S模式應(yīng)答信號多通道接收解碼技術(shù)研究

摘要：為了解決單個(gè)天線覆蓋范圍和作用距離之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)更廣的空域覆蓋和更高解碼率的目標(biāo)，采用多個(gè)通道進(jìn)行S模式應(yīng)答信號的接收、解碼及融合糾錯(cuò)的方法，進(jìn)行了兩通道接收、解碼及融合糾錯(cuò)實(shí)驗(yàn)，獲得具有代表性的三批目標(biāo)的解碼數(shù)據(jù)。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明多通道接收解碼不僅可以覆蓋更廣的空域范圍以增加數(shù)據(jù)量，同時(shí)在其中兩個(gè)通道覆蓋的交疊區(qū)域，采用信息融合糾錯(cuò)的方法可提供較好的相互糾錯(cuò)能力。
關(guān)鍵詞：S模式；多通道；分集接收；融合糾錯(cuò)

0 引言
    隨著空中交通流量的增加，傳統(tǒng)的A／C模式二次雷達(dá)因?yàn)榇a有限且易受到混擾和串?dāng)_的影響已不能滿足空中交通管制的需求。為了克服A／C模式的不足，具有基本監(jiān)視、增強(qiáng)監(jiān)視和數(shù)據(jù)鏈等功能的S模式被提出，并被國際民航組織接受，作為二次監(jiān)視雷達(dá)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。自此，S模式二次雷達(dá)在世界范圍內(nèi)得到了最廣泛地使用。目前，被公認(rèn)為新一代監(jiān)視技術(shù)的ADS-B迅猛發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。為實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)升級，ADS-B采用S模式擴(kuò)展報(bào)文數(shù)據(jù)鏈作為其主要協(xié)議。因此，對S模式應(yīng)答信號的接收解碼顯得尤為重要。在空中交通管制領(lǐng)域，更廣的空域覆蓋和更高的正確接收解碼率是接收設(shè)備的兩大追求目標(biāo)。使用單天線進(jìn)行接收解碼存在全向天線有效作用距離短和定向天線覆蓋角度有限的矛盾，同時(shí)多點(diǎn)定位系統(tǒng)也對天線的全向接收和更遠(yuǎn)的作用距離提出了要求。為解決上述矛盾，采用多通道接收解碼成為了一個(gè)發(fā)展方向。本文主要以兩個(gè)接收通道為例研究S模式應(yīng)答信號的多通道接收解碼技術(shù)，及利用多天線的分集接收進(jìn)行報(bào)文糾錯(cuò)的技術(shù)。

1 多通道接收解碼的現(xiàn)實(shí)前提
    目前的空域中，載波頻率在1 090 MHz上的信號有二次雷達(dá)A／C／S模式應(yīng)答信號和基于1090ES數(shù)據(jù)鏈的ADS-B下行信號。A／C模式應(yīng)答信號的長度為20．75μs，S模式應(yīng)答信號及1090ES格式的ADS-B下行信號的長度為64／120μs(56／112μs的數(shù)據(jù)加上8μs的報(bào)頭)，在理想情況下1 s之內(nèi)可以發(fā)射或接收8 000多幀S模式應(yīng)答信號或ADS-B下行信號，或更多的A／C模式應(yīng)答信號。如圖1所示。

    A／C／S模式二次雷達(dá)是即問即答的，而ADS-B下行信號具有時(shí)間上的自適應(yīng)發(fā)射機(jī)制，選擇在空域中的靜默時(shí)隙發(fā)送。由于信號完成發(fā)送所用的時(shí)間相當(dāng)短暫，所以可以認(rèn)為大多數(shù)的信號沒有和其他信號有重疊部分，當(dāng)然不排除這樣的情況?；谶@樣的認(rèn)識，對多通道接收解碼的研究將在多個(gè)接收通道在同一時(shí)刻只有一架飛機(jī)的信號到達(dá)的前提下進(jìn)行。本文僅對兩通道進(jìn)行研究實(shí)驗(yàn)，多通道的原理是一樣的，很容易進(jìn)行拓展。
    將兩個(gè)接收天線安裝在同一個(gè)支架上，朝向不同的角度(同時(shí)有覆蓋區(qū)域的交疊)，使用相同長度的微波電纜，以保證同一個(gè)信號通過兩個(gè)通道到達(dá)解碼輸入端時(shí)嚴(yán)格的脈沖沿對準(zhǔn)。

