CN102082623B - 一体化tcas在复杂环境下的信号提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种一体化TCAS系统信号提取方法，它完成了对复杂环境下TCAS信号的提取及识别。针对原TCAS系统信号提取的体积大、过程复杂、抗干扰性差等问题，本发明设计了基于大型FPGA的信号提取电路及功率计算、去混叠方法；它主要由FPGA内的状态机、计数器实现，有效的简化了提取过程，提高了抗干扰能力。在本发明中，将经脉冲初始检测后的接收信号通过按照各信号格式编写的状态机，若其符合某信号格式状态机逻辑，则在信号的有效数据段使能译码电路输出有效数据；若其不符合，则在发现不符合后，该状态机返回到起始端等待识别解调下一条脉冲信号。然后，计算参考功率，去混叠输出有效数据。

Description

一体化TCAS在复杂环境下的信号提取方法

(一)所属技术领域：

本发明涉及新一代机载TCAS系统在复杂环境下的信号提取反复，属于信号处理技术和空中交通管理及安全领域。

(二)背景技术：

飞机上的防撞系统，美国航空体系称为空中交通预警和防撞系统(以下简称TCAS)，欧洲航空体系称为机载防撞系统，两者的含义、功能是一致的，而且组成也基本相似，因此本发明申请说明书以TCAS为技术背景进行描述。

经过多年的发展，TCAS系统已发展出多种型号，如：TCAS I、TCAS II、TCAS III、TCAS IV。其中TCAS II目前应用最为广泛，它可以给飞机驾驶员提供以不同颜色和形状显示临近飞机的相对高度、距离、方位、上升/下降状态等信息的交通提示(TA)和显示俯仰通道改变、姿态保持、高度保持等信息的解决方式(RA)。其他更高版本型号体系结构以TCAS II为基础，只是在功能上略有差别。

在现有的TCAS系统中，接收信号经过模拟滤波器滤波后，由视频处理器将其转换为数字信号，再由译码移位寄存器进行译码。译码移位寄存器由多个非门、RS触发器、JK触发器、并行存取移位寄存器等组成。译码移位寄存器在进行译码识别前同步脉冲时，必须要有相应的定时时钟，而在现有TCAS系统中，该时钟由独立的晶体振荡器提供。随着千万门级FPGA芯片的发展与广泛应用，现有TCAS系统的前同步脉冲初始检测电路就相对的存在体积大、电路复杂、稳定性及抗干扰能力低等确定。而TCAS系统作为一种工作于复杂电子环境且安装于空间有限的飞机上的电子设备，它必须要尽可能的缩小自己的体积、提高自己的稳定性及抗干扰能力。

(三)发明内容：

为了实现在复杂环境下对TCAS信号提起的准确性并缩小体积，本发明设计新的译码电路及信号提起流程，通过对脉冲位置的初始检测，前同步脉冲初始检测，参考功率计算，混叠干扰信号去除等方法来实现；

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：设计一体化TCAS系统在复杂环境下的信号提取流程，它包括：

(1)脉冲位置的初始检测；事先设定了一个门限值，规定如果采样信号值在门限之上，则当前采样值是一个有效的脉冲位置，其它采样点依此类推。那么，只有当连续几个采样点的值都在门限之上时，认定此位置是一个有效的脉冲位置；

(2)前同步脉冲初始检测；只有当前同步脉冲包含有规定数目的脉冲时，才判定其为一个有效报头；

a)对于译码所需的定时时钟，本发明使用FPGA自带的具有高稳定度和抗干扰能力的PLL(锁相环)来实现；PLL只需要一个晶体振荡器提供的正弦信号，就能输出一路或多路倍频或分频的方波信号；

b)以基于FPGA的状态机来替代原TCAS的非门、RS触发器、JK触发器、并行存取移位寄存器等来实现脉冲头的识别。当接收到的脉冲信号输入后，通过按照各种信号格式编写的状态机时，若其符合某种信号格式的状态机逻辑，则在信号的有效数据段使能译码电路输出有效数据；若其不符合，则在发现不符合后，回到该状态机的起始端等待识别解调下一条脉冲信号；

