CN104394107B - 一种基于二次拐点法的1090es信号解同频交叠方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于二次拐点法的1090ES信号解同频交叠方法中，采用视频信号相关积累，并进行两轮拐点检测，提取二次拐点，确定二重交叠脉冲的起始时间和终止时间，以实现在1090ES信号交叠的情况下正确解码的功能。既然同频交叠脉冲难以从信号的角度实现分离，本发明考虑从交叠信号包络的时域特征出发，通过确定两个交叠脉冲的起始和终止时间来恢复原始信号的框架。本发明能够对现有的1090ES地面监视系统进行技术提升，实现在1090ES信号交叠情况下的正确解码，提高地面监视系统在目标较多空域连续监视的能力。

Description

一种基于二次拐点法的1090ES信号解同频交叠方法

技术领域

本发明涉及一种基于二次拐点法的1090ES信号解同频交叠方法，特别涉及一种基于二次拐点法的1090ES信号解同频交叠方法。

背景技术

广播式自动相关监视(ADS-B)系统是目前国际民航系统通用的一种空中交通管制技术，是基于GPS全球卫星定位系统和空地、空空数据链通信的航空器运行监视系统。ADS-B系统通过飞行器主动发送自身相关信息的方式来实现地面或空中对目标的监视功能。国际民航组织(ICAO)将其确定为未来监视技术发展的主要方向，国际航空界正在积极推进该项技术的应用。与传统二次雷达系统相比，ADS-B系统能够提供实时和准确的航空器位置、速度等信息，而且该系统具有建设投资小，维护费用低，使用寿命长等优点。

1090extended squitter(1090ES)是实现ADS-B功能的三种数据链之一，其射频工作于1090MHz，与二次雷达S模式应答信号的格式相同，其一帧信号由一系列的脉冲组成，这些脉冲中包含了飞行器的位置、速度、航向、状态等重要信息。ICAO已经明确到2020年所有民航飞行器都必须安装ADS-B机载设备用于取代二次雷达，特别推荐了1090ES数据链。

然而，飞行信息的主动播报方式带来一个缺点，那就是地面接收设备无法掌控飞行器主动播报的时刻。多批目标的广播报文可能同时到达地面接收设备，导致多个射频脉冲信号交叠在一起。由于多重信号在时间域交叠，而使用频率都在1090±1MHz范围内，也即在频率域上频谱也互相交叠，在调制域又没有任何脉内正交编码调制，在极化域也不可能区分，因此，难以从信号的角度分离两个交叠脉冲。虽然，1090ES的每个报文的持续时间只有120μs，每个飞行器平均每秒发送约4.7个报文，在目标数较少的空域多重信号交叠的可能性较小。但在目标数较多的大型枢纽空港附近空域，信号交叠的概率就大大增加，信号交叠将严重影响地面监视系统获取目标信息的准确性和可靠性。目前，国内厂商研制的地面监视系统尚未具备1090ES脉冲信号解同频交叠能力。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于二次拐点法的1090ES信号解同频交叠方法。

为了解决上述技术问题，本发明技术方案的实施步骤如下：

(1)1090ES信号经接收机包络检波，输出视频信号。

(2)为使信号的检测门限自适应的调整，在无信号期间，对接收机输出的视频信号进行检测，利用下式估计信道底噪声的方差。

其中，为底噪声方差的估计值，N是滑窗运算的窗长度，z_i是第i时刻噪声的幅度。

(3)假定视频信号服从均值为μ，方差为σ₁的瑞丽分布，根据信道底噪声的方差σ，由下式确定信号的均值、方差以及检测门限V_T。

其中，σ由其估计值代替，b由虚警率确定，取值范围0～1。

(4)采用双门限检测法，对脉冲信号的起始和结束时间进行粗估计。即根据检测门限，当连续L个数据中有M个以上的数据大于检测门限时，则认为有脉冲信号；反之，当连续L个数据中有M个以上的数据小于检测门限时，则认为脉冲信号结束,L>M；将粗估计的起始时间和结束时间分别向前、向后推10～99个点，以保证粗估计界定的数据段x(n)中包含脉冲信号的上升沿和下降沿。

