(中國民航大學(xué) 智能信號與圖像處理天津市重點實驗室，天津 300300)

1 引 言

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B)是基于飛機導(dǎo)航信息的應(yīng)用系統(tǒng)，被國際民航組織(International Civil Aviation Organization,ICAO)確定為正在推廣的新航行系統(tǒng)的主要監(jiān)視手段[1]。來自飛機的ADS-B信息以ADS-B報文形式，通過數(shù)據(jù)鏈自動向地面或其他飛機廣播飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)(包括呼號、經(jīng)緯度、高度、速度矢量、飛行意圖等)，可在無雷達區(qū)獨立提供監(jiān)視服務(wù)，也可在雷達覆蓋區(qū)補盲或進行雙重/多重覆蓋，以達到提高監(jiān)視精度的目的[2]。對于數(shù)據(jù)鏈形式，ICAO推薦ADS-B報文采用1 090 MHz S模式擴展電文數(shù)據(jù)鏈(1090ES)傳輸。在此基礎(chǔ)上，美國航空無線電委員會(Radio Technical Commission for Aeronautics,RTCA)制定了DO-260B標準對基于1090ES的ADS-B系統(tǒng)性能進行了詳細規(guī)定[3]，中國民航局對ADS-B接收機也有相應(yīng)的技術(shù)要求[4]。

眾所周知，監(jiān)視精度提高的必要條件與前提是穩(wěn)定可靠的ADS-B接收機接收性能，而對接收機性能的高效可靠測試是保障接收機具有穩(wěn)定可靠接收性能的重要環(huán)節(jié)。目前大多數(shù)研究主要針對ADS-B接收機的實現(xiàn)[5-7]和對ADS-B接收的信息處理[8-9]，而對ADS-B接收機性能的自動測試系統(tǒng)及其實現(xiàn)缺乏討論。為滿足DO-260B標準對ADS-B系統(tǒng)技術(shù)要求和民航局對ADS-B接收機測試要求，本文針對ADS-B自動測試系統(tǒng)設(shè)計研制，詳細論述其設(shè)計架構(gòu)、實現(xiàn)方法和實驗測試情況，對該測試系統(tǒng)的性能進行分析。

2 系統(tǒng)設(shè)計

參照DO-260B標準和民航局標準要求，需要設(shè)計一款便攜式1090ES ADS-B接收機測試系統(tǒng)，同時具備1090ES ADS-B信號輸出和接收機重要指標自動測量功能。主要體現(xiàn)在：第一，系統(tǒng)可以生成含600批次目標的中頻和射頻兩種形式的1090ES ADS-B信號，其中射頻信號頻率和功率可調(diào)整(頻率范圍1 065～1 115 MHz，調(diào)整間隔0.5 MHz；功率范圍-60～10 dBm，步進1 dBm)；第二，系統(tǒng)可以接收被測接收機解算出的DF17報文數(shù)據(jù)，自動測試分析被測接收機的相關(guān)性能參數(shù)；第三，系統(tǒng)提供人機接口來設(shè)置相關(guān)參數(shù)。

系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示，主要分為兩個部分：一是上位機部分，主要完成自動測試設(shè)置和結(jié)果輸出；二是ADS-B射頻信號生成部分，由ADS-B報文生成器、射頻電路和單片機等部分組成，主要生成測試用1090ES ADS-B中頻和射頻信號。

圖1 接收機自動測試系統(tǒng)設(shè)計方框圖Fig.1 Block diagram of automatic test system for ADS-B receiver

各個部分功能總結(jié)如下：

(1)上位機

通過串口和ADS-B報文生成器進行雙向通信，給ADS-B報文生成器發(fā)送原始飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)和控制信息，并接收ADS-B報文生成器和射頻電路的狀態(tài)信息；通過網(wǎng)絡(luò)從被測ADS-B接收機接收解算報文數(shù)據(jù)，比較接收數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)，給出測試結(jié)果。

(2)ADS-B報文生成器

提供與上位機和單片機通信的串口，接收原始飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)和控制信息，在控制信息控制下生成ADS-B報文，并進行中頻調(diào)制生成數(shù)字中頻信號。

(3)射頻電路

電路的增益、工作方式受單片機的控制，將ADS-B報文生成器輸出的數(shù)字中頻信號轉(zhuǎn)換成模擬中頻信號，并上變頻至射頻信號，在單片機的控制下對射頻信號的輸出頻率和功率進行控制。

(4)單片機控制系統(tǒng)：接收測試設(shè)置命令，生成ADS-B報文生成器和射頻電路的控制信號，并接收它們的狀態(tài)反饋信息，以可視化的形式反饋系統(tǒng)狀態(tài)信息。

