基于FPGA的1090ES ADS-B信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

王婷琦，盧起斌

(中國傳媒大學(xué) 廣播電視數(shù)字化教育部工程研究中心，北京 100024)

1 概述

ADS-B(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視)是一種基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GNSS)和空-空、地-空數(shù)據(jù)鏈通信的航空器運(yùn)行監(jiān)視技術(shù)[1]。ADS-B發(fā)射系統(tǒng)能從機(jī)載的衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備獲取當(dāng)前的位置信息，連同本機(jī)的身份編碼、氣壓高度、航速、航向、航行意圖等信息一起，以數(shù)據(jù)鏈的形式，實(shí)時(shí)、自發(fā)、周期性的對(duì)外廣播。地面監(jiān)視設(shè)備通過地-空數(shù)據(jù)鏈通信的方式獲得該航空器的相關(guān)信息，達(dá)到空域監(jiān)視的目的。

1090ES(1090MHz Extended Squitter)由美國麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室研究提出，是一種基于S模式擴(kuò)展應(yīng)答機(jī)的技術(shù)。S模式應(yīng)答機(jī)采用脈沖位置編碼(Pulse Position Modulation，PPM)，下行頻率1090MHz，傳輸速率可以達(dá)到1Mbps，提供空-空、地-空數(shù)據(jù)鏈，適合高速率數(shù)據(jù)的傳送。

2 總體設(shè)計(jì)

從功能處理劃分，ADS-B發(fā)射系統(tǒng)由GPS接收模塊、基帶信號(hào)生成模塊、射頻調(diào)制模塊和放大濾波模塊四部分組成，其組成框圖如圖1所示。

圖1 ADS-B發(fā)射系統(tǒng)的組成框圖

GPS接收模塊接收GPS信號(hào)，獲取該信號(hào)發(fā)生器自身的位置信息、速度信息和精確的時(shí)間信息等定位數(shù)據(jù)；基帶信號(hào)生成模塊是信號(hào)發(fā)生器的核心，它提取GPS接收的定位信息和自身的身份、狀態(tài)等信息進(jìn)行格式分解、編碼、組裝等處理，按照標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的格式生成ADS-B基帶信號(hào)，并以特定的速率發(fā)送給射頻調(diào)制模塊；基帶信號(hào)在射頻調(diào)制模塊進(jìn)行ASK調(diào)制到1090MHz載波上；在放大濾波模塊將射頻信號(hào)進(jìn)行帶通濾波、功率放大等處理，由全向天線以廣播的形式向周邊空域進(jìn)行信息發(fā)送。

本設(shè)計(jì)根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)、方便靈活應(yīng)用的設(shè)計(jì)原則，只完成圖1框中三部分內(nèi)容，放大濾波模塊不在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 GPS接收模塊

GPS接收部分使用第三方GPS模塊，用于獲取ADS-B信號(hào)發(fā)生器自身的定位數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)選擇u-blox公司的NEO-7N模塊，其性能指標(biāo)如表1[2]所示，該芯片具備出色的定位精度與鎖定時(shí)間性能，同時(shí)功耗低，外形尺寸小，適用于本設(shè)計(jì)需求。

表1 NEO-7N的性能指標(biāo)

GPS接收模塊通過UART串口與基帶信號(hào)生成模塊進(jìn)行通信。上電后，F(xiàn)PGA首先配置GPS模塊，使其輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為UBX格式，并只輸出位置、速度、時(shí)間(PVT)三種數(shù)據(jù)包，便于Nios II軟核處理器接收處理。

3.2 基帶信號(hào)生成模塊

基帶信號(hào)生成模塊的功能由FPGA完成，本設(shè)計(jì)選用的型號(hào)為EP4CE10E22。

3.2.1 ADS-B的幀格式和消息結(jié)構(gòu)

ADS-B基帶信號(hào)的幀格式如圖2所示，每幀由8us報(bào)頭和112us數(shù)據(jù)塊組成，共120us。數(shù)據(jù)塊由112個(gè)比特組成，每個(gè)比特持續(xù)1us。ADS-B消息采用PPM調(diào)制：當(dāng)脈沖出現(xiàn)在比特的前半部分時(shí)，該數(shù)據(jù)比特為“1”，否則為“0”[3]。