2 多通道融合糾錯(cuò)的理論基礎(chǔ)
    在無線通信中，發(fā)射信號可能經(jīng)過直射、反射、散射等多條路徑到達(dá)接收端。這些多徑信號相互疊加會形成衰落，其中快衰落的衰落深度可達(dá)40 dB。衰落會嚴(yán)重影響通信質(zhì)量(如導(dǎo)致數(shù)字信號的高誤碼率等)。
    直觀上可以通過加大發(fā)射功率來抗衰落，但這實(shí)際上并不可行。目前典型的抗衰落的方法有信道編碼、均衡、擴(kuò)頻和分集接收。信道編碼通過增加信息的冗余度來糾正衰落引起的誤碼，S模式應(yīng)答信號中的CRC冗余校驗(yàn)編碼即是如此；均衡主要通過補(bǔ)償信道衰落引起的畸變來減小衰落的影響；擴(kuò)頻是通過特殊的信號設(shè)計(jì)所具有的分離多徑信號的能力，來消除引起衰落的多徑信號干擾效應(yīng)；而分集接收則是有意識地分離多徑信號并恰當(dāng)合并，以提高接收信號的信噪比來抗衰落。多通道能實(shí)現(xiàn)相互糾錯(cuò)正是基于分集接收技術(shù)。
2．1 分集接收的基本概念
    分集接收是一種有效的通信接收方式，它能以較低成本改善系統(tǒng)的性能。分集的概念可以簡單解釋為：如果一個(gè)無線路徑經(jīng)歷深衰落，那么另一個(gè)相對獨(dú)立的路徑中可能仍保持著較強(qiáng)的信號。因此，一旦在多徑信號中選擇出兩個(gè)或兩個(gè)以上的信號，接收機(jī)的瞬時(shí)信噪比和平均信噪比就可得到較大幅度的改善。
2．2 分集方式
    分集方式分為宏觀分集和微觀分集兩大類。宏觀分集主要用來抗慢衰落；微觀分集主要用來抗快衰落。微觀分集又可分為空間分集、頻率分集、時(shí)間分集、極化分集、角度分集和路徑分集?？臻g分集的依據(jù)是相距間隔達(dá)到一定程度時(shí)，不同接收地點(diǎn)收到信號的衰落具有獨(dú)立性。當(dāng)多個(gè)接收支路的問隔在0．6個(gè)波長以上，接收的信號具有較好的獨(dú)立性。S模式應(yīng)答信號載頻的波長大約為0．3 m，架設(shè)在同一支架上的兩幅接收天線之間的間距可以滿足信號獨(dú)立到達(dá)的條件?？臻g分集的基本結(jié)構(gòu)為發(fā)射端使用一副天線發(fā)射，接收端使用多副天線接收。
2．3 分集合并技術(shù)
    對接收到的多個(gè)通道信號，可以在中頻和射頻上進(jìn)行合并，也可以在基帶上進(jìn)行。合并方式有最大比合并、等增益合并、選擇式合并和切換合并。
    由上所述，當(dāng)滿足信號接收獨(dú)立的條件下，到達(dá)信號在某副天線處有較深的衰落時(shí)，而在另一副天線處有可能卻保持著較強(qiáng)的信號。這為本文基于空間分集的雙通道融合糾錯(cuò)提供了可能。根據(jù)S模式應(yīng)答信號的調(diào)制特點(diǎn)，選擇在基帶上采用改進(jìn)了的選擇式合并技術(shù)進(jìn)行雙通道的接收解碼及融合糾錯(cuò)。

3 雙通道接收解碼及融合糾錯(cuò)方案設(shè)計(jì)
3．1 雙通道接收系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
    雙通道接收解碼在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上是在解碼板之前增加一路接收通道，包括天線、功率放大器和微波前端。如圖2所示。但雙通道接收解碼不僅僅是多增加一個(gè)接收天線那么簡單，其主要工作是在解碼板中如何對接入的兩路基帶信號進(jìn)行時(shí)間提取、融合糾錯(cuò)及合并輸出。