3 硬件設(shè)計

3.1 工作原理及電路組成

為了生成符合系統(tǒng)測試要求的射頻信號，應(yīng)答機的1090ES ADS-B信號格式與S模式應(yīng)答機發(fā)射信號格式類似[6]，采用下行鏈路DF17格式。依此原則，本文所設(shè)計的ADS-B報文生成器對來自上位機的飛行數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換、壓縮編碼等，形成112位報文數(shù)據(jù)脈沖，插入前導(dǎo)脈沖形成ADS-B信號幀，之后進行10 MHz數(shù)字中頻調(diào)制，由數(shù)模轉(zhuǎn)換后經(jīng)射頻調(diào)制、濾波、放大，最終生成指定頻率、功率的ADS-B射頻信號。

所設(shè)計的ADS-B射頻信號生成器如圖2所示，主要包含ADS-B報文生成器、射頻電路、單片機控制系統(tǒng)、供電電路、自檢電路。為方便說明，下面對系統(tǒng)所涉模塊的原理及功能進行簡要敘述。

圖2 ADS-B射頻信號生成器硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural diagram of ADS-B RF signal generator

3.2 ADS-B報文生成器

ADS-B報文生成器以XILINX公司生產(chǎn)的XC7A200T FPGA(Field Programmable Gate Array)為核心，一方面將ADS-B報文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成脈沖信號，并進行數(shù)字調(diào)制，生成ADS-B數(shù)字中頻信號，輸出給與射頻電路接口的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)；另一方面，通過自檢測試，接收自檢電路的中頻信號輸出，并在FPGA進行比較，形成對整個信號生成電路的閉環(huán)測試。

FPGA中總共提供兩個串口與其他模塊通信：串口1可用于與上位機和單片機通信，用來傳輸上位機控制命令；串口2用于接收上位機發(fā)送的飛行數(shù)據(jù)?？紤]到通信過程中的飛行數(shù)據(jù)量大，為滿足測試需要，必須對串口2指標進行估算。

按照技術(shù)指標要求，ADS-B接收機測試系統(tǒng)最大模擬飛機數(shù)為600架，每架飛機每秒最大發(fā)送6.2條消息[10]，每條消息14 Byte(11 Byte+3 Byte循環(huán)冗余校驗CRC位)，每字節(jié)為8 bit，考慮到奇偶校驗等需要，假設(shè)每字節(jié)需要傳10 bit，因此最大速率要求為

600×6.2×14×10 =520.8 kbit/s 。

(1)

由式(1)可知，上位機的數(shù)據(jù)串口傳輸速率大于520.8 kbit/s，而PFGA的系統(tǒng)時鐘是80 MHz，為避免上位機USB轉(zhuǎn)串口速率高于1.25 Mbit/s時給系統(tǒng)帶來不穩(wěn)定，本設(shè)計的串口2傳輸速率設(shè)為1 Mbit/s。

3.3 射頻電路

射頻電路的設(shè)計重點在于生成頻率和功率可調(diào)整的ADS-B射頻信號。如圖2所示，射頻電路對模擬中頻信號進行處理以滿足對頻率和功率的要求。射頻電路的主要模塊及參數(shù)如表1所示。

表1 射頻電路主要模塊參數(shù)Tab.1 The parameters of main RF circuit blocks

為了使射頻信號的頻率和功率可以調(diào)整，采用兩種方法。

頻率調(diào)整主要通過單片機設(shè)置ADF4351的控制寄存器來完成，ADF4351的控制寄存器值與射頻頻率之間關(guān)系為

RFout=[INT+(FRAC/MOD)]×fPFD/RFdivider,

(2)

fPFD=REFin×[(1+D)/(R×(1+T))]。

(3)

式中：RFout為ADF4351的輸出射頻頻率；fPFD為輸入到鑒相器環(huán)路的頻率；RFin為ADF4351的外接晶振頻率，此處使用50 MHz晶振；D、R、T、INT、FRAC、MOD和RFdivider為ADF4351內(nèi)部控制寄存器的值，取值范圍受寄存器位寬限制。

由式(2)與式(3)可知，可通過改變INT和FRAC控制寄存器的值，得到所有要求的射頻頻率值，從而滿足系統(tǒng)對射頻頻率范圍和調(diào)整間隔的要求。