(3)参考功率计算；通过采信号取均值获得；

(4)混叠干扰信号的去除；通过针对两个S模式应答混叠的现象以及S模式应答与A-C模式询问混叠现象的分析，对三种可能出现的情况分别进行处理去混叠；

(5)再触发测试；记当前报头的参考功率是S_{ref_power}，与13μs后某参考功率为S_{ref_power_new}；如果S_{ref_power_new}-S_{ref_power}＞3dB，那么中止旧应答的处理转而处理新的应答，这样就能保证正在处理的是一段时间内最有可能的S模式报文；S_{ref_power_new}-S_{ref_power}≤3dB，则不打断旧信号的处理过程，而丢弃新的报头及它所带的数据；

(6)S模式数据处理；确认检测到了S模式应答数据，可以对报头后面的56位经PPM调制的数据位进行处理和解码。

本实用新型的有益效果是，由于本发明设计了新的信号提取流程，使得信号提取速度更快，数据更加有效。

(四)附图说明：

附图1是复杂环境信号提取程序流程图；

附图2是上升沿位置示意图；

附图3是下降沿位置示意图。

(五)具体实施方式：

在本实施例中，对于信号提取的过程，主要是各种信号的报头检测的过程，只有检测到了正确的报头信号，才能对接下来的数据信息进行解码。我们以提取S模式应答信号为例进行说明，如果采用20MHz的采样频率，那么S模式应答中的标准脉冲，可以得到10个采样点。

在融合了现有可用文献上的检测技术，设计中突出了信号功率在报头检测中的关键作用，对于信号提取着重从脉冲沿提取、脉冲初始检测、参考功率计算、再触发测试、去混叠干扰信号等几个方面进行研究。信号提取的流程如图1所示。

由于模拟接收部分已经对输入的信号进行了对数放大，所以，中频接收中的数字信号已经可以表征信号的功率。下面以S模式为例，逐步展开对几个检测模块的讨论：

1脉冲位置的初始检测

要检测一个脉冲，需要对脉冲的位置、脉冲的上升沿、及下降沿几个信息有充分的了解。其测试如下：

事先设定了一个门限值Threshold，规定采样信号值在门限之上，则当前采样值是一个有效的脉冲位置，其它采样点依此类推。那么，只有当连续几个采样点的值(至少8个以上，0.4秒)都在门限之上时，认定此位置是一个有效的脉冲位置。即在20MHz的采样频率下，如果S_i≥Threshold，同时S_j≥Threshold(j＝i+1，i+2，…，i+7)，则认为S_i是一个有效的脉冲位置。

同样，对上升沿和下降沿的检测也采用相似的处理方法。对上升沿而言，当短期内视频信号的增长幅度超过门限值(Slope)，且该点不是一个过渡性的点(图中的B点)、也不是一个尖脉冲(图2中的E点)，那么，这个点可以认为是一个上升点(图2中的A、C、D)。

在检测下降沿时，短时间内出现视频信号的减小幅度超过沿变化的门限值(Slope)，且该点不是一个过渡性的点(图3的B点)、不是一个V型的凹陷点(图3中的D点)，那么，可以认为这个点是一个下降沿点(图3中的A、C、E)。

在上面已经设定了采样的频率是20MHz，那么，上升沿和下降沿的算法可以表示为：(设相邻三个采样点的值分别是S_i-1，S_i，S_i+1，而Δt为两个采样点的间隔)。

$\left.\begin{array}{c}{S}_i-S_{i-1}\≥\mathrm{Slope}\\ |S_{i+1}-S_i|\≤\mathrm{Slope}\end{array}\right\}\⇒\mathrm{i\; is\; a\; ri}\sin \mathrm{g\; edge\; position}---\left(1\right)$

