1090ES模式ADS-B信號(hào)自適應(yīng)門限檢測(cè)算法

江志浩,李　迅

(中國人民解放軍91635部隊(duì)，北京 102249)

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1090ES模式ADS-B信號(hào)自適應(yīng)門限檢測(cè)算法

江志浩,李迅

(中國人民解放軍91635部隊(duì)，北京 102249)

摘要：針對(duì)1090ES模式ADS-B信號(hào)接收處理中利用傳統(tǒng)固定門限檢測(cè)算法時(shí)抗噪聲性能差、弱信號(hào)檢測(cè)能力弱的問題，分析了1090ES模式ADS-B信號(hào)特征、研究了該信號(hào)前導(dǎo)脈沖瞬時(shí)相關(guān)特征，提出一種基于前導(dǎo)脈沖瞬時(shí)相關(guān)特性的1090ES模式ADS-B信號(hào)檢測(cè)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(hào)功率條件的信號(hào)檢測(cè)率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法在低信噪比、弱信號(hào)等條件下均具有較高的信號(hào)檢測(cè)率，且能有效提高信號(hào)處理動(dòng)態(tài)范圍。

關(guān)鍵詞：ADS-B信號(hào)；信號(hào)檢測(cè)；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(dòng)相關(guān)監(jiān)視(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast)是自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視技術(shù)的以一種[1,2]，也是唯一被批準(zhǔn)可在全球運(yùn)行使用頻譜的ADS-B 數(shù)據(jù)鏈，并被歐洲、美國共同認(rèn)可并強(qiáng)制推行的ADS-B 技術(shù)[3,4]。該信號(hào)具有短時(shí)、突發(fā)信號(hào)、出現(xiàn)時(shí)間不確定性等特點(diǎn)，因此很難對(duì)該信號(hào)進(jìn)行AGC(Automatic Gain Control)控制，從而選擇合適的檢測(cè)門限。若檢測(cè)門限過高，將使大量弱信號(hào)不能被檢測(cè)；若檢測(cè)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(bào)文解譯率。因此，接收機(jī)必須具有精確地同步性能才能準(zhǔn)確恢復(fù)出報(bào)文數(shù)據(jù)，對(duì)信號(hào)前導(dǎo)脈沖的檢測(cè)顯得尤為重要。自適應(yīng)門限就是讓信號(hào)檢測(cè)的門限隨著接收信號(hào)的功率變化而變化，從而解決傳統(tǒng)的固定門限檢測(cè)算法難以解決的信號(hào)高檢測(cè)率和抗噪聲性能矛盾，在提高信號(hào)檢測(cè)率的同時(shí)控制算法的抗噪聲性能[5]。

11090ES模式ADS-B信號(hào)簡(jiǎn)介

1090ES模式ADS-B利用機(jī)載S模式應(yīng)答機(jī)來廣播工作。1090ES模式最初只用于飛機(jī)回答地面二次雷達(dá)的詢問信號(hào)，數(shù)據(jù)傳輸采用PPM(Pulse Position Modulation)編碼方式，飛機(jī)應(yīng)答地面雷達(dá)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(jī)在地面二次雷達(dá)和其他飛機(jī)的TCAS詢問的空余時(shí)段，將飛機(jī)自身的位置、高度、速度、機(jī)號(hào)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(dá)到100海里[7]。

其實(shí)際信號(hào)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(gè)脈沖對(duì)組成，兩個(gè)脈沖對(duì)間隔為4.5 μs，脈沖對(duì)由脈寬為0.5 μs、間隔為1 μs的2個(gè)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(dá)1 Mbps，即每比特對(duì)于1 μs的時(shí)間，采用PPM(Pulse Position Modulation)編碼。在編碼過程中，每個(gè)比特對(duì)應(yīng)的1 μs分為2個(gè)周期，各占用0.5 μs，若當(dāng)前碼子為1，則第1個(gè)0.5 μs為高電平，第2個(gè)0.5 μs為低電平；反之，則第1個(gè)0.5 μs為低電平，第2個(gè)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(cè)算法

相關(guān)檢測(cè)為時(shí)域上進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)的方法，主要是利用信號(hào)的相關(guān)性和噪聲的隨機(jī)性特點(diǎn)，通過自相關(guān)或互相關(guān)運(yùn)算，達(dá)到噪聲抑制并檢測(cè)出有效信號(hào)的目的。若發(fā)射信號(hào)期望或某種特征已知，在接收端產(chǎn)生一個(gè)發(fā)射信號(hào)相同或包含已知特征的期望信號(hào)，使其與輸入信號(hào)進(jìn)行相關(guān)，即可提高信號(hào)的抗干擾能力?；ハ嚓P(guān)原理如圖1所示[10]。

