1090ES模式ADS-B信号自适应门限检测算法

江志浩,李　迅

(中国人民解放军91635部队，北京 102249)



1090ES模式ADS-B信号自适应门限检测算法

江志浩,李迅

(中国人民解放军91635部队，北京 102249)

摘要：针对1090ES模式ADS-B信号接收处理中利用传统固定门限检测算法时抗噪声性能差、弱信号检测能力弱的问题，分析了1090ES模式ADS-B信号特征、研究了该信号前导脉冲瞬时相关特征，提出一种基于前导脉冲瞬时相关特性的1090ES模式ADS-B信号检测算法，并分析了该算法在不同加性高斯白噪声(AWGN)环境下和不同信号功率条件的信号检测率，实验结果表明该算法在低信噪比、弱信号等条件下均具有较高的信号检测率，且能有效提高信号处理动态范围。

关键词：ADS-B信号；信号检测；自适应门限；相关特性

0引言

1090ES(1090 MHz Extended Squitter)模式广播式自动相关监视(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast)是自动相关监视技术的以一种[1,2]，也是唯一被批准可在全球运行使用频谱的ADS-B 数据链，并被欧洲、美国共同认可并强制推行的ADS-B 技术[3,4]。该信号具有短时、突发信号、出现时间不确定性等特点，因此很难对该信号进行AGC(Automatic Gain Control)控制，从而选择合适的检测门限。若检测门限过高，将使大量弱信号不能被检测；若检测门限较低，则易受到基底噪声的影响，产生大量误码，降低后续报文解译率。因此，接收机必须具有精确地同步性能才能准确恢复出报文数据，对信号前导脉冲的检测显得尤为重要。自适应门限就是让信号检测的门限随着接收信号的功率变化而变化，从而解决传统的固定门限检测算法难以解决的信号高检测率和抗噪声性能矛盾，在提高信号检测率的同时控制算法的抗噪声性能[5]。

11090ES模式ADS-B信号简介

1090ES模式ADS-B利用机载S模式应答机来广播工作。1090ES模式最初只用于飞机回答地面二次雷达的询问信号，数据传输采用PPM(Pulse Position Modulation)编码方式，飞机应答地面雷达的频率为1 090 MHz[6]。1090ES模ADS-B的工作原理是利用1090ES模式应答机在地面二次雷达和其他飞机的TCAS询问的空余时段，将飞机自身的位置、高度、速度、机号等数据向外广播，广播频率同样为1 090 MHz，空中有效距离可以达到100海里[7]。

其实际信号由前导脉冲和数据脉冲两部分组成，其中前导脉冲由前面2个脉冲对组成，两个脉冲对间隔为4.5 μs，脉冲对由脉宽为0.5 μs、间隔为1 μs的2个脉冲组成，前导脉冲与数据脉冲间隔8 μs。数据脉冲为112 bit信息脉冲构成的S模式应答格式，数据传输速率达1 Mbps，即每比特对于1 μs的时间，采用PPM(Pulse Position Modulation)编码。在编码过程中，每个比特对应的1 μs分为2个周期，各占用0.5 μs，若当前码子为1，则第1个0.5 μs为高电平，第2个0.5 μs为低电平；反之，则第1个0.5 μs为低电平，第2个0.5 μs为高电平[8,9]。

2基于相关特征的自适应门限检测算法

相关检测为时域上进行信号检测的方法，主要是利用信号的相关性和噪声的随机性特点，通过自相关或互相关运算，达到噪声抑制并检测出有效信号的目的。若发射信号期望或某种特征已知，在接收端产生一个发射信号相同或包含已知特征的期望信号，使其与输入信号进行相关，即可提高信号的抗干扰能力。互相关原理如图1所示[10]。

图1　互相关检测原理框图

图1中，输入信号为f1(t)=s1(t)+n(t)，期望信号为f2(t)=s2(t)，由于期望信号与噪声不相关[10]，则有：

Rs1s2(τ)+Rns2(τ)≈Rs1s2(τ)。

由于Rs1s2(τ)包含了信号s1(t)所携带的信息，从而实现把信号s1(t)检测出来[11]。

针对1090ES模式ADS-B信号前导脉冲固定、数据脉冲随传输数据不同而变化这一特点[6，7]，以理想前导脉冲作为期望信号f2(t)，采用基于相关检测原理的自适应门限检测算法。算法流程如图2所示。

首先，将所接收到信号脉冲序列与1090ES模式ADS-B信号的4位前导码理想信号样本进行相关；其次，根据信号相关特征，完成信号捕获。然后，在一个1090ES模式ADS-B信号传输长度范围内计算基底噪声功率和脉冲最大功率；最后，以基底噪声和最大功率差值的3 dB作为该信号的瞬时信号检测门限。

图2　基于前导码匹配特征的自适应门限检测算法

3实验验证

在实验中，采用实际信道环境下的1090ES模式信号，对完成载波同步的基带信号进行信号检测，采样率为10 MHz。算法所需的1090ESS模式ADSB前导码理想波形，即期望信号如图3所示。

图3　期望信号波形

基带信号前导脉冲波形如图4所示，期望信号与前导脉冲的相关特征如图5所示。

由图5可知，对1090ES模式ADS-B信号的前导脉冲进行相关检测时，其相关峰前后1 μs、前后3.5 μs处将各出现一个弱相关峰，且弱相关峰值约为相关峰值的二分之一。通过捕获上述特征，可有从密集的接收脉冲序列中检测出1090ES模式ADS-B信号。

