《電子技術(shù)應(yīng)用》
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ADS-B陣列信號(hào)二重解交織算法的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)
2020年電子技術(shù)應(yīng)用第2期
胡鐵喬,,韓 斌
中國民航大學(xué) 天津市智能信號(hào)與圖像處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,,天津300300
摘要: 為解決ADS-B系統(tǒng)通信時(shí)的信號(hào)交織問題,,結(jié)合FPGA的工作特點(diǎn)和實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求,,對(duì)ADS-B交織檢測(cè)算法和解交織算法進(jìn)行優(yōu)化,。針對(duì)交織檢測(cè)算法在實(shí)采數(shù)據(jù)驗(yàn)證時(shí)需要變化處理信號(hào)的參數(shù)才能匹配判決域的問題,設(shè)計(jì)一種計(jì)算判斷交織檢測(cè)的動(dòng)態(tài)門限值的方法,同時(shí)將解交織算法中特征向量,、廣義逆矩陣等復(fù)雜的過程優(yōu)化為對(duì)某段信號(hào)的協(xié)方差矩陣求逆。實(shí)現(xiàn)結(jié)果表明,,優(yōu)化后的算法適用于硬件實(shí)時(shí)系統(tǒng),,能有效分離ADS-B交織信號(hào)。
關(guān)鍵詞: ADS-B 信號(hào)交織 解交織 FPGA
中圖分類號(hào): TN919.5,;V243.1
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.191120
中文引用格式: 胡鐵喬,,韓斌. ADS-B陣列信號(hào)二重解交織算法的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2020,,46(2):98-102.
英文引用格式: Hu Tieqiao,,Han Bin. Real time implementation of separating overlapped algorithm for dual array ADS-B signal[J]. Application of Electronic Technique,2020,,46(2):98-102.
Real time implementation of separating overlapped algorithm for dual array ADS-B signal
Hu Tieqiao,,Han Bin
Intelligent Signal and Image Processing Key Lab of Tianjin,,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,,China
Abstract: In order to solve the problem of signal overlapping when communicating in ADS-B system, combined with the working characteristics of FPGA and the requirements of real-time system, the ADS-B overlapping detection algorithm and separating overlapped algorithm are optimized. Aiming at the problem that the overlapping detection algorithm needs to change the parameters to match the judgment threshold when verifying it with actual data, a method for calculating the dynamic threshold value of overlapping detection is designed, at the same time, the complex process such as eigenvector and generalized inverse matrix in the separating overlapped algorithm is optimized to invert the covariance matrix. The implementation results show that the optimized algorithm is suitable for real-time systems and can effectively separate ADS-B overlapped signals.
Key words : ADS-B,;overlapped signals;separate overlapped signals,;FPGA

0 引言

    廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast,,ADS-B)作為國際民航組織(International Civil Aviation  Organization,ICAO)主推的新一代監(jiān)視技術(shù),,結(jié)合衛(wèi)星導(dǎo)航,、通信、機(jī)載設(shè)備以及地面設(shè)備等先進(jìn)技術(shù),,能有效地提高運(yùn)行安全水平,,擴(kuò)充空域容量,提升運(yùn)行效率以及加強(qiáng)航空公司的運(yùn)行控制能力[1-2],。但隨著近年來ADS-B技術(shù)的快速發(fā)展,,監(jiān)視者與飛機(jī)使用ADS-B進(jìn)行通信時(shí),經(jīng)常發(fā)生信號(hào)之間的交織現(xiàn)象,,交織后的信號(hào)無法被接收機(jī)正常譯碼,,給通信帶來困難[3]?;诠_的文獻(xiàn),,現(xiàn)階段國內(nèi)外的接收機(jī)主要通過拋棄交織信號(hào)中的其中一條信號(hào)來處理交織問題,目前,,國內(nèi)外研究院所正在也在積極展開對(duì)交織信號(hào)處理的研究工作,,因此,根據(jù)實(shí)際需求,,設(shè)計(jì)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)解交織處理的接收機(jī)是非常有意義的,。針對(duì)ADS-B信號(hào)交織問題,在交織檢測(cè)方面,,大多是求得一個(gè)交織信號(hào)奇異值分解后的特征值關(guān)于時(shí)間的函數(shù),,根據(jù)曲線來確定合適的閾值并估計(jì)交織時(shí)刻[4];在交織信號(hào)分離方面,,有ADS-B強(qiáng)FRUIT干擾環(huán)境中的解交織方法[5],、累加分類[6]和空域?yàn)V波[7]等解交織方法。但上述算法有的要求緩存一整條交織信號(hào),、有的涉及高階統(tǒng)計(jì)量,,計(jì)算復(fù)雜,不適用于硬件實(shí)時(shí)系統(tǒng),。

