摘要：本文提出了一種基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）技術(shù)的自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視廣播（ADS-B）信號(hào)解碼方法。該方法的主要功能包括框架脈沖檢測、應(yīng)答信息解碼、將應(yīng)答信息整合成飛機(jī)的同步應(yīng)答組以形成應(yīng)答報(bào)告，以及剔除虛假應(yīng)答。
關(guān)鍵詞：ADS-B系統(tǒng)；框架脈沖檢測；FPGA
doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.01.024
中圖分類號(hào)：TN 911.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編碼：1672-7274（2025）01-00-04
ADS-B Signal Decoding Processing Based on FPGA Implementation
LI Bao， ZHONG Guangxi
（Nanjing Nriet Industrial Co.， Ltd.， Nanjing 210013， China）
Abstract： This article proposes a decoding method for Automatic Dependent Surveillance Broadcast （ADS-B） signals based on Field Programmable Gate Array （FPGA） technology. The main functions of this method include： frame pulse detection， decoding of response information， integrating response information into a synchronized response group of the aircraft to form a response report， and eliminating 1 responses.
Keywords： ADS-B system; frame pulse detection; FPGA
ADS-B地面站具備實(shí)時(shí)接收裝備有1090ES發(fā)射機(jī)的航空器或地面移動(dòng)單元發(fā)出的ADS-B廣播信號(hào)的能力，能夠提供目標(biāo)的識(shí)別信息（包括A代碼、S模式地址碼）及位置（包括經(jīng)緯度、高度）、速度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)[1]。該地面站適用于空中交通管制系統(tǒng)，能夠進(jìn)行航路監(jiān)視，并為空中交通管制部門提供連續(xù)且準(zhǔn)確的航空管制信息[2]。
本文介紹的ADS-B應(yīng)答解碼系統(tǒng)采用了大容量FPGA設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主要由四個(gè)核心部分組成：ADS-B回波的應(yīng)答頭檢測、反窄處理、框架檢測以及虛假目標(biāo)去除四部分。基于此，系統(tǒng)生成單次應(yīng)答回波的點(diǎn)跡信息，便于后續(xù)航跡處理完成目標(biāo)應(yīng)答的凝聚、航跡濾波等相關(guān)的處理，展現(xiàn)出良好的處理實(shí)時(shí)性和對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)處理能力。
1 方案設(shè)計(jì)
ADS-B信號(hào)解碼器的核心功能實(shí)現(xiàn)如下：數(shù)字中頻處理、應(yīng)答預(yù)處理、ADS-B解碼處理、全機(jī)定時(shí)/方位與模式信號(hào)的生成以及反窄處理。最終，解碼器將包含處理信號(hào)的BIT信息的應(yīng)答報(bào)告發(fā)送至數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)。
解碼模塊采用集成化和小型化設(shè)計(jì)，整個(gè)分系統(tǒng)僅由一個(gè)基于CPCI總線的6U插件構(gòu)成，并集成了大規(guī)模的FPGA芯片。印制板上安裝了三塊大規(guī)模集成電路FPGA-EP2S60F1020I4，其中FPGA A負(fù)責(zé)信號(hào)的中頻采樣，而FPGA C則承擔(dān)方位、定時(shí)與模式信號(hào)的生成，解碼處理以及反窄處理等任務(wù)，如圖1所示。
2 解碼實(shí)現(xiàn)
2.1 中頻采樣