若接收到ADS-B信号的平均功率稳定在-20 dBm，基底噪声在-40～-10 dBm变化，基底噪声为加性高斯白噪声，在不同信噪比条件下利用上述算法进行自适应门限信号检测，并与-30 dBm的固定门限检测算法进行信号检测率的比较，两种算法在不同噪声条件下的检测率对比如图6所示。

图4　基带信号前导　　　　图5　期望信号与前导脉冲　脉冲波形　的相关特征

由图6可知，自适应门限信号检测算法的检测率明显优于传统固定门限检测算法；当噪声功率小于-30 dBm，即信噪比≥1.76 dB时，2种算法的信号检测率均大于91%；当信噪比进一步恶化，传统固定门限检测算法的信号检测率迅速下降，而自适应门限信号检测算法的信号检测率相对稳定，始终保持在82%-90%之间；当噪声功率为-20 dBm，即信噪比≥0 dB时，传统固定门限检测算法的信号检测率为75%；噪声功率至-10 dBm，即信噪比≥-3 dB时，传统固定门限检测算法的信号检测率仅为25%。可见，自适应门限信号检测算法具有更好的抗噪声性能，在信噪比≥-3 dB时仍具有82%的信号检测率。

若接收到的ADS-B信号的平均功率在-35 dBm至-20 dBm变化，基底噪声为-40 dBm，为加性高斯白噪声，在不同信号功率条件下利用上述算法进行信号检测，并与固定门限为-30 dBm的传统检测算法进行比较，其信号检测率比较如图7所示。

图6　不同噪声条件下的　图7　不同信号功率条件下　检测率对比图　的检测率对比图

由图7可知，在信号功率低于检测门限时，传统检测算法的检测率为0%，即不具备检测能力，而自适应门限信号检测算法的检测概率为61%～78%之间；随着信号平均功率的逐渐增大，传统检测算法的检测率逐渐恢复；当信号平均功率增加至-25 dB后，即高出检测门限大于5 dB时，其检测率与自适应门限信号检测算法相当。可见，自适应门限信号检测算法具有更好的弱信号检测能力。

综上所述，本文设计自适应门限检测算法相比传统固定门限检测算法，不但具有较高的抗噪声性能，在一定噪声条件下对弱信号的检测能力性能也非常突出。

4结束语

该算法的应用，解决了1090ES模式ADS-B信号接收处理中进一步提高信号检测率的问题，在低信噪比和弱信号条件下，均较传统固定门限检测算法具有较高的信号检测率，且具有较高的信号处理动态范围。该技术已经应用于某型ADS-B信号接收设备中，有效提高了信号检测性能和信号处理动态范围，取得了较高的效果。

参考文献

[1]张军.现代空中交通管理[M].北京:北京航空航天大学出版社，2005.

[2]王洪,刘昌忠,汪学刚.二次雷达S模式综述[J].电讯技术,2008,48(7):113-118.

[3]时宏伟.ADS-B数据链应用技术的综合评述(一)[J].空中交通管理,2007(6):13-16.

[4]时宏伟.ADS-B数据链应用技术的综合评述(二)[J].空中交通管理,2007(7):17-20.

[5]吴玉成,陈宁,高珊.突发通信信号中的自适应门限信号检测方法[J].电子与信息学报，2007，29(12):2896-2898.

[6]王洪,刘昌忠,汪学刚,等.S模式前导脉冲检测方法[J].电子科技大学学报，2010，39(4):486-489.

[7]郑值，练马林，张超，等.模式S应答处理中报头检测算法的研究与实现[J].电子科技大学学报，2008，37(增刊):66-70.

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[9]RTCA.DO-242A: ADS-B Minimum Aviation System Performance Standard[S/OL].[2008-11-14].http:∥www.rtca.org.

[10]李悦，何辅云，夏宝玉.相关检测原理及其应用[J].合肥工业大学学报，2008，31(4):473-575.

[11]曾庆勇.弱信号检测[M].杭州：浙江大学出版社，1994:47-51.

Adaptive Threshold Signal Detection Algorithm in 1090ES
Model ADS-B Signal Process

JIANG Zhi-Hao，LI Xun

(Unit 91635， PLA，Beijing 102249，China)

Abstract：The 1090ES (1090 MHz Extended Squitter) model ADS-B signal process which used traditional steady threshold detection algorithm has poor anti-noise performance and limited ability of weak signal detection.The paper analyzes the characteristic of the signal，studies the instantaneous correlation of the preamble pulses，and gives an signal detection algorithm in 1090ES model ADS-B signal process based on instantaneous correlation of preamble pulses.And the ratio of signal detection in both different AWGN environment and signal power is also analyzed.Simulations show that the algorithm provides better performance in both low SNR and weak signal condition，and improves the dynamic range of signal process effectively.

Key words：ADS-B Signal;signal detection;adaptive-threshold;correlation character

作者简介：江志浩(1981―),男，工程师，主要研究方向:数字信号处理、雷达信号处理。李迅 (1977―),男，高级工程师，主要研究方向：系统工程与应用、数字信号处理。

收稿日期：2015-07-15

中图分类号：TN971.1

文献标识码：A

文章编号：1003-3114(2016)01-51-3

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.01.13

引用格式：江志浩,李迅.1090ES模式ADS-B信号自适应门限检测算法[J].无线电通信技术,2016,42(1):51-53.