$\left.\begin{array}{c}{S}_i-S_{i-1}\≥\mathrm{Slope}\\ |S_{i+1}-S_i|\≤\mathrm{Slope}\end{array}\right\}\⇒\mathrm{i\; is\; a\; falling\; edge\; position}---\left(2\right)$

2前同步脉冲初始检测

由S模式应答信号的示意图可以看到，其前同步脉冲包含有4个脉冲，在上面已经对其脉冲的相对位置、上升沿及下降沿进行了提取，下面接着对其进行检测，以确定是否是一个可能的报头。

当接收到的脉冲信号输入后，通过按照各信号格式编写的状态机时，若其符合某信号格式状态机逻辑，则在信号的有效数据段使能译码电路输出有效数据；若其不符合，则在发现不符合后，该状态机返回到起始端等待识别解调下一条脉冲信号。

3参考功率计算

在前面已经提到过，在接收器的模拟接收部分，已经对输入信号进行了对数放大，此幅值已经能够表征功率信号。在报头检测过程中，需要计算信号的参考功率值，用于后期处理中的数据提取、置信度判决等过程。

参考功率算法如下：

在S模式的4个报头脉冲中，选择上升沿与报头时序匹配的脉冲里的采样点。对于符合要求的脉冲，在上升沿采样点后选择2个样点作为参考功率计算的可用采样点，计为S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂、S₃₁、S₃₂、S₄₁、S₄₂，共8个采样值；

从前4个采样值中选出最大值S_max1和S_min1，从后4个采样值中选取最大值S_max2和最小值S_min2；

从S_max1和S_max2中选出最小值S_{max_min}，从S_min1和S_min2选出最大值S_{min_max}，即得到了当前报头参考功率的次大值和次小值，然后求其平均值，就得到了当前报头的参考功率S_{ref_power}。

4混叠干扰信号的去除

由于空间中存在多雷达对飞机的询问，并且模式S防撞体制要求飞机每隔1s发射一次防撞模式S信号。因此，在实际情况下，有可能出现多个模式S报头的交叠现象(尽管这种可能性很小)。比如，当两个报头相隔1μs，并且后续应答信号功率较高时，会使得前一个报头的参考功率值被高估，从而有可能使得再触发机制得出错误的结论。同样的情况也会发生在两个脉冲间隔3.5μs和4.5μs。

下面分别针对两个S模式应答混叠的现象以及S模式应答与A-C模式询问混叠的现象。

两个S模式信号在混叠情况下，可能出现的情况有三种，即两者分别间隔1μs，3.5μs及4.5μs。

首先针对两S模式应答信号相隔1μs的情况，检测算法如下：

A：以当前检测到的报头的第一个脉冲上升沿为起始点，检测在与它相对时间间隔为1μs处有无第二个可能报头存在；

B：在有第二个交叠报头存在时，以当前报头的第一个脉冲上升沿后第一个采样点时间为采样起始点(T＝0μs)，用T＝0μs、1μs、2μs、3.5μs、4.5μs、5.5μs这些点的采样值来表征交叠后所有报头脉冲的幅度(记为S₀，S₁，S₂，S_3.5，S_4.5，S_5.5)。找出S₁、S₂、S_4.5和S_5.5中的最小值MinS_i；同时找出S₀和S_3.5中的最大值MaxS；

C：当MinS-MaxS＞3dB时，表明后一个报头功率明显大于第一个报头，则丢弃第一个报头；否则，则进入3.5μs测试；

对于两个S模式应答信号相隔3.5μs和4.5μs时，即后一个S模式信号分别比前一个信号晚3.5μs和4.5μs，这时的检测方法与1μs时的情况相似。当T＝0μs时的报头通过了1μs、3.5μs及4.5μs混叠检测时，就进行下一步的数据解调工作。

在S模式与A-C模式混叠的情况下，由分析可知，如果采样频率是20MHz，那么S模式报头脉冲的40个采样点中，被A-C模式影响的采样点有16个。再结合前面的脉冲检测算法，可以看出，A-C模式与S模式混叠时，不会影响S模式各位置脉冲的检测。