采用80 MHz的時(shí)鐘頻率，對(duì)輸入的Σ、△、Ω三個(gè)通道的60 MHz中頻信號(hào)進(jìn)行采樣，以生成三個(gè)通道的14位I/Q信號(hào)。采用AD6645ASQ-80型號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換器（CADC），其最大采樣速率可達(dá)105MSPS，能夠處理最高200 MHz的中頻輸入，且中頻信號(hào)的帶寬可達(dá)到40 MHz，同時(shí)實(shí)現(xiàn)75 dB的信噪比（SNR）和89 dB的無雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR），如圖2所示。
通-過數(shù)字本振（NCO）和乘法器實(shí)現(xiàn)混頻和正交I/Q解調(diào)，再通過數(shù)字FIR濾波器進(jìn)行低通濾波，從而得到基帶I/Q信號(hào)。接著對(duì)Σ、△、Ω三個(gè)通道的信號(hào)執(zhí)行求模運(yùn)算和求對(duì)數(shù)運(yùn)算，分別得到三個(gè)通道的信號(hào)幅度值。
2.2 ADS-B應(yīng)答頭檢測
2.2.1 應(yīng)答信號(hào)
如圖3所示，自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視廣播（ADS-B）的應(yīng)答信號(hào)的前導(dǎo)部分持續(xù)8.0 μs，由四個(gè)固定位置的子脈沖構(gòu)成，每個(gè)子脈沖的脈寬為0.5 μs。緊隨其后的是時(shí)長為112 μs的脈位調(diào)制（PPM）數(shù)據(jù)塊，該數(shù)據(jù)塊由112比特組成，每個(gè)比特周期為1 μs，每個(gè)比特由兩個(gè)chip組成。在PPM編碼中，若前一個(gè)chip呈現(xiàn)高電平而后一個(gè)chip為低電平，則該比特代表數(shù)據(jù)“1”；反之，若前一個(gè)chip為低電平而后一個(gè)chip為高電平，則該比特代表數(shù)據(jù)“0”[3]。
2.2.2 應(yīng)答頭檢測
前導(dǎo)脈沖由四個(gè)子脈沖構(gòu)成，因此首要任務(wù)是從噪聲中識(shí)別出有效脈沖。基于噪聲基底和脈沖的有效寬度，可以確定：在未達(dá)到信號(hào)的一段時(shí)間窗口內(nèi)，計(jì)算得到的均值為噪聲基底；而大于設(shè)定門限值且持續(xù)時(shí)間超過0.3 μs的脈沖則被視為有效脈沖。當(dāng)信號(hào)發(fā)生交織時(shí)，信號(hào)脈沖的寬度會(huì)有所增加。通過檢測脈沖寬度，可以判斷出發(fā)生交織的S模式應(yīng)答信號(hào)的數(shù)量，并據(jù)此生成相應(yīng)的標(biāo)志脈沖。假設(shè)存在三個(gè)S模式的應(yīng)答信號(hào)交織，將會(huì)產(chǎn)生三個(gè)相應(yīng)的標(biāo)志脈沖，如圖4所示。
應(yīng)答處理首先依據(jù)通道視頻信號(hào)執(zhí)行脈沖檢測，以獲得PSV（Pulse Start Value）。隨后，對(duì)PSV信號(hào)進(jìn)行處理，在每個(gè)PSV信號(hào)的上升沿生成真實(shí)的脈沖前沿ALE（Actual Leading Edge）。基于脈沖下降沿的位置，計(jì)算第二個(gè)脈沖的前沿，即偽前沿PLE（Pseudo Leading Edge）。當(dāng)脈沖寬度超過兩個(gè)脈沖寬度時(shí)，根據(jù)脈沖前沿位置推導(dǎo)出額外的前沿XLE（Xtra Leading Edge）。XLE的位置位于ALE和PLE之間，具體為ALE+i×450 ns，其中i=1，2…。ALE、XLE和PLE共同構(gòu)成應(yīng)答的前沿脈沖串LE（Leading Edge）。
計(jì)算前沿脈沖LE的間隔，當(dāng)四個(gè)前沿脈沖的時(shí)間間隔分別為1 μs、3.5 μs、4.5 μs時(shí)，結(jié)合當(dāng)前的工作模式，可以確定ADS-B應(yīng)答頭的存在。應(yīng)答頭檢測過程如圖5所示。
S模式應(yīng)答信號(hào)的應(yīng)答頭由四個(gè)脈沖構(gòu)成，其中應(yīng)答頭信號(hào)的前沿作為解碼應(yīng)答信息數(shù)據(jù)的同步信號(hào)，而應(yīng)答頭信號(hào)的幅度信息則作為應(yīng)答信息數(shù)據(jù)的幅度參考值。通過計(jì)算這四個(gè)前導(dǎo)脈沖的平均幅度，我們得到一個(gè)幅度參考基準(zhǔn)，后續(xù)的112個(gè)信息位的幅度將與這個(gè)基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，從而確定相應(yīng)位的信息。每個(gè)信息位占據(jù)1 μs的時(shí)間，如果在前0.5 μs內(nèi)檢測到脈沖，則該位信息為“1”；如果在后0.5 μs內(nèi)檢測到脈沖，則該位信息為“0”，具體如圖6所示。