(5)利用下式对包含脉冲信号的数据段x(n)进行相关累加获得g(n)，

当存在脉冲信号时，经过累加后g(n)序列会呈现阶梯状,其中，x(i)为恒大于等于零的视频信号数据，因此，不必对x(i)求取绝对值。g(n)序列中存在分别对应于脉冲信号的起始和终止的拐点，为了区分第二轮拐点的检测，将此阶段的两个拐点统称为一次拐点，分别为一次起始拐点和一次终止拐点。

(6)连接g(n)的首尾两点构造直线序列c₁(n)，并利用下式对g(n)进行一次差分获得d₁(n)，使得一次拐点在d₁(n)序列中变换成极值点。

d₁(n)＝g(n)-c₁(n)

当存在脉冲交叠时，d₁(n)序列中还会出现一对幅度相对较弱的拐点，将此对拐点称之为二次拐点，为此进行第二轮拐点检测。

(7)顺序连接d₁(n)的首点、一次起始拐点、一次终止拐点和d₁(n)的尾点，由这四个特征点形成3条连续的线段，构造出折线序列c₂(n)。利用下式对d₁(n)进行二次差分获得序列d₂(n)，使得二次拐点在d₂(n)序列中变换成极值点。

d₂(n)＝d₁(n)-c₂(n)

(8)设定二次拐点的检测门限，门限的大小由序列d₂(n)的方差决定，取值范围0～10。如果交叠脉冲不存在，d₂(n)的方差较小；反之，则d₂(n)的方差较大。若极值点的绝对值大于等于该门限，则判断存在脉冲信号交叠，并记录一次拐点和二次拐点在时间轴上的位置，即获得经分离后两个脉冲的起始和终止时间；反之，则判断不存在脉冲信号交叠，仅记录一次拐点在时间轴上的位置，即单个脉冲的起始和终止时间。

(9)回到步骤(4)，继续检测信号。

本发明基于二次拐点法的1090ES信号解同频交叠方法中，在上述步骤(7)中，当存在脉冲信号交叠时，相关积累序列g(n)呈现多重拐点的时域特征，为此进行第二轮拐点检测。提出构造折线序列c₂(n)用于二次差分，使得二次拐点变成极值点。

本发明基于二次拐点法的1090ES信号解同频交叠方法中，在上述步骤(8)中，根据解交叠概率设定二次拐点的检测门限，由此判断脉冲信号是否存在交叠。若极值点的绝对值大于等于该门限，则判断存在脉冲信号交叠，并检测二次拐点的起始和终止时间；反之，则判断不存在脉冲信号交叠，仅记录一次拐点的起始和终止时间。

本发明基于二次拐点法的1090ES信号解同频交叠方法中，采用视频信号相关积累，并进行两轮拐点检测，提取二次拐点，确定二重交叠脉冲的起始时间和终止时间，以实现在1090ES信号交叠的情况下正确解码的功能。

既然同频交叠脉冲难以从信号的角度实现分离，本发明考虑从交叠信号包络的时域特征出发，通过确定两个交叠脉冲的起始和终止时间来恢复原始信号的框架，这样可以大大降低地面监视系统在脉冲信号交叠的情况下检测的误码率，填补国内在该技术上的空白。

本发明能够对现有的1090ES地面监视系统进行技术提升，实现在1090ES信号交叠情况下的正确解码，提高地面监视系统在目标较多空域连续监视的能力。本发明具有以下显著优点：(1)能够在信号的频率相同或非常接近、信号的频谱交叠、初相和幅度未知的条件下，实现时域交叠脉冲起始时间和终止时间的盲估计；(2)能够分别提取两个交叠脉冲的起始时间和终止时间，而不丢弃任何信号；(3)能够根据解交叠概率设定二次拐点判决门限自动判断脉冲信号交叠的存在与否，并做相应的处理；(4)算法简单运算量小，适合硬件实时实现。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明基于二次拐点法的1090ES信号解同频交叠方法的流程图。