3．2 雙通道下的TOA提取
    在單通道下，對信號TOA的提取是明確的，但對于雙通道，不能將TOA的提取固定在哪一個(gè)通道上，應(yīng)該根據(jù)接收信號的強(qiáng)弱好壞來動態(tài)決定。信號到達(dá)兩個(gè)通道的情況有以下幾種：通道一較好檢測，通道二未能檢測；通道一未能檢測，通道二較好檢測；通道一、通道二都能檢測，且檢測良好；通道一、通道二都能檢測，但都有誤碼(誤碼率不一致)。根據(jù)以上四種情況，理所當(dāng)然的應(yīng)選擇能較好檢測信號的通道進(jìn)行信號TOA的提取。對檢測信號的好壞，可以根據(jù)報(bào)頭的相關(guān)度來判斷。一般情況下，在報(bào)頭成功檢測后還有DF認(rèn)證這一步，選出所關(guān)心的信息。對DF認(rèn)證可不必單獨(dú)判斷，可以將關(guān)心的DF編碼號加在報(bào)頭中一并進(jìn)行報(bào)頭檢測，同時(shí)使得用報(bào)頭的相關(guān)度大小來判定信號檢測的好壞更有說服力。在解碼板中的實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

3．3 融合糾錯(cuò)方法
    S模式長報(bào)文格式應(yīng)答信號除去報(bào)頭之外的持續(xù)時(shí)間是112μs，共有112位數(shù)據(jù)信息(14個(gè)字節(jié))。每個(gè)字節(jié)包含8位數(shù)據(jù)，每位數(shù)據(jù)由兩個(gè)曼切斯特碼元構(gòu)成，在8 MHz采樣頻率下，一個(gè)字節(jié)包含64個(gè)采樣值。
    解碼板對兩個(gè)通道的基帶信號進(jìn)行解碼是以一個(gè)字節(jié)為單位進(jìn)行的，各自分別解碼，形成兩路數(shù)據(jù)，同時(shí)將兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，形成第三路數(shù)據(jù)。對兩路分別采得的64個(gè)采樣值的解碼步驟為：
    (1)對通道一采得的64個(gè)采樣值解碼
    將64個(gè)采樣值每8位解碼成一位數(shù)據(jù)。前4位為曼切斯特前一個(gè)chip，后4位為后一個(gè)chip，將前一個(gè)chip的值作為曼切斯特解碼后的值(10表示1，01表示0)。
    (2)對通道二采得的64個(gè)采樣值解碼
    解碼方法同(1)。
    (3)將通道一和通道二的解碼值融合為第三路數(shù)據(jù)
    對通道一第一個(gè)數(shù)據(jù)位進(jìn)行曼切斯特檢驗(yàn)(前一個(gè)chip值和后一個(gè)chip值進(jìn)行異或)，對通道二做相同的檢驗(yàn)。若兩者都符合曼切斯特編碼，則將報(bào)頭相關(guān)度高的通道的這位數(shù)據(jù)賦予第三路數(shù)據(jù)；若兩者之一符合曼切斯特編碼，則將符合編碼的通道的這位數(shù)據(jù)賦予第三路數(shù)據(jù)；若兩者都不符合，將報(bào)頭相關(guān)度高的通道的這位數(shù)據(jù)賦予第三路數(shù)據(jù)。以此方法對第二到第八個(gè)數(shù)據(jù)做處理，完成對一個(gè)字節(jié)的融合。
    在采集完下一個(gè)64個(gè)值后進(jìn)行同樣的處理，直至完成112位數(shù)據(jù)的解碼和融合。從上面的解碼融合方法來看，當(dāng)某個(gè)通道的信號局部受到干擾而另一個(gè)通道正常接收時(shí)，兩個(gè)通道可以進(jìn)行融合形成正確的第三路數(shù)據(jù)，達(dá)到糾錯(cuò)的效果。當(dāng)然也有可能出現(xiàn)第一或第二路正確，融合的第三路數(shù)據(jù)卻錯(cuò)誤的現(xiàn)象。這是因?yàn)?，雖然正確接收的通道在某一個(gè)數(shù)據(jù)位上不符合曼切斯特編碼規(guī)律，但仍可正確解碼(第二個(gè)chip受到干擾)，同時(shí)另一個(gè)通道此位雖符合曼切斯特編碼卻是來自不同的應(yīng)答信號，這時(shí)將符合曼切斯特的數(shù)據(jù)位去代替正確的解碼值，就將出現(xiàn)融合錯(cuò)誤。但這種融合錯(cuò)誤將在最終對三路數(shù)據(jù)進(jìn)行合并時(shí)被消除。
3．4 改進(jìn)的選擇合并方式
    在分集合并技術(shù)中，選擇合并是指將N個(gè)接收機(jī)的信號先送入選擇邏輯，選擇邏輯再從N個(gè)接收信號中選擇具有最高基帶信噪比的基帶信號作為輸出。本節(jié)中，對應(yīng)于最高基帶信噪比就是解碼的數(shù)據(jù)滿足CRC24校驗(yàn)，選擇的輸出也不在視頻端，而是在解碼之后。
    從3．3節(jié)中可知，雙通道接收解碼并融合后將產(chǎn)生三路數(shù)據(jù)：通道一解碼數(shù)據(jù)、通道二解碼數(shù)據(jù)及融合數(shù)據(jù)。對三路數(shù)據(jù)都進(jìn)行CRC24校驗(yàn)，校驗(yàn)正確的通道數(shù)據(jù)將被輸出，若同時(shí)校驗(yàn)正確，則輸出報(bào)頭相關(guān)度高的通道數(shù)據(jù)，若兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)的CRC24校驗(yàn)都不正確，不論融合數(shù)據(jù)能否通過校驗(yàn)，都輸出融合后的數(shù)據(jù)。
    這種改進(jìn)的選擇合并方式將不迷信于經(jīng)過融合的數(shù)據(jù)，而是以保證完全正確的CRC校驗(yàn)為準(zhǔn)則，這就可以避免上一節(jié)中所提出的錯(cuò)誤的融合數(shù)據(jù)對正確輸出的影響。同時(shí)，在對三路數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC24校驗(yàn)后，將校驗(yàn)結(jié)果以標(biāo)志位的形式記錄在時(shí)間字節(jié)的最高三位(分配給信號的TOA四個(gè)字節(jié)，但以10 ns為步進(jìn)單位的時(shí)間只占28位，最高4位可作他用)。若通道一的CRC24校驗(yàn)正確，則將最高位賦1，否則賦0；若通道二的CRC24校驗(yàn)正確，則將次高位賦1，否則賦0；若融合數(shù)據(jù)的CRC24校驗(yàn)正確，則將次高位的下一位賦1，否則賦0。如此以來，則可以在上位機(jī)的軟件中對雙通道的數(shù)據(jù)率增加效果以及所能達(dá)到的糾錯(cuò)效果進(jìn)行評估。

