位置，并對其進行校正，然后將校正后的信息輸出。

4 結束語

使用本文互相關的檢測幀頭的方法，能夠很好的將ADS-B信息檢測出來，并且具有較高的靈敏度，文中通過仿真和實際FPGA板上調試證明了此技術的可行性。

[1]王魯杰.中國民航應優先發展ADS-B應用技術[J].中國民用航空,2006(01):27-30.

[2]張辰.ADS-B信號解碼板設計及報文處理[D].哈爾濱工程大學.

[3]張天平,郝建華,許斌,丁丹.ADS-B技術及其在空管中的發展與應用[J].電子產品世界,2009,16(06):37-43.

[4]1090MHz擴展斷續振蕩ADS-B最低工作性能標準(D0-260A).

作者單位天津光電通信技術有限公司 天津市 300211