摘要：本文提出了一種基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）技術(shù)的自動相關(guān)監(jiān)視廣播（ADS-B）信號解碼方法。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)答信息整合成飛機的同步應(yīng)答組以形成應(yīng)答報告，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：TN 911.7 文獻標志碼：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地面站具備實時接收裝備有1090ES發(fā)射機的航空器或地面移動單元發(fā)出的ADS-B廣播信號的能力，能夠提供目標的識別信息（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)，能夠進行航路監(jiān)視，并為空中交通管制部門提供連續(xù)且準確的航空管制信息[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，系統(tǒng)主要由四個核心部分組成：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去除四部分�；诖�，系統(tǒng)生成單次應(yīng)答回波的點跡信息，便于后續(xù)航跡處理完成目標應(yīng)答的凝聚、航跡濾波等相關(guān)的處理，展現(xiàn)出良好的處理實時性和對復(fù)雜數(shù)據(jù)處理能力。
1 方案設(shè)計
ADS-B信號解碼器的核心功能實現(xiàn)如下：數(shù)字中頻處理、應(yīng)答預(yù)處理、ADS-B解碼處理、全機定時/方位與模式信號的生成以及反窄處理。最終，解碼器將包含處理信號的BIT信息的應(yīng)答報告發(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，整個分系統(tǒng)僅由一個基于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負責信號的中頻采樣，而FPGA C則承擔方位、定時與模式信號的生成，解碼處理以及反窄處理等任務(wù)，如圖1所示。
2 解碼實現(xiàn)
2.1 中頻采樣
采用80 MHz的時鐘頻率，對輸入的Σ、△、Ω三個通道的60 MHz中頻信號進行采樣，以生成三個通道的14位I/Q信號。采用AD6645ASQ-80型號的A/D轉(zhuǎn)換器（CADC），其最大采樣速率可達105MSPS，能夠處理最高200 MHz的中頻輸入，且中頻信號的帶寬可達到40 MHz，同時實現(xiàn)75 dB的信噪比（SNR）和89 dB的無雜散動態(tài)范圍（SFDR），如圖2所示。
通-過數(shù)字本振（NCO）和乘法器實現(xiàn)混頻和正交I/Q解調(diào)，再通過數(shù)字FIR濾波器進行低通濾波，從而得到基帶I/Q信號。接著對Σ、△、Ω三個通道的信號執(zhí)行求模運算和求對數(shù)運算，分別得到三個通道的信號幅度值。
2.2 ADS-B應(yīng)答頭檢測
2.2.1 應(yīng)答信號
如圖3所示，自動相關(guān)監(jiān)視廣播（ADS-B）的應(yīng)答信號的前導(dǎo)部分持續(xù)8.0 μs，由四個固定位置的子脈沖構(gòu)成，每個子脈沖的脈寬為0.5 μs。緊隨其后的是時長為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，每個比特周期為1 μs，每個比特由兩個chip組成。在PPM編碼中，若前一個chip呈現(xiàn)高電平而后一個chip為低電平，則該比特代表數(shù)據(jù)“1”；反之，若前一個chip為低電平而后一個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)脈沖由四個子脈沖構(gòu)成，因此首要任務(wù)是從噪聲中識別出有效脈沖。基于噪聲基底和脈沖的有效寬度，可以確定：在未達到信號的一段時間窗口內(nèi)，計算得到的均值為噪聲基底；而大于設(shè)定門限值且持續(xù)時間超過0.3 μs的脈沖則被視為有效脈沖。當信號發(fā)生交織時，信號脈沖的寬度會有所增加。通過檢測脈沖寬度，可以判斷出發(fā)生交織的S模式應(yīng)答信號的數(shù)量，并據(jù)此生成相應(yīng)的標志脈沖。假設(shè)存在三個S模式的應(yīng)答信號交織，將會產(chǎn)生三個相應(yīng)的標志脈沖，如圖4所示。