图2是视频信号图。

具体实施方式

本发明公开了一种基于二次拐点法的1090ES信号解同频交叠方法，包括步骤如下：

步骤(1)1090ES信号经接收机包络检波，输出视频信号；

步骤(2)在无1090ES信号期间，对接收机输出的视频信号进行检测，用于信号的检测门限自适应的调整，利用下式滑窗估计信道底噪声的方差的估计值：

其中，N是滑窗运算的窗长度，即参与滑窗运算的连续采样点的个数，z_i是第i个采样点的噪声幅度；

步骤(3)，假定视频信号服从均值为μ，方差为σ₁的瑞丽分布，根据信道底噪声的方差σ，由下式确定信号的均值、方差以及检测门限V_T：

其中，σ由底噪声的方差的估计值代替，b由虚警率确定；

步骤(4)采用双门限检测法，对脉冲信号的起始和结束时间进行粗估计：即根据检测门限，当连续L个数据中有M个以上的数据大于检测门限时，则认为有脉冲信号；反之，当连续L个数据中有M个以上的数据小于检测门限时，则认为脉冲信号结束,L>M；将粗估计的起始时间和结束时间分别向前、向后推10～99个点，使得粗估计界定的数据段x(n)中包含脉冲信号的上升沿和下降沿；

步骤(5)利用下式对包含脉冲信号的数据段x(n)进行相关累加获得序列g(n)：

其中，x(i)为恒大于等于零的视频信号数据，序列g(n)中存在分别对应于脉冲信号的起始和终止的拐点，将此阶段的两个拐点统称为一次拐点，分别为一次起始拐点和一次终止拐点；

步骤(6)连接序列g(n)的首尾两点构造直线序列c₁(n)，并利用下式对序列g(n)进行一次差分获得序列d₁(n)，使得一次拐点在序列d₁(n)中变换成极值点：

d₁(n)＝g(n)-c₁(n)，

当存在脉冲交叠时，序列d₁(n)中出现一对幅度相对较弱的拐点，将此对拐点称之为二次拐点，为此进行第二轮拐点检测；

步骤(7)顺序连接序列d₁(n)的首点、一次起始拐点、一次终止拐点和尾点，由这四个特征点形成3条连续的线段，构造出折线序列c₂(n)；利用下式对序列d₁(n)进行二次差分获得序列d₂(n)，使得二次拐点在序列d₂(n)中变换成极值点：

d₂(n)＝d₁(n)-c₂(n)；

步骤(8)设定二次拐点的检测门限，若极值点的绝对值大于等于该门限，则判断存在脉冲信号交叠，并记录一次拐点和二次拐点在时间轴上的位置，即获得经分离后两个脉冲的起始和终止时间；反之，则判断不存在脉冲信号交叠，仅记录一次拐点在时间轴上的位置，即单个脉冲的起始和终止时间；

步骤(9)回到步骤(4)，继续检测信号。

在上述步骤(7)中，当存在脉冲信号交叠时，序列g(n)呈现多重拐点的时域特征，进行第二轮拐点检测，构造折线序列c₂(n)用于二次差分，使得二次拐点变成极值点，提取其起始时间和终止时间。

实施例

结合图1，下面以实例来说明本发明基于二次拐点法的1090ES信号解同频交叠方法。1090ES射频信号经过天线、馈线、接收机处理后输出模拟视频信号，经过ADC采样后形成数字视频信号，送至现场可编程门阵列(FPGA)进行框架脉冲检测和解码。根据信号参数全盲条件下脉冲到达时间估计的克拉美罗限，到达时间的估计精度与采样间隔的平方成正比，与信噪比成反比。因此，ADC的采样频率可根据到达时间估计精度的实际需求来确定。脉冲信号的解交叠在FPGA中实现，满足实时处理的需求，具体实施步骤如下：

(1)1090ES信号经天线接收、馈线传输、接收机放大和包络检波后，形成视频信号。经过模数转换器(ADC)采样后变换成数字视频信号，送至FPGA。在FPGA内实现以下实时处理。