5再触发测试

在进行S模式应答检测过程中，当报头检测部分频繁的产生报头输出时，会使得S模式数据提取无法正常进行。为了解决这一问题，采用S模式报头的再触发机制，其原理如下：

记当前报头的参考功率是S_{ref_power}，在13μs后继续寻找后续报头，如果在此时间段内的某个报头通过了前面的测试，其参考功率为S_{ref_power_new}；如果S_{ref_power_new}-S_{ref_power}＞3dB，那么中止旧应答的处理转而处理新的应答，这样就能保证正在处理的是一段时间内最有可能的S模式报文；S_{ref_power_new}-S_{ref_power}≤3dB，则不打断旧信号的处理过程，而丢弃新的报头及它所带的数据；

6S模式数据处理

通过再触发过程检测后，就可以确认检测到了S模式应答数据，接下来的工作就是对报头后面的56位经PPM调制的数据位进行处理和解码。

以上过程就是复杂信号环境下S模式应答信号提取的全过程，对于其它类型的信号，比如S模式询问信号，其处理过程是相似的。

Claims (1)

1.一种TCAS系统信号提取方法，按照以下步骤实现脉冲初始位置检测、同步脉冲初始检测、参考功率计算、混叠干扰信号去除及触发测试功能；

步骤一、事先设定了一个门限值Threshold，规定采样信号值在门限之上，则当前采样值是一个有效的脉冲位置，其它采样点依此类推；那么，只有当连续几个采样点的值至少8个以上都在门限之上时，则判定为一个上升点；短时间内出现视频信号的减小幅度超过沿变化的门限值Slope，则判定为这个点是一个下降沿点；据事先设置的门限电平检测脉冲初始位置及上升下降沿：

步骤二、在FPGA内编写的针对各脉冲信号逻辑的状态机来实现接收信号的识别：当接收到的脉冲信号输入后，按照各信号格式编写的状态机时，若其符合某信号格式状态机逻辑，则在信号的有效数据段使能译码电路输出有效数据；若其不符合，则在发现不符合后，该状态机返回到起始端等待识别解调下一条脉冲信号；

步骤三、以S模式4个报头脉冲中的8个采样值比较获得次最大值和次最小值，然后平均获得参考功率：从前4个采样值中选出最大值S_max1和S_min1，从后4个采样值中选取最大值S_max2和最小值S_min2；从S_max1和S_max2中选出最小值S_{max_min}，从S_min1和S_min2选出最大值S_{min_max}，即得到了当前报头参考功率的次大值和次小值，然后求其平均值，就得到了当前报头的参考功率S_{ref_power}；

步骤四、对两个S模式信号相距1μs，3.5μs及4.5μs三种情况分别进行混叠分析，然后再进行去混叠干扰处理；对于两个S模式应答信号相隔3.5μs和4.5μs时，即后一个S模式信号分别比前一个信号晚3.5μs和4.5μs，这时的检测方法与1μs时的情况相似；当T＝0μs时的报头通过了1μs、3.5μs及4.5μs混叠检测时；为了解决报头检测部分频繁的产生报头输出问题，采用了S模式报头的再触发机制：记当前报头的参考功率是S_{ref_power}，在13μs后继续寻找后续报头，如果在此时间段内的某个报头通过了前面的测试，其参考功率为S_{ref_power_new}；如果S_{ref_power_new}-S_{ref_power}＞3dB，那么中止旧应答的处理转而处理新的应答，这样就能保证正在处理的是一段时间内最有可能的S模式报文；S_{ref_power_new}-S_{ref_power}≤3dB，则不打断旧信号的处理过程，而丢弃新的报头及它所带的数据；通过再触发过程检测后，确认了检测到了S模式应答数据，然后对报头后面的56位经PPM调制的数据位进行处理和解码。