功率調(diào)整主要通過單片機設(shè)置程控衰減PE43702器件的增益來完成。對系統(tǒng)要求的-60～10 dBm功率分兩檔進行處理，即-10～10 dBm和-60～-10 dBm。如圖2所示，當要求輸出功率處于-10～10 dBm時，信號通過射頻放大器、切換開關(guān)、PE43702；當要求輸出功率處于-60～-10 dBm時，信號通過PE43702、切換開關(guān)、PE43702，兩條功率通道均通過修改PE43702的增益來達到功率調(diào)整間隔1 dB的要求。

為了測試在不同頻率和功率設(shè)置下的輸出，實驗中采用了純載波輸出的方法對射頻電路進行了檢測。通過實驗，得到的測試結(jié)果為：頻率調(diào)整范圍為1 065～1 115 MHz，步進0.5 MHz，頻率偏差±0.02 MHz以內(nèi)；功率調(diào)整范圍-60～10 dBm，步進1 dBm，功率偏差±0.5 dBm以內(nèi)。所有的這些指標達到了測試系統(tǒng)對射頻頻率和功率所提出的指標要求。

3.4 單片機控制系統(tǒng)

單片機控制系統(tǒng)以MSP430為主控芯片，是射頻頻率和功率調(diào)整的控制核心。如圖3所示，單片機接收經(jīng)FPGA傳輸?shù)纳衔粰C命令和觸摸屏的命令，并將系統(tǒng)狀態(tài)輸出到觸摸屏上，同時進行如下工作：第一，對頻率合成器ADF4351進行頻率設(shè)定，確定輸出射頻信號的頻率；第二，對功率衰減器PE43702進行增益設(shè)定，確定輸出射頻信號的功率；第三，對射頻切換開關(guān)進行控制，按照功率檔位不同選擇不同的信號通道；第四，接收自檢電路的狀態(tài)指示。

圖3 單片機硬件連接關(guān)系圖Fig.3 Connection relationship between MCU and hardware

設(shè)計完成各個部分硬件電路后，最終的ADS-B射頻生成部分硬件電路如圖4所示。

圖4 ADS-B射頻生成部分電路圖Fig.4 Circuit photo of ADS-B RF signal generator

4 軟件設(shè)計

4.1 控制協(xié)議

為保證ADS-B報文生成器、上位機以及單片機控制系統(tǒng)之間的正常通信，對它們之間通信的數(shù)據(jù)制定了相應(yīng)的協(xié)議，通信數(shù)據(jù)均固定20 Byte長度，協(xié)議格式如表2所示。通信數(shù)據(jù)可用于控制命令和ADS-B報文數(shù)據(jù)的傳輸，不同類型的數(shù)據(jù)分配不同編碼的命令字予以區(qū)分。

表2 協(xié)議格式Tab.2 Protocol format

4.2 FPGA設(shè)計

ADS-B報文生成器需要通過串口和上位機、單片機進行通信。在軟件設(shè)計時，通過綜合Verilog語言描述的時序電路和組合邏輯電路來搭建這些模塊，并盡可能采用IP核[10]。IP核可以視為黑盒子，定義好模塊的輸入輸出信號后，即可方便使用。設(shè)計中用到串口、雙口RAM、移位寄存器等IP核。

按照1090ES ADS-B信號格式要求[6]，本節(jié)設(shè)計重點是生成由前同步脈沖和數(shù)據(jù)脈沖組成的ADS-B脈位調(diào)制信號。圖5所示為在ISE環(huán)境中調(diào)試時的ADS-B幀信號生成時序圖。信號Count80對80 MHz的系統(tǒng)時鐘分頻，得到1 μs分頻時鐘。在信號ADS_B_Sending高電平有效時，前同步脈沖發(fā)送計數(shù)器(Head_cnt)復(fù)位，并對80 MHz計數(shù)，當計數(shù)到640，即8 μs時便生成ADS_B脈沖信號(ads_b_out_bit)的前同步脈沖；接著啟動由1 μs時鐘驅(qū)動的數(shù)據(jù)位讀指針(Bit_Read_ptr)，讀取串口雙口RAM寄存器中來自上位機的88位數(shù)據(jù)，輸出到發(fā)送數(shù)據(jù)位(tx_bit)；同時，CRC生成器(crc_reg_s)對數(shù)據(jù)進行循環(huán)冗余校驗(CRC)，生成的CRC校驗位輸出到CRC數(shù)據(jù)位(crc_bit)，在數(shù)據(jù)位讀指針計到88時，此時形成的24位CRC校驗位便依次輸出到發(fā)送數(shù)據(jù)位。系統(tǒng)對發(fā)送數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)采用脈沖位置編碼(Pulse Position Modulation，PPM)，輸出至ADS_B脈沖信號上，當數(shù)據(jù)位讀指針計到112時，脈位編碼終止，生成112 μs的數(shù)據(jù)脈沖，與8 μs的前同步脈沖形成完整的120 μs ADS-B脈位調(diào)制信號。將生成的ADS_B脈位調(diào)制信號控制一10 MHz頻率源輸出，從而產(chǎn)生了10 MHz的ADS-B數(shù)字中頻信號。