    基于現(xiàn)有公開文獻(xiàn),,發(fā)現(xiàn)基于二陣元特征值的交織檢測(cè)方法[7]和投影算法[8-10]兩種算法的研究都是建立在陣列信號(hào)模型的基礎(chǔ)上,,效果穩(wěn)定且優(yōu)化后能夠降低計(jì)算量,適于硬件實(shí)現(xiàn),。本文基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,,FPGA)器件對(duì)上述兩種算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以降低計(jì)算復(fù)雜度,,減少硬件資源的占用,,完成解交織系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)并通過天線接收ADS-B信號(hào)進(jìn)行處理驗(yàn)證其性能。

1 信號(hào)模型

    采用5個(gè)陣元組成的十字陣列天線接收ADS-B信號(hào)源,,其中陣元天線在時(shí)刻t接收到的信號(hào)表示為:

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2 算法原理與優(yōu)化

2.1 算法原理

    完成信號(hào)解交織系統(tǒng),,需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)算法,首先在交織檢測(cè)方面,,利用基于二陣元特征值的交織檢測(cè)方法判斷信號(hào)是否出現(xiàn)交織以及如果信號(hào)發(fā)生交織,,判斷出交織時(shí)刻;然后在交織信號(hào)分離方面,,利用投影解交織算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行解交織,。

2.1.1 基于二陣元特征值的交織檢測(cè)方法

    基于二陣元特征值的交織檢測(cè)方法利用兩路陣元信號(hào)計(jì)算其協(xié)方差矩陣并分解得到特征值,設(shè)計(jì)算協(xié)方差矩陣的快拍數(shù)為K,,則小特征值服從自由度為2K的卡方分布[11],,其概率密度函數(shù)為:

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    利用假設(shè)檢驗(yàn)[12-13]實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的交織檢測(cè),原假設(shè)H0:數(shù)據(jù)段內(nèi)的信號(hào)不多于1個(gè),,備擇假設(shè)H1:數(shù)據(jù)段內(nèi)至少包含兩條信號(hào),。以兩路陣元信號(hào)協(xié)方差矩陣的小特征值作為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量[14],置信水平為α?xí)r的判決域?yàn)椋?/p>

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    如果小特征值位于判決區(qū)域,,則拒絕原假設(shè),,認(rèn)為數(shù)據(jù)段至少包含兩條信號(hào)。

2.1.2 投影算法

    投影算法是基于兩個(gè)ADS-B信號(hào)在時(shí)間上存在部分重疊,,如圖1所示,。從圖中可以看到在t1到t2只存在第一條源信號(hào),t3到t4只存在第二條源信號(hào),。如果在交織檢測(cè)模塊中判斷出信號(hào)在t2到t3處出現(xiàn)交織,,則分別對(duì)t1到t2和t3到t4兩段單獨(dú)信號(hào)源進(jìn)行奇異值分解得到其最大奇異值對(duì)應(yīng)的特征向量m1和m2,并分別求其特征向量對(duì)應(yīng)的MOORE-PENROSE廣義逆矩陣m1+和m2+,,由此得到原信號(hào)的估計(jì)值為:

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2.2 算法優(yōu)化

2.2.1 基于二陣元特征值的交織檢測(cè)方法的優(yōu)化

    在基于二陣元特征值的交織檢測(cè)方法中,由于需要把兩路陣元信號(hào)協(xié)方差矩陣分解的小特征值作為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量[10],,因此要求對(duì)兩路陣元信號(hào)做歸一化和標(biāo)準(zhǔn)化處理,,也就是說在硬件實(shí)現(xiàn)中需要緩存整條交織信號(hào)然后根據(jù)信號(hào)信息對(duì)信號(hào)完成歸一化和標(biāo)準(zhǔn)化之后才能求解特征值來對(duì)比判決域判斷信號(hào)是否出現(xiàn)交織。顯然不能滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求,,并且會(huì)占用大量資源從而為硬件實(shí)現(xiàn)增加難度,。因此根據(jù)基于二陣元特征值的交織檢測(cè)方法設(shè)計(jì)出一種計(jì)算交織檢測(cè)動(dòng)態(tài)門限值的方法以適用于硬件實(shí)時(shí)系統(tǒng),。