4 雙通道融合數(shù)據(jù)分析
    如何評估雙通道相對于單通道的優(yōu)勢以及雙通道能否實(shí)現(xiàn)相互間的糾錯(cuò)，這需要明確的數(shù)據(jù)進(jìn)行說明。根據(jù)3．4節(jié)中對通道數(shù)據(jù)所作的標(biāo)記，在上位機(jī)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄分析。
    在輸出的數(shù)據(jù)中，以0D0A作為兩幀數(shù)據(jù)之間的分隔符號來引導(dǎo)數(shù)據(jù)起始，接著是4個(gè)字節(jié)的時(shí)間信息，最后是14個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)信息。其中在時(shí)間信息的最高4位(串口以十六進(jìn)制表示)是用作標(biāo)志位的，在雙通道接收融合系統(tǒng)中，只用了前3位，具體標(biāo)記的方法見第3節(jié)。對于最高4位出現(xiàn)的不同的值代表著不同的含義，如表1所示。

    從串口記錄的數(shù)據(jù)中提取出Mode S號為71BF21、71BF90和780671三批飛機(jī)的雙通道解碼融合情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。對用作標(biāo)志的4個(gè)位的值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表2所示。
    當(dāng)標(biāo)志位的值為8、A或E時(shí)，表明通道一正確接收并解碼出S模式的應(yīng)答信號；當(dāng)標(biāo)志位的值為4、6或E時(shí)，表明通道二正確接收并解碼出S模式的應(yīng)答信號；當(dāng)標(biāo)志位的值為0時(shí)，表明沒有雙通道及融合數(shù)據(jù)都未能正確接收解碼；當(dāng)標(biāo)志位的值為2時(shí)，表明在通道一、通道二都未能正確接收解碼時(shí)，將二者進(jìn)行融合達(dá)到了糾錯(cuò)的效果，融合出了正確的數(shù)據(jù)。
    對表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行通道分析，在一段時(shí)間內(nèi)所接收解碼的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)如表3所示(在同一段時(shí)間內(nèi))。

