周建紅 劉曉斌 張 超

(電子科技大學(xué) 成都 611731)

1 引言

我國民航傳統(tǒng)的空管系統(tǒng)主要是基于一次雷達(dá)系統(tǒng)和二次監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)的雷達(dá)監(jiān)管系統(tǒng)。雷達(dá)系統(tǒng)造價昂貴，覆蓋面積有限，功能有限。而基于模式S的廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)(ADS-B)是ICAO在新航行系統(tǒng)中所推薦的一種新興的航行監(jiān)視技術(shù)，是空管監(jiān)視領(lǐng)域的一項革命性技術(shù)［1］。ADS-B系統(tǒng)不僅成功應(yīng)用于無雷達(dá)區(qū)域的遠(yuǎn)程航空器運行監(jiān)視，而且與傳統(tǒng)雷達(dá)監(jiān)視技術(shù)相比，ADS-B技術(shù)具有使用成本低、精度誤差小、監(jiān)視能力強(qiáng)等明顯優(yōu)勢，對于高密度飛行區(qū)域的空中交通服務(wù)有著廣泛的應(yīng)用前景［2，3，4］。

由于模式S應(yīng)答信號由機(jī)載異頻收發(fā)機(jī)經(jīng)過脈沖位置編碼發(fā)送，在高A/C應(yīng)答fruit交疊的環(huán)境下，可能使模式S的ADS-B系統(tǒng)的應(yīng)答信號被地面處理器接收后，會產(chǎn)生一些錯誤位，從而必須對ADS-B系統(tǒng)應(yīng)答信號的每個比特位進(jìn)行糾錯處理。

2 ADS-B系統(tǒng)基帶數(shù)字信號處理流程

ADS-B是一種基于全球定位系統(tǒng)(GNSS)和利用空-地、空-空數(shù)據(jù)鏈來完成交通監(jiān)視和信息傳遞的一種航行新技術(shù)系統(tǒng)。ADS-B使用機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)得到飛機(jī)的精確位置和速度信息，利用機(jī)載電子設(shè)備向外周期性地廣播飛機(jī)的呼號、位置、速度和其它一些參數(shù)信息。通過空地數(shù)據(jù)鏈，地面站接收這些信息并處理后，傳給管制中心，實現(xiàn)地空監(jiān)視;裝有ADS-B設(shè)備的飛機(jī)也可以通過機(jī)載電子設(shè)備接收附近ADS-B飛機(jī)的廣播信息，實現(xiàn)空空監(jiān)視。ADS-B系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 ADS-B系統(tǒng)工作原理示意圖

如圖2所示:ADS-B系統(tǒng)基帶數(shù)字信號處理可分為FPGA處理部分和ARM處理部分。

圖2 ADS-B系統(tǒng)基帶數(shù)字信號處理流程圖

在基帶數(shù)字信號處理前，信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器，把模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，便于在FPGA中處理。

FPGA處理流程為:首先是檢測ADS-B應(yīng)答信號幀頭，確定ADS-B信號的存在性，其次是ADS-B應(yīng)答信號位置信度的判定與提取，最后是檢測應(yīng)答信號，如果檢測出有錯誤的比特位，則糾正錯誤的比特位。

ARM處理流程:由于ADS-B系統(tǒng)具有消息交換的功能，不僅要處理發(fā)送自身飛行的各種信息數(shù)據(jù)，還要處理接收到的其它飛行器的ADS-B系統(tǒng)廣播的數(shù)據(jù)，進(jìn)行信息融合處理，同時上傳到顯示設(shè)備或其他功能設(shè)備，實現(xiàn)防撞燈方面的安全處理。這些功能的實現(xiàn)就需要ARM來處理。

3 循環(huán)冗余編碼(CRC)的工作原理

循環(huán)冗余編碼(CRC)是一種常用的冗余編碼，是在二進(jìn)制通信系統(tǒng)中常用的差錯檢測方法，它是通過在原始數(shù)據(jù)后加冗余校驗碼來檢測差錯，冗余位越多，檢驗出傳輸錯誤的機(jī)率越大。

CRC校驗的基本思想是利用線性編碼理論。在發(fā)送端，根據(jù)要傳送的k位二進(jìn)制碼序列，以一定的規(guī)則產(chǎn)生一個校驗用的r位監(jiān)督碼(即CRC碼)，并附在信息位后面，構(gòu)成一個新的共n=k+r位的二進(jìn)制碼序列，最后發(fā)送出去。這種編碼又叫(n，k)碼。對于一個給定的(n，k)碼，可以證明存在一個最高次冪為r的多項式G(x)。根據(jù)G(x)可以生成k位信息的校驗碼，而G(x)叫做這個CRC碼的生成多項式［5］。常見的生成多項式如表1所示。