圖5 ADS-B幀信號生成時序圖Fig.5 Timing diagram of an ADS-B frame signal

圖5中，在標尺T和X之間可以看到ads_b_out_bit的8 μs前同步脈沖和前8位數(shù)據(jù)10001101，其中10001表示DF17格式數(shù)據(jù)，101為設(shè)備能力。出于控制方便考慮，前同步脈沖發(fā)送計數(shù)器和數(shù)據(jù)位讀指針計數(shù)終值不是640和112，而選擇了642和113。

4.3 單片機軟件設(shè)計

單片機軟件的核心任務(wù)是將頻率和功率命令轉(zhuǎn)換成相關(guān)射頻元件的控制字，主程序流程圖如圖6所示：完成系統(tǒng)初始化，并接收來自觸摸屏(HMI)和通過FPGA送來的上位機命令，將命令轉(zhuǎn)換成射頻電路芯片對應(yīng)的控制字，更新HMI顯示。

圖6 單片機主程序流程圖Fig.6 Flow chart of main MCU program

在3.3節(jié)中已討論了頻率和功率的設(shè)置原理，程序中按照此原理將頻率和功率命令轉(zhuǎn)換成相關(guān)射頻元件的控制字：頻率設(shè)定時，預(yù)先存儲ADF4351控制寄存器值和頻率之間的關(guān)系表，以設(shè)定頻率值為索引，得到控制寄存器的設(shè)定值，并通過串口對寄存器值進行設(shè)定；功率設(shè)定時，同樣預(yù)先存儲切換開關(guān)狀態(tài)、放大器狀態(tài)、兩PE43702控制字和功率之間的關(guān)系表，以功率值為索引即可得到相關(guān)射頻元件的控制狀態(tài)。

4.4 上位機軟件設(shè)計

上位機是實現(xiàn)自動測試功能的核心，具體功能可分為：提供自動測試設(shè)置與結(jié)果顯示的人機接口；控制ADS-B射頻信號發(fā)生部分的工作狀態(tài)；接收待測接收機解算報文。

上位機的軟件設(shè)計是基于Visual Studio 2012環(huán)境，采用C#語言[11]編寫，可以實現(xiàn)自動定時改變測試參數(shù)，并記錄發(fā)送報文數(shù)量，同時也自動統(tǒng)計從后臺線程中收到解算報文的數(shù)量，繪制出測試圖表。

為了方便顯示，上位機主要圖形界面包括兩個窗體和一個圖表控件，其中兩個窗體分別對應(yīng)控制臺界面和接收機關(guān)鍵技術(shù)指標測試界面，并實現(xiàn)測試結(jié)果圖表輸出。在控制臺界面中實現(xiàn)對ADS-B射頻信號發(fā)生器相關(guān)的參數(shù)進行設(shè)置，如圖7所示，界面分為左右兩部分，左邊界面主要包含發(fā)送、自檢電路接收到的ADS-B報文信息顯示；右邊界面則包含對系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定。其次是接收機關(guān)鍵技術(shù)指標測試界面的設(shè)計，在控制臺界面中有“接收機關(guān)鍵技術(shù)指標測試”界面的按鈕。

圖7 ADS-B接收機測試系統(tǒng)信號控制臺界面Fig.7 Setting interface of test system for ADS-B receiver

在接收機關(guān)鍵技術(shù)指標測試界面中實現(xiàn)對TCP端口和測試參數(shù)的設(shè)置。如圖8所示，接收機關(guān)鍵技術(shù)指標測試界面同樣分為左右兩部分，左邊界面顯示發(fā)送原始報文數(shù)據(jù)和被測ADS-B接收機發(fā)送過來的報文數(shù)據(jù)；右邊界面主要是對關(guān)鍵技術(shù)指標進行測試時的設(shè)置，包含丟包率、靈敏度、接收機帶寬測試。上位機可按照設(shè)定參數(shù)自動修改頻率、功率命令值，在各點發(fā)送指定條數(shù)報文，并統(tǒng)計由網(wǎng)口接收到的被測接收機解算報文條數(shù)，實現(xiàn)對各點丟包率的統(tǒng)計，此時上位機自動將測試條件和丟包率數(shù)據(jù)綁定到圖表中，生成關(guān)鍵指標測試圖表。