    在實(shí)際的硬件處理中,采用每隔一定的快拍數(shù)就對(duì)到來的信號(hào)做一次協(xié)方差矩陣計(jì)算并直接分解其特征值,,并從ADS-B信號(hào)開始時(shí)對(duì)每個(gè)小特征值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,,根據(jù)得到的小特征值和卡方分布的原理計(jì)算出交織檢測(cè)的動(dòng)態(tài)門限值。根據(jù)卡方分布的原理:

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其中等式右邊th為在卡方分布中置信度為α?xí)r的判決門限值,;等式左邊為對(duì)小特征值標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)時(shí)處理,,eig表示小特征值,m1表示小特征值的均值,,m2表示小特征值的平方的均值,。根據(jù)式(10)可計(jì)算出動(dòng)態(tài)門限值:

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    如果小特征值大于門限值即判斷信號(hào)出現(xiàn)交織。

2.2.2 投影算法的優(yōu)化

    在2.1.2小節(jié)中提到的投影算法由于特征向量和廣義逆矩陣在FPGA中需要復(fù)雜的計(jì)算,,將其優(yōu)化為對(duì)協(xié)方差矩陣求逆,,而且原算法中在估計(jì)第一條源信號(hào)時(shí),首先需要得到第二條源信號(hào)的信息,,因而不能滿足硬件實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求,,因此,在本次解交織的硬件實(shí)現(xiàn)中通過計(jì)算第一條源信號(hào)一定快拍數(shù)的協(xié)方差矩陣m1,,并且計(jì)算其協(xié)方差矩陣的逆m1+,,通過計(jì)算估計(jì)出源信號(hào):

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3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

    本文采用Verilog語言實(shí)現(xiàn)前文描述的解交織系統(tǒng),使用的軟件為ISE 14.4, FPGA芯片為Xilinx的Virtex5系列,。

3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

    解交織系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示,。系統(tǒng)在工作時(shí),射頻信號(hào)經(jīng)過十字陣列天線進(jìn)入下變頻器,,將1 090 MHz 的ADS-B射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為10 MHz的中頻信號(hào),,再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊形成數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)入FPGA1,在FPGA1中,,對(duì)數(shù)字中頻信號(hào)數(shù)據(jù)作預(yù)處理和ADS-B信號(hào)解交織系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn),,3.2節(jié)將具體介紹FPGA1的功能設(shè)計(jì)。接著,,F(xiàn)PGA1將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽PGA3,,F(xiàn)PGA3中有ADS-B接收機(jī)功能[15],當(dāng)它在某一時(shí)刻檢測(cè)到一條ADS-B信號(hào)時(shí),,將向FPGA1發(fā)送一條幀有效信號(hào),,F(xiàn)PGA1以此來確定ADS-B信號(hào)開始時(shí)刻,并從此時(shí)開始做ADS-B信號(hào)的交織檢測(cè)和解交織處理,。

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3.2 FPGA1功能設(shè)計(jì)

    本文所實(shí)現(xiàn)的ADS-B交織檢測(cè)和解交織系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)均在FPGA1中完成,,本節(jié)將介紹FPGA1的功能設(shè)計(jì)。 