校驗碼生成過程為:發(fā)送方與接收方事先約定一個生成多項式G(x)，該多項式作為除數(shù)多項式。假設(shè)發(fā)送信息用信息多項式P(x)表示，將P(x)左移r位得到M(x)，這樣P(x)的右邊就會空出r位，這就是校驗碼的位置。通過M(x)除以多項式G(x)得到的余數(shù)就是校驗碼R(x)。R(x)可表示為:

其中mod表示模二求余運算［6］。

假設(shè)發(fā)送方發(fā)送碼字為S(x)，則有:

其中n和k分別是發(fā)送碼字和消息對應(yīng)的二進(jìn)制序列的比特數(shù)，即發(fā)送碼字S(x)由k位比特消息碼與后面跟著n-k位校驗碼組成。在接收端，接收碼字S'(x)同樣被G(x)去除，得到R'(x):

檢查R'(x)是否為一個常數(shù)(通常為0)，如果R'(x)為一個常數(shù)，就認(rèn)為傳輸正確，否則就認(rèn)為傳輸中發(fā)生錯誤。

表1 常見的生成多項式

4 糾錯算法設(shè)計

4.1 ADS-B應(yīng)答信號編碼

基于模式S的ADS-B應(yīng)答信號采用CRC編碼方式，每一個ADS-B應(yīng)答信號(56位/112位)，都由數(shù)據(jù)位(32位/88位)和校驗碼(24位)組合生成?；谀Ｊ絊的ADS-B系統(tǒng)下行數(shù)據(jù)鏈采用一種改進(jìn)的(縮短的)使用下列生成多項式的(112，88)(即n=112，k=88)CRC 編碼。

ADS-B接收機(jī)系統(tǒng)在收到應(yīng)答信號后解出地址和校驗位以判斷數(shù)據(jù)和地址是否被正確傳輸，如果發(fā)生錯誤，然后采用一定的糾錯技術(shù)對應(yīng)答信號進(jìn)行修正。

4.2 置信度判定

基于模式S的ADS-B系統(tǒng)下行數(shù)據(jù)鏈信號是脈沖位置調(diào)制的，即對于任一比特位，脈沖能量出現(xiàn)在前0.5μs區(qū)間內(nèi)表示為”1”，出現(xiàn)在后0.5μs區(qū)間內(nèi)表示為”0”。因此，我們可以通過比較ADS-B應(yīng)答信號任一比特位的前0.5μs區(qū)間內(nèi)信號強(qiáng)度是否大于它的第二個0.5μs區(qū)間內(nèi)信號強(qiáng)度，若大于則判為二進(jìn)制1，否則判為二進(jìn)制0。目前有多種方法可以實現(xiàn)這種判定，為了提高置信度判定的準(zhǔn)確性，這里采用基線多樣點算法［7］。基線多樣點算法充分利用了每個比特位的所有10個采樣值。最高的分?jǐn)?shù)決定比特位的值，如果相等則為比特”0”。如果差值大于等于3［7］則為高置信度，否則為低置信度。這樣我們就得到了應(yīng)答信號的碼字?jǐn)?shù)組和每個碼字對應(yīng)的置信度信息［8］。

4.3 ADS-B應(yīng)答信號糾錯

由于模式S使用了飛機(jī)地址點名的詢問機(jī)制，要求信息在單次傳輸中有效地實現(xiàn)，這就要求基于模式S的 ADS-B系統(tǒng)具有糾錯功能。因此，在ADS-B系統(tǒng)中，完成前面的數(shù)據(jù)幀頭檢測、數(shù)據(jù)位置信度判定后，還需對應(yīng)答信號進(jìn)行有效的糾錯。

目前常見的糾錯技術(shù)［9］有三種:第一個是“Conservative”技術(shù)，它是基于現(xiàn)有的滑動窗技術(shù)，只能對24比特窗內(nèi)里的比特位進(jìn)行糾錯，這個約束限制了它只能應(yīng)用于只有一個較強(qiáng)的A/C fruit與之交迭的情況。第二個是“Whole Message”技術(shù)，它將整個A/C fruit對比特位和置信度判定的影響模型化;第三個是“Brute Force”技術(shù)，它是針對隨機(jī)分布的不超過d-1(d為CRC碼的漢明距離)比特的錯誤圖樣。

“Brute Force”技術(shù)糾錯原理［7，9］:循環(huán)冗余校驗碼的不同比特位發(fā)生錯誤時，應(yīng)該使余數(shù)不同，即每一個錯誤位置對應(yīng)一個唯一的CRC校正子，并且對這些單個位校正子進(jìn)行組合(異或)以后，得到那個組合的錯誤校正子。如果已經(jīng)正確地完成置信度判定，那么應(yīng)答信號所有可能的錯誤應(yīng)該只出現(xiàn)在低置信度比特位上。于是嘗試結(jié)合所有低置信度比特位對應(yīng)的校正子，然后接收與錯誤校正子匹配的那一個組合(假設(shè)只有一個成功匹配，如果有兩個或多個匹配，就丟棄該信號)，最后把這個組合對應(yīng)的那些低置信度比特位取反即完成糾錯。