圖8 ADS-B接收機關(guān)鍵技術(shù)指標測試界面Fig.8 Testing interface of key parameters for ADS-B receiver

5 系統(tǒng)測試

5.1 測試系統(tǒng)搭建

依標準要求，選擇了一款市面常見的、可從網(wǎng)口輸出ADS-B原始報文信息的接收機。在和本文設(shè)計的ADS-B測試系統(tǒng)連接時，ADS-B射頻信號發(fā)出器的射頻輸出口經(jīng)外部固定衰減器與被測ADS-B接收機的射頻輸入口有線連接，上位機通過USB-串口轉(zhuǎn)換器與ADS-B射頻信號生成器的兩串口相連，上位機與被測ADS-B接收機網(wǎng)線連接。搭建ADS-B接收機測試系統(tǒng)如圖9所示，測試系統(tǒng)中還包含信號發(fā)生器、示波器和頻譜儀等測試設(shè)備，目的是對ADS-B射頻信號生成器進行測試。

圖9 ADS-B接收機測試系統(tǒng)Fig.9 Test system for ADS-B receiver

5.2 接收機測試結(jié)果

丟包率參數(shù)對ADS-B接收機的可靠監(jiān)控很重要，丟包率過高會導(dǎo)致受監(jiān)控對象航跡缺失，甚至?xí)G失一些監(jiān)控對象，這樣會嚴重影響到航空安全，因此丟包率是接收機重要的性能參數(shù)。實驗測試時，首先進行丟包率手動測試。設(shè)置系統(tǒng)輸出1 090 MHz、功率-81 dBm的ADS-B信號，每次發(fā)送一定數(shù)量的ADS-B報文，測試正確接收到的報文條數(shù)，計算丟包率。測試結(jié)果如表3所示，可以看到丟包率數(shù)值基本穩(wěn)定，由于測試條數(shù)有限而且環(huán)境隨機變化，在數(shù)值上稍有變化，證明整個測試系統(tǒng)可以對丟包率有效測試。

表3 多次測試丟包率結(jié)果Tab.3 Test results of packet loss rate

對靈敏度進行自動測試時，設(shè)置系統(tǒng)輸出頻率1 090 MHz、功率范圍-89～-79 dBm、步進1 dBm的ADS-B信號，自動測試在不同功率點下的丟包率，按照標準[4]，將丟包率低于10%的最小功率作為靈敏度，測試結(jié)果如圖10所示，可見測得的丟包率變化曲線符合ADS-B接收機接收性能特點，且成功測出被測接收機的靈敏度為-84 dBm。

圖10 靈敏度自動測試結(jié)果Fig.10 Automatic test results of sensitivity

對接收機帶寬自動測試時，設(shè)置系統(tǒng)輸出頻率1 080～1 100 MHz、步進1 MHz、功率固定的ADS-B信號，自動測試在不同頻率點下的丟包率，測試結(jié)果如圖11和圖12所示。在-83 dBm時，接收機帶寬為10 MHz；在-73 dBm時，接收機帶寬為16 MHz?？梢钥吹皆诓煌β蕰r，按丟包率低于10%的最大帶寬來看，接收機接收帶寬是不同的，符合標準要求。

圖11 -83 dBm接收機帶寬自動測試結(jié)果Fig.11 Automatic test results of receiver bandwidth at -83 dBm

圖12 -73 dBm接收機帶寬自動測試結(jié)果Fig.12 Automatic test results of receiver bandwidth at -73 dBm

6 結(jié)束語

1090ES ADS-B是ICAO確認的新航行系統(tǒng)重要監(jiān)視手段，實現(xiàn)ADS-B接收機自動測試有著明顯的現(xiàn)實意義。本文提出并搭建了ADS-B接收機自動測試系統(tǒng)，系統(tǒng)由參數(shù)可調(diào)的ADS-B射頻信號生成部分和進行測試設(shè)置與測試結(jié)果統(tǒng)計顯示的上位機部分組成。具體系統(tǒng)實現(xiàn)時，一方面，基于現(xiàn)場可編程門陣列FPGA和單片機MSP430實現(xiàn)頻率和功率可設(shè)置的ADS-B射頻信號生成；另一方面，采用C#語言編寫上位機程序?qū)崿F(xiàn)對接收機靈敏度和接收機帶寬等關(guān)鍵技術(shù)指標的自動測試。

系統(tǒng)所設(shè)計的具有自檢功能的ADS-B射頻信號生成部分對ADS-B收發(fā)機設(shè)計有一定的借鑒意義。下一步工作是完善對ADS-B接收機其他性能指標的自動測試。