應(yīng)答處理首先依據(jù)通道視頻信號執(zhí)行脈沖檢測，以獲得PSV（Pulse Start Value）。隨后，對PSV信號進行處理，在每個PSV信號的上升沿生成真實的脈沖前沿ALE（Actual Leading Edge）�；诿}沖下降沿的位置，計算第二個脈沖的前沿，即偽前沿PLE（Pseudo Leading Edge）。當脈沖寬度超過兩個脈沖寬度時，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）。
計算前沿脈沖LE的間隔，當四個前沿脈沖的時間間隔分別為1 μs、3.5 μs、4.5 μs時，結(jié)合當前的工作模式，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)答信號的應(yīng)答頭由四個脈沖構(gòu)成，其中應(yīng)答頭信號的前沿作為解碼應(yīng)答信息數(shù)據(jù)的同步信號，而應(yīng)答頭信號的幅度信息則作為應(yīng)答信息數(shù)據(jù)的幅度參考值。通過計算這四個前導(dǎo)脈沖的平均幅度，我們得到一個幅度參考基準，后續(xù)的112個信息位的幅度將與這個基準值進行比較，從而確定相應(yīng)位的信息。每個信息位占據(jù)1 μs的時間，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比一個時長為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，這種解碼方式會導(dǎo)致較高的誤碼率。RTCA DO-260標準推薦了一種改進的解碼技術(shù)，該技術(shù)涉及對每個脈沖進行多次采樣，并根據(jù)采樣值查表確定信息位的邏輯值及其置信度。我們對該方法進行了深入的技術(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)值累加得到一個有符號數(shù)的權(quán)值和。該有符號數(shù)的正值表示邏輯“1”，負值表示邏輯“0”，其絕對值大小則反映了信息位的置信度，如圖8所示。
解碼過程在六個接收通道中同步進行，同一架飛機的高置信度信息可能會在多個通道中輸出。我們對解碼過程進行了進一步的改進，特別是在處理交織應(yīng)答方面。如果一個解碼通道在處理應(yīng)答碼時檢測到另一個高幅度的應(yīng)答頭，傳統(tǒng)處理方式可能會中斷當前處理，轉(zhuǎn)而處理高幅度應(yīng)答頭信息的目標。而我們現(xiàn)在的處理方法是，該通道會繼續(xù)處理當前應(yīng)答，同時啟動第二個解碼通道來處理另一個高置信度應(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交織在一起的應(yīng)答形成的，而不是一個有效的應(yīng)答。因此，第一個應(yīng)答繼續(xù)被處理，通過糾錯能力，我們能夠得到一個正確的應(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。在實際應(yīng)用中，詢問機在接收應(yīng)答信號的同時也會接收到外界各種干擾信號，這些干擾信號會影響后端解碼的正確性，因此需要對窄脈沖進行剔除。在工程實踐中，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，信號處理采用滑動窗對應(yīng)答信號進行分段，并根據(jù)窗內(nèi)信號的幅度設(shè)置窗內(nèi)閾值。通過滑動窗設(shè)定的自適應(yīng)閾值可以得到應(yīng)答信號對應(yīng)的應(yīng)答脈沖。計算脈沖寬度，并對小于0.3 μs的脈沖進行濾除，從而實現(xiàn)對窄脈沖干擾信號的抑制。實際剔除效果如圖8所示，圖中PSV為詢問機接收的應(yīng)答信號對應(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，接收機負責接收ADS-B下行廣播信號，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)將被傳輸至信號處理器，信號處理器執(zhí)行一系列處理步驟，包括對原始視頻脈沖進行反窄帶濾波、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，信號處理器進行解碼、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)的授時信息。最終，廣播信息以數(shù)據(jù)塊的形式被送至情報終端或管制中心進行處理，解碼效果如圖10所示�！�
參考文獻
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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，研究方向為雷達監(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，高級工程師，本科，研究方向為空管雷達總體技術(shù)。