基于處理時間和未檢錯率考慮，“Brute Force”技術(shù)限定要處理的低置信度比特位數(shù)的最大值為d-1(d為CRC碼的漢明距離)。如果應(yīng)答信號里有n個低置信度比特位，則需要考慮的組合數(shù)為:

未檢錯率與情況的數(shù)量成正比，即也按n的指數(shù)增長。

由于ADS-B應(yīng)答信號采用(112，88)CRC編碼，而(112，88)CRC碼的漢明距離是6，這意味著如果應(yīng)答信號錯誤比特位個數(shù)小于或等于5，那么就沒有任何未檢測到的錯誤。因此，本文在第三種技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了一種基于循環(huán)冗余編碼(CRC)的糾錯算法，其基本思想是:首先利用CRC進(jìn)行檢錯，如果檢出有錯，然后采用“Brute Force”技術(shù)嘗試所有低置信度比特位的單個位校正子的組合校驗子(如果低置信度比特位個數(shù)超過5個，則直接丟棄該應(yīng)答信號)，把這些組合校驗子與錯誤校正子相比對，相等時，則將產(chǎn)生該組合校正子對應(yīng)的比特位取反即完成糾錯，最后輸出正確的ADS-B應(yīng)答信號。基于此，糾錯算法信號處理流程如圖3所示。

圖3 糾錯算法信號處理流程圖

5 FPGA實現(xiàn)

5.1 邏輯設(shè)計

基于循環(huán)冗余編碼(CRC)對ADS-B系統(tǒng)應(yīng)答信號進(jìn)行糾錯處理。將112位或56位ADS-B應(yīng)答信號經(jīng)過某特定的生成多項式G(x)，得到錯誤校正子R。當(dāng)R為零時，表明應(yīng)答信號正確，直接接收信號;當(dāng)R不為零時，表明應(yīng)答信號有錯誤，進(jìn)而進(jìn)行糾錯處理。其FPGA邏輯設(shè)計方案如圖4所示，各個模塊的名稱及功能如表2所示。

圖4 糾錯算法FPGA邏輯設(shè)計方案框圖

表2 模塊列表

5.2 仿真驗證

在完成算法設(shè)計后，為了驗證方案的合理性，本文首先采用Verilog HDL語言描述糾錯算法，然后聯(lián)合Xilinx公司的ISE軟件與Mentor公司的Modelsim軟件對其進(jìn)行了電路功能仿真實驗。糾錯算法的功能仿真結(jié)果如圖5所示。仿真中只保留了關(guān)鍵信號，從圖5中可知，糾錯模塊輸入了有效的112位比特位信號(信號signal)，且這112位中有4個比特位的置信度為低置信度(信號signal-con有4個低電平，當(dāng)signal-con為低電平時，相應(yīng)的比特位的置信度為低置信度，當(dāng)signal-con為高電平時，相應(yīng)比特位的置信度為高置信度)。經(jīng)過糾錯模塊處理后，低置信度位對應(yīng)的比特位都被取反，輸出正確的112位比特位(信號right-code)。舉例說明:經(jīng)過前面的置信度提取模塊處理后輸出的比特位(圖中數(shù)字標(biāo)記1旁)為低置信度的比特位‘1’，但是經(jīng)過糾錯模塊后(標(biāo)記3旁的長方形)輸出比特位‘0’。同理，數(shù)字標(biāo)記2中的低置信度的比特位，經(jīng)過糾錯模塊后同樣被取反(圖中數(shù)字標(biāo)記4中對應(yīng)的比特位)，因此表明上述算法能夠?qū)崿F(xiàn)對ADS-B應(yīng)答信號的糾錯功能。圖6為用ISE軟件綜合得到的算法整體設(shè)計的RTL級電路。

圖5 糾錯算法功能仿真圖

圖6 整體設(shè)計的RTL電路圖

6 結(jié)束語

本文討論了基于模式S的ADS-B系統(tǒng)基帶數(shù)字信號處理中的糾錯算法，并給出了實現(xiàn)該算法的電路方案。然后采用Verilog HDL語言完成了算法設(shè)計，通過電路仿真實驗驗證了該算法的可行性。實驗結(jié)果表明此算法能夠正確地檢測出ADS-B應(yīng)答信號在傳輸過程中出錯的比特位，并糾正其錯誤，有效地保證了ADS-B應(yīng)答信號傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

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