圖2 ADS-B基帶信號(hào)幀格式

ADS-B的消息結(jié)構(gòu)如表2所示，本設(shè)計(jì)采用DF=17的下行鏈路分配方式，每個(gè)1090ES信號(hào)包含112比特，其中56比特(位33-位88，ME字段)為ADS-B消息域，包含經(jīng)緯度、高度、方位、速度等ADS-B數(shù)據(jù)消息。其余56比特分別為：5比特下行鏈路格式(DF：Downlink Format)，3比特設(shè)備能力標(biāo)示(CA：Capability)，24比特ICAO地址(AA：Announced Address)，以及24比特校驗(yàn)信息(PI：Parity/Identify)。由于消息格式簡單，承載信息能力較弱，所以一個(gè)消息幀只能傳輸一種特定類型的信息[4]。對(duì)于不同類型的消息，其更新速率也有所不同。

表2 ADS-B消息結(jié)構(gòu)

3.2.2 基帶信號(hào)生成模塊的搭建

基帶信號(hào)生成模塊是由FPGA的RTL電路和Nios II軟核處理器搭建而成，如圖3所示，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

第一步：先將板載GPS模塊發(fā)送的PVT數(shù)據(jù)包通過Avalon總線的UART串口讀入到Nios II軟核kernel內(nèi)，再在kernel中將PVT信息及信號(hào)發(fā)生器的其他數(shù)據(jù)信息進(jìn)行編碼，組裝成112比特的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式，按照特定速率發(fā)送給幀序列生成部分。

第二步：在幀序列生成部分，將UART串口接收到的一幀消息按字段拆分存入相應(yīng)寄存器內(nèi)。按照消息幀輸出的時(shí)序要求，先輸出固定的4脈沖報(bào)頭，再依次輸出DF、CA、AA、ME和PI字段。在按位取出各字段的數(shù)據(jù)比特時(shí)，進(jìn)行脈沖位置編碼，由計(jì)數(shù)器生成單個(gè)比特1/0對(duì)應(yīng)的時(shí)序波形，產(chǎn)生120us的ADS-B基帶信號(hào)。

圖3 基帶信號(hào)生成模塊RTL圖

3.3 射頻調(diào)制模塊

本設(shè)計(jì)選用ADF4351產(chǎn)生1090MHz的本振信號(hào)，選用射頻開關(guān)HMC435AMS8G完成基帶信號(hào)和本振信號(hào)的2ASK調(diào)制。

ADF4351是ADI公司推出的一款內(nèi)置低相位噪聲VCO的寬帶頻率合成器，輸出頻率范圍為35MHz～4400MHz[5-6]。該芯片尺寸僅有5×5mm，內(nèi)部集成鑒相器和VCO，外圍只需再設(shè)計(jì)一個(gè)環(huán)路濾波器即可完成鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)，不僅降低電路設(shè)計(jì)復(fù)雜度，也大大減少該模塊的占用面積，原理圖如圖4所示。此外片內(nèi)所有寄存器通過DATA，CLOCK，LE三線串行接口控制，簡單且易于編程，本設(shè)計(jì)通過FPGA配置寄存器，可得到1090MHz的本振信號(hào)。

圖4 環(huán)路濾波器原理圖

HMC435AMS8G是HITTITE公司的單刀雙擲開關(guān)芯片，工作帶寬為DC-4 GHz，當(dāng)控制端A、B分別為0V、+5V時(shí)，RF1通道輸出；反之，RF2通道輸出。圖5是調(diào)制電路原理圖，當(dāng)TARGET的邏輯電平為“1”時(shí)(電平值約為+3.3V)，高電平經(jīng)雙路反相器轉(zhuǎn)換后得到0V和+5V兩路電平信號(hào)，分別接通開關(guān)芯片的A、B通道，此時(shí)信號(hào)通過RF1通道輸出；反之，接通RF2通道，即RF_OUT輸出為零。

圖5 2ASK調(diào)制電路原理圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 主程序設(shè)計(jì)流程

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)三種ADS-B消息的編碼和發(fā)送：空中位置消息、空中速度消息以及身份識(shí)別和類

型消息，主程序設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

初始化內(nèi)容包括：UART串口1、2初始化，分別用于Nios II與GPS、RTL的通信；ADF4351的寄存器配置初始化；CRC查找表初始化，預(yù)先計(jì)算出每個(gè)字節(jié)CRC編碼的中間結(jié)果，提高運(yùn)算效率；TIMER中斷初始化，用于控制ADS-B消息的發(fā)送速率；消息發(fā)送緩存初始化。

圖6 主程序設(shè)計(jì)流程

4.2 CRC校驗(yàn)編碼

ADS-B幀的最后24比特為校驗(yàn)位PI，采取CRC校驗(yàn)編碼，為之前的88比特信息提供檢錯(cuò)與糾錯(cuò)能力。CRC的生成多項(xiàng)式如式(1)所示，對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制表示為0xFFF409(不含最高位)。