最簡單的解碼方法是對(duì)比一個(gè)時(shí)長為10.5 μs信息位的前0.5 μs與后0.5 μs脈沖的幅度值。若前0.5 μs脈沖的幅度高于后0.5 μs脈沖，則判定該信息位為“1”；反之，則為“0”（見圖7）。然而，在存在干擾的情況下，這種解碼方式會(huì)導(dǎo)致較高的誤碼率。RTCA DO-260標(biāo)準(zhǔn)推薦了一種改進(jìn)的解碼技術(shù)，該技術(shù)涉及對(duì)每個(gè)脈沖進(jìn)行多次采樣，并根據(jù)采樣值查表確定信息位的邏輯值及其置信度。我們對(duì)該方法進(jìn)行了深入的技術(shù)優(yōu)化，采用RTCA DO-260推薦采樣速度的兩倍。每次采樣后，根據(jù)幅度信息賦予特定的權(quán)值，將所有權(quán)值累加得到一個(gè)有符號(hào)數(shù)的權(quán)值和。該有符號(hào)數(shù)的正值表示邏輯“1”，負(fù)值表示邏輯“0”，其絕對(duì)值大小則反映了信息位的置信度，如圖8所示。
解碼過程在六個(gè)接收通道中同步進(jìn)行，同一架飛機(jī)的高置信度信息可能會(huì)在多個(gè)通道中輸出。我們對(duì)解碼過程進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)，特別是在處理交織應(yīng)答方面。如果一個(gè)解碼通道在處理應(yīng)答碼時(shí)檢測到另一個(gè)高幅度的應(yīng)答頭，傳統(tǒng)處理方式可能會(huì)中斷當(dāng)前處理，轉(zhuǎn)而處理高幅度應(yīng)答頭信息的目標(biāo)。而我們現(xiàn)在的處理方法是，該通道會(huì)繼續(xù)處理當(dāng)前應(yīng)答，同時(shí)啟動(dòng)第二個(gè)解碼通道來處理另一個(gè)高置信度應(yīng)答頭信息的應(yīng)答。后檢測到的高幅度應(yīng)答頭信息很可能是由多個(gè)交織在一起的應(yīng)答形成的，而不是一個(gè)有效的應(yīng)答。因此，第一個(gè)應(yīng)答繼續(xù)被處理，通過糾錯(cuò)能力，我們能夠得到一個(gè)正確的應(yīng)答信息。
2.3 窄脈沖抑制
窄脈沖抑制在應(yīng)答信號(hào)處理中扮演著關(guān)鍵角色，通過反窄電路濾除0.3 μs以下的脈沖，實(shí)現(xiàn)0.3 μs脈沖的反窄，從而抑制各種雜波干擾，降低虛警概率。在實(shí)際應(yīng)用中，詢問機(jī)在接收應(yīng)答信號(hào)的同時(shí)也會(huì)接收到外界各種干擾信號(hào)，這些干擾信號(hào)會(huì)影響后端解碼的正確性，因此需要對(duì)窄脈沖進(jìn)行剔除。在工程實(shí)踐中，考慮到低信噪比以及人為或自然干擾帶來的脈寬測量誤差的影響，信號(hào)處理采用滑動(dòng)窗對(duì)應(yīng)答信號(hào)進(jìn)行分段，并根據(jù)窗內(nèi)信號(hào)的幅度設(shè)置窗內(nèi)閾值。通過滑動(dòng)窗設(shè)定的自適應(yīng)閾值可以得到應(yīng)答信號(hào)對(duì)應(yīng)的應(yīng)答脈沖。計(jì)算脈沖寬度，并對(duì)小于0.3 μs的脈沖進(jìn)行濾除，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)窄脈沖干擾信號(hào)的抑制。實(shí)際剔除效果如圖8所示，圖中PSV為詢問機(jī)接收的應(yīng)答信號(hào)對(duì)應(yīng)的應(yīng)答脈沖，脈沖寬度分別為0.05 μs、0.1 μs、0.15 μs、0.2 μs、0.25 μs、0.3 μs、0.35 μs、0.4 μs、0.45 μs、
0.5 μs、0.6 μs、0.8 μs。psv_out為窄脈沖剔除后的輸出脈沖，前5個(gè)寬度小于0.3 μs的窄脈沖已被成功剔除。
3 結(jié)束語
在本方案中，接收機(jī)負(fù)責(zé)接收ADS-B下行廣播信號(hào)，并將其下變頻至60 MHz，隨后完成中頻采樣。采樣得到的中頻數(shù)據(jù)將被傳輸至信號(hào)處理器，信號(hào)處理器執(zhí)行一系列處理步驟，包括對(duì)原始視頻脈沖進(jìn)行反窄帶濾波、恒虛警率（CFAR）檢測和二值積分等，以生成二分層量化脈沖。接下來，信號(hào)處理器進(jìn)行解碼、置信度檢測以及碼裝配等復(fù)雜處理，并同步接收來自GPS系統(tǒng)的授時(shí)信息。最終，廣播信息以數(shù)據(jù)塊的形式被送至情報(bào)終端或管制中心進(jìn)行處理，解碼效果如圖10所示。■
參考文獻(xiàn)
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作者簡介：李 寶（1987—），男，漢族，江蘇寶應(yīng)人，工程師，研究生，研究方向?yàn)槔走_(dá)監(jiān)視數(shù)據(jù)發(fā)展與政策。
仲廣璽（1988—），男，漢族，黑龍江哈爾濱人，高級(jí)工程師，本科，研究方向?yàn)榭展芾走_(dá)總體技術(shù)。