    從對Mode S號為71BF21飛機(jī)S模式應(yīng)答信號的接收解碼來看，單獨(dú)用通道一接收，僅僅接收解碼出17個(gè)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)，單獨(dú)用通道二接收，可接收解碼出114個(gè)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)。值得注意的是，通道一解碼出有效數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)通道二同樣能解碼出?？梢院侠淼夭聹y：在數(shù)據(jù)記錄的這段時(shí)間內(nèi)飛機(jī)主要是處在通道二所覆蓋的區(qū)域，以至于在通道二未能正確接收解碼的時(shí)候，因?yàn)橥ǖ酪粵]有接收到信號而不能提供對其糾錯(cuò)的能力，所以將兩個(gè)通道進(jìn)行融合后所能糾錯(cuò)的點(diǎn)的個(gè)數(shù)也不是很多(僅15個(gè))。在這批數(shù)據(jù)中，主要是通道二在發(fā)揮作用，可以近似地將其看作單通道接收，它所接收的誤碼個(gè)數(shù)達(dá)到了93個(gè)，幾乎是等同于正確接收的個(gè)數(shù)，從中可以看出，單通道接收的誤碼率是很高的。
    從對Mode S號為71BF90飛機(jī)S模式應(yīng)答信號的接收解碼來看，通道一和通道二所解碼出的有效數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)相近，表明飛機(jī)在空間上具有相對于兩通道覆蓋區(qū)域?qū)ΨQ的特點(diǎn)，同時(shí)解碼出的有效數(shù)據(jù)點(diǎn)為28個(gè)，較上一批數(shù)據(jù)要多，這表明有更多的應(yīng)答信號同時(shí)被兩個(gè)通道所接收。從上面解釋可以推出這兩個(gè)通道將提供更好的相互糾錯(cuò)的能力。從數(shù)據(jù)中看出，兩個(gè)通道進(jìn)行融合后能糾錯(cuò)的點(diǎn)達(dá)到了29個(gè)，證明上述推論的正確性。
    從對Mode S號為780671飛機(jī)S模式應(yīng)答信號的接收解碼來看，雖然兩個(gè)通道同時(shí)解碼出有效點(diǎn)的個(gè)數(shù)較多，但從兩個(gè)通道單獨(dú)解碼的數(shù)據(jù)來看，飛機(jī)所處空域偏向于通道二的覆蓋區(qū)域，這使得通道一接收的信號強(qiáng)度較弱，不能提供較好的糾錯(cuò)能力。
    從對三批數(shù)據(jù)的分析可以得出：雙通道接收解碼不僅可以覆蓋更廣的空域范圍以增加數(shù)據(jù)量，同時(shí)在兩個(gè)通道覆蓋的交疊區(qū)域，采用雙通道信息融合的方法可提供較好的相互糾錯(cuò)能力。

5 結(jié)語
    本文對S模式應(yīng)答信號的多通道接收解碼及融合糾錯(cuò)技術(shù)進(jìn)行了研究。對空域中載頻為1 090 MHz的信號類型進(jìn)行了分析，確定了進(jìn)行多通道接收解碼的現(xiàn)實(shí)前提；介紹了分集接收技術(shù)的理論依據(jù)，闡明了利用多通道進(jìn)行融合糾錯(cuò)的理論可行性；然后以雙通道為例，進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)研究和實(shí)現(xiàn)；對實(shí)現(xiàn)的雙通道接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，對雙通道接收解碼相對于單通道的優(yōu)勢做了說明。通過對雙通道接收解碼及融合糾錯(cuò)技術(shù)的研究表明，利用多通道對S模式應(yīng)答信號進(jìn)行接收解碼不僅可以增加空域覆蓋范圍，同時(shí)可以利用多通道接收的信號進(jìn)行融合糾錯(cuò)，以作為應(yīng)對丟點(diǎn)的一種有效技術(shù)手段。