    如圖3所示,F(xiàn)PGA1在工作時(shí),,首先對(duì)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理,,包括對(duì)數(shù)據(jù)做希爾伯特變換、去直流分量和下采樣數(shù)據(jù)復(fù)用,;之后,,預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)入?yún)f(xié)方差矩陣計(jì)算模塊得到5×5的協(xié)方差矩陣,同時(shí)在交織檢測(cè)模塊中利用其中2×2的協(xié)方差矩陣分解求出雙天線下的特征值,,并根據(jù)2.2.1節(jié)優(yōu)化的計(jì)算方式進(jìn)一步求出判決門限值,,對(duì)ADS-B信號(hào)是否出現(xiàn)交織進(jìn)行檢測(cè);如果信號(hào)未出現(xiàn)交織,,則原信號(hào)輸出至FPGA3接收機(jī),,一旦發(fā)現(xiàn)信號(hào)出現(xiàn)交織則協(xié)方差矩陣?yán)奂幽K根據(jù)幀有效信號(hào)和信號(hào)出現(xiàn)交織的時(shí)刻對(duì)交織前的五陣元協(xié)方差矩陣進(jìn)行累加、求逆,,然后根據(jù)2.2.2節(jié)中解交織的優(yōu)化方式進(jìn)行信號(hào)解交織計(jì)算,,并將解交織后的兩條信號(hào)按照先后順序替換在交織時(shí)刻后的原信號(hào)中輸出。

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4 系統(tǒng)測(cè)試

    分別利用不同功率的交織信號(hào)對(duì)實(shí)現(xiàn)后的解交織系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,,信號(hào)源為ADS-B發(fā)射系統(tǒng)通過兩根發(fā)射天線發(fā)射的交織信號(hào),,用上位機(jī)軟件控制其發(fā)射功率,信號(hào)源的產(chǎn)生方式如圖4所示,,同時(shí)使用5陣元十字陣列天線接收交織信號(hào),。接收交織信號(hào)并成功解交織后,F(xiàn)PGA3接收機(jī)會(huì)返回幀有效信號(hào),,可以在ChipScope中觀察并作為信號(hào)是否解交織成功的依據(jù),。

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    圖5所示為經(jīng)過信號(hào)預(yù)處理后的發(fā)射交織時(shí)間為60 ?滋s的ADS-B交織信號(hào),隨后進(jìn)入交織檢測(cè)模塊輸出jz_detect判斷交織時(shí)刻然后進(jìn)行信號(hào)解交織后的信號(hào)如圖6所示,。其中jz_detect表示交織檢測(cè)標(biāo)志,,當(dāng)信號(hào)出現(xiàn)交織時(shí),標(biāo)志置1,,反之為0,;bit_decoding表示從FPGA3接收機(jī)中返回的幀有效信號(hào),代表成功解碼ADS-B信號(hào),。由圖6可以看到,,將圖5中的交織信號(hào)分離為兩條ADS-B信號(hào),并解碼成功,。

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    利用ADS-B發(fā)射機(jī)發(fā)射不同功率的交織信號(hào)對(duì)解交織系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,,發(fā)現(xiàn)影響解交織系統(tǒng)分離信號(hào)成功率的因素有交織信號(hào)的功率差和交織信號(hào)的首條信號(hào)功率的大小。如圖7所示,,固定交織信號(hào)的首條信號(hào)功率不變?nèi)缓蟾淖兊诙l信號(hào)的功率,,發(fā)現(xiàn)隨著交織的兩信號(hào)功率差的增大,,解交織成功率逐漸增大至穩(wěn)定在0.85左右。之后取交織中兩信號(hào)功率差在3 dB不變,,通過同時(shí)增加交織信號(hào)兩信號(hào)的功率,如圖8所示,,發(fā)現(xiàn)解交織成功率隨著交織信號(hào)的首條信號(hào)功率的增大而增大,。

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5 結(jié)論

    針對(duì)ADS-B信號(hào)的交織問題,對(duì)基于特征值的交織檢測(cè)方法和解交織方法進(jìn)行深入分析并根據(jù)FPGA實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特點(diǎn)對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),,同時(shí)設(shè)計(jì)一種計(jì)算交織檢測(cè)門限值的方法,,減少了其硬件實(shí)現(xiàn)資源消耗,并據(jù)此在FPGA中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)解交織系統(tǒng),,在實(shí)測(cè)中性能穩(wěn)定,,證明了本文中設(shè)計(jì)方案的有效性與可行性,解決了目前國內(nèi)外市場(chǎng)上接收機(jī)無法對(duì)ADS-B信號(hào)實(shí)時(shí)解交織的問題,,可為未來ADS-B解交織系統(tǒng)在民航領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供參考,,具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

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作者信息:

胡鐵喬,,韓  斌

(中國民航大學(xué) 天津市智能信號(hào)與圖像處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300300)

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