圖1　互相關(guān)檢測(cè)原理框圖

圖1中，輸入信號(hào)為f1(t)=s1(t)+n(t)，期望信號(hào)為f2(t)=s2(t)，由于期望信號(hào)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(hào)s1(t)所攜帶的信息，從而實(shí)現(xiàn)把信號(hào)s1(t)檢測(cè)出來[11]。

針對(duì)1090ES模式ADS-B信號(hào)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(diǎn)[6，7]，以理想前導(dǎo)脈沖作為期望信號(hào)f2(t)，采用基于相關(guān)檢測(cè)原理的自適應(yīng)門限檢測(cè)算法。算法流程如圖2所示。

首先，將所接收到信號(hào)脈沖序列與1090ES模式ADS-B信號(hào)的4位前導(dǎo)碼理想信號(hào)樣本進(jìn)行相關(guān)；其次，根據(jù)信號(hào)相關(guān)特征，完成信號(hào)捕獲。然后，在一個(gè)1090ES模式ADS-B信號(hào)傳輸長(zhǎng)度范圍內(nèi)計(jì)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(hào)的瞬時(shí)信號(hào)檢測(cè)門限。

圖2　基于前導(dǎo)碼匹配特征的自適應(yīng)門限檢測(cè)算法

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)中，采用實(shí)際信道環(huán)境下的1090ES模式信號(hào)，對(duì)完成載波同步的基帶信號(hào)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，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(hào)如圖3所示。

圖3　期望信號(hào)波形

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

由圖5可知，對(duì)1090ES模式ADS-B信號(hào)的前導(dǎo)脈沖進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)時(shí)，其相關(guān)峰前后1 μs、前后3.5 μs處將各出現(xiàn)一個(gè)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(cè)出1090ES模式ADS-B信號(hào)。

若接收到ADS-B信號(hào)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(jìn)行自適應(yīng)門限信號(hào)檢測(cè)，并與-30 dBm的固定門限檢測(cè)算法進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)率的比較，兩種算法在不同噪聲條件下的檢測(cè)率對(duì)比如圖6所示。

圖4　基帶信號(hào)前導(dǎo)　　　　圖5　期望信號(hào)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(hào)檢測(cè)算法的檢測(cè)率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)固定門限檢測(cè)算法；當(dāng)噪聲功率小于-30 dBm，即信噪比≥1.76 dB時(shí)，2種算法的信號(hào)檢測(cè)率均大于91%；當(dāng)信噪比進(jìn)一步惡化，傳統(tǒng)固定門限檢測(cè)算法的信號(hào)檢測(cè)率迅速下降，而自適應(yīng)門限信號(hào)檢測(cè)算法的信號(hào)檢測(cè)率相對(duì)穩(wěn)定，始終保持在82%-90%之間；當(dāng)噪聲功率為-20 dBm，即信噪比≥0 dB時(shí)，傳統(tǒng)固定門限檢測(cè)算法的信號(hào)檢測(cè)率為75%；噪聲功率至-10 dBm，即信噪比≥-3 dB時(shí)，傳統(tǒng)固定門限檢測(cè)算法的信號(hào)檢測(cè)率僅為25%。可見，自適應(yīng)門限信號(hào)檢測(cè)算法具有更好的抗噪聲性能，在信噪比≥-3 dB時(shí)仍具有82%的信號(hào)檢測(cè)率。

若接收到的ADS-B信號(hào)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(hào)功率條件下利用上述算法進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，并與固定門限為-30 dBm的傳統(tǒng)檢測(cè)算法進(jìn)行比較，其信號(hào)檢測(cè)率比較如圖7所示。

圖6　不同噪聲條件下的　圖7　不同信號(hào)功率條件下　檢測(cè)率對(duì)比圖　的檢測(cè)率對(duì)比圖

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

綜上所述，本文設(shè)計(jì)自適應(yīng)門限檢測(cè)算法相比傳統(tǒng)固定門限檢測(cè)算法，不但具有較高的抗噪聲性能，在一定噪聲條件下對(duì)弱信號(hào)的檢測(cè)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(hào)接收處理中進(jìn)一步提高信號(hào)檢測(cè)率的問題，在低信噪比和弱信號(hào)條件下，均較傳統(tǒng)固定門限檢測(cè)算法具有較高的信號(hào)檢測(cè)率，且具有較高的信號(hào)處理動(dòng)態(tài)范圍。該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于某型ADS-B信號(hào)接收設(shè)備中，有效提高了信號(hào)檢測(cè)性能和信號(hào)處理動(dòng)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(jiǎn)介：江志浩(1981―),男，工程師，主要研究方向:數(shù)字信號(hào)處理、雷達(dá)信號(hào)處理。李迅 (1977―),男，高級(jí)工程師，主要研究方向：系統(tǒng)工程與應(yīng)用、數(shù)字信號(hào)處理。

收稿日期：2015-07-15

中圖分類號(hào)：TN971.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(hào)自適應(yīng)門限檢測(cè)算法[J].無線電通信技術(shù),2016,42(1):51-53.