G(x)=x24+x23+x22+x21+x20+x19+x18+x17+x16+x15+x14+x13+x12+x10+x3+1

(1)

本設(shè)計(jì)在編碼時(shí)，采用單字節(jié)查表法，即以字節(jié)為單位，將每個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)碼計(jì)算出來放入一個(gè)表中。編碼時(shí)每次只處理一個(gè)字節(jié)，從表中查找對(duì)應(yīng)的值后再進(jìn)行下一字節(jié)的處理，直至將所有字節(jié)處理完，此時(shí)CRC寄存器存放的數(shù)據(jù)就是校驗(yàn)碼。采用查表法可以大大提高運(yùn)算效率。

設(shè)要進(jìn)行CRC編碼的數(shù)據(jù)流為D(i)(i=1，2n，單字節(jié)為單位)，對(duì)應(yīng)CRC碼為R(i)，余數(shù)初始值R(0)，結(jié)果異或值XOR。編碼步驟為：

(1)初始化查找表crcTable，便于第(3)步查表。

(2)設(shè)置CRC寄存器R，并賦初始余數(shù)值R(0)。

(3)將D(i)與R(i-1)的高8位異或，并進(jìn)行查表。其中，初始i=1。

(4)將R(i-1)左移8位并與第(3)步查表得到的24位校驗(yàn)碼進(jìn)行異或運(yùn)算，得到第i個(gè)字節(jié)的CRC碼R(i)。

(5)重復(fù)第(3)(4)步，直到n個(gè)字節(jié)全部處理完成。

(6)最終的校驗(yàn)碼PI由R(n)與XOR進(jìn)行異或得到。

4.3 消息速率控制

ADS-B消息的最大發(fā)射頻率不會(huì)超過每秒6.2個(gè)消息，即平均每秒2個(gè)空中位置、2個(gè)空中速度、0.2個(gè)身份及2個(gè)事件驅(qū)動(dòng)消息，每個(gè)消息的發(fā)射是獨(dú)立的且與其他消息無關(guān)[3][7]。

設(shè)計(jì)時(shí)，在Qsys中添加一個(gè)TIMER用作定時(shí)器中斷，定時(shí)器節(jié)拍TIMER_TICK為200次/秒。對(duì)于不同類型消息的廣播速率，以速度消息為例，要求以0.4s～0.6s范圍的隨機(jī)間隔進(jìn)行發(fā)送，則所需定時(shí)器節(jié)拍的個(gè)數(shù)為80～120，此范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)rand可通過調(diào)用rand()函數(shù)產(chǎn)生，即rand = 80 + rand()% 40。當(dāng)定時(shí)器節(jié)拍計(jì)數(shù)tick達(dá)到rand時(shí)，速度消息發(fā)送標(biāo)志flag置1，發(fā)送空中速度消息，從而相鄰兩個(gè)空中速度消息的發(fā)送間隔為rand *5 ms。采用隨機(jī)間隔而不是一個(gè)固定值廣播發(fā)送，可以有效減少ADS-B信號(hào)之間的同步串?dāng)_，大大降低信號(hào)混疊的概率[8]。定時(shí)器中斷函數(shù)流程圖如圖7所示。

圖7 定時(shí)器中斷函數(shù)流程圖

5 電路實(shí)物和測試結(jié)果

ADS-B信號(hào)發(fā)生器的電路實(shí)物如圖8所示，大小僅為7.7×4.9cm；圖9為射頻信號(hào)的頻譜圖和瀑布圖；圖10為調(diào)制信號(hào)和射頻輸出波形圖，均滿足規(guī)范要求。使用第三方的ADS-B接收設(shè)備可正確接收和解析該ADS-B信號(hào)發(fā)生器廣播的報(bào)文。

圖8 電路實(shí)物圖

圖9 輸出頻譜圖(右)和瀑布圖(左)

圖10 調(diào)制信號(hào)和射頻輸出波形

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的ADS-B信號(hào)發(fā)生器，可通過GPS模塊獲取定位數(shù)據(jù)，對(duì)外發(fā)送不同類型消息的1090ES ADS-B報(bào)文，發(fā)送速率和幀格式滿足RTCA DO-260A標(biāo)準(zhǔn)要求；在結(jié)構(gòu)上采用FPGA和Nios II軟核架構(gòu)，具有成本低、功耗低、小巧緊湊、方便集成等特點(diǎn)，配以相應(yīng)的濾波和功放模塊，即可部署在各種類型的航空飛行器上，有效助力空域安全與監(jiān)管。