(2)利用FPGA中的FIR滤波器，数字视频信号首先经过低通滤波，实现带外噪声抑制，滤除高频噪声，以提高信号的信噪比。

(3)利用D触发器对数字视频信号进行延时缓存。

(4)设定初始检测门限，判断信号有无。在无信号期间，对视频信号利用下式估计信道底噪声的方差。

其中，为底噪声方差的估计值，N是滑窗运算的窗长度，z_i是第i时刻噪声的幅度。上式中的累加可通过定义一个新变量在采样时钟的驱动下实时更新，新变量的运算可利用下式通过滑动递推实现，即每次只需加上最新的z²值，而减去倒推N个采样点时的z²值。即加上序列中最头上的值，减去序列中最末尾的值。

Y(i+1)＝Y(i)+z²(i+1+N)-z²(i+1)

由上式可知，每计算一个新的Y(i)，仅需进行一次乘法和两次加法。信道底噪声的方差可实现实时估计，但在信号到达期间保持不变。

(5)根据信道底噪声的方差σ，通过下式计算信号的均值、方差以及检测门限V_T。

其中，σ²由其估计值代替，由步骤(4)获得；b由恒虚警门限计算式决定，取值范围0～1。N是常数，可分别与上式中常系数合并成一个新常量，因此，检测门限V_T的计算仅需两次乘法和一次加法运算。

(6)采用双门限检测法，对脉冲信号的起始和结束时间进行粗估计。首先，在采样时钟的驱动下，对每一个采样数据依次判断是否大于检测门限，1表示大于门限，0表示小于等于门限，定义一个1bit的数列p(n)对判断结果进行记录和延时缓存。其次，做以下判断：当连续L个数据中有M个以上的数据大于检测门限时，则认为有脉冲信号；当连续L个数据中有M个以上的数据小于检测门限时，则认为脉冲信号结束。同样，采样滑动递推的方式来统计L个连续数据中大于检测门限和小于等于检测门限的个数。定义两个新变量，通过下式来进行实时统计。

其中，S_H(n)表示连续L个数据中大于检测门限的个数，S_L(n)表示连续L个数据中小于检测门限的个数，表示对p(n)取非运算。

将粗估计的起始时间和结束时间分别向前、向后推若干个点，以保证粗估计界定的数据段x(n)中包含脉冲信号的上升沿和下降沿。

(7)定义新序列g(n)，利用下式对包含脉冲信号的数据段x(n)进行相关累加获得g(n)，

其中，x(i)为恒大于等于零的视频信号数据，因此，不必对x(i)求取绝对值。当判断到脉冲信号结束时，记录累计量的最大值用以构建直线序列，最大值记录完后对累计值清零。g(n)序列中存在分别对应于脉冲信号的起始和终止的拐点，为了区分第二轮拐点的检测，将此阶段的两个拐点统称为一次拐点，分别为一次起始拐点和一次终止拐点。

(8)根据记录下的g(n)的最大值，连接g(n)的首尾两点构造直线序列c₁(n)＝kn，计算c₁(n)的斜率k，并利用下式对g(n)进行一次差分获得d₁(n)，使一次拐点在d₁(n)序列中变换成极值点，并记录极值点的位置。

d₁(n)＝g(n)-c₁(n)

当存在脉冲交叠时，d₁(n)序列中还会出现一对幅度相对较弱的拐点，将此对拐点称之为二次拐点，为此将d₁(n)延时缓存，并进行第二轮拐点检测。

(9)根据d₁(n)的首点、一次起始拐点、一次终止拐点和d₁(n)的尾点，分别计算由这四个特征点顺序连接而成的3条线段的直线方程，构造出折线序列c₂(n)。利用下式对d₁(n)进行二次差分获得d₂(n)，使得二次拐点在d₂(n)序列中变换成极值点。

d₂(n)＝d₁(n)-c₂(n)

(10)设定二次拐点的检测门限，门限的大小由序列d₂(n)的方差决定。若d₂(n)的方差较大，则认为存在交叠脉冲；反之则判断不存在交叠脉冲。若极值点的绝对值大于等于该门限，则判断脉冲信号存在交叠，并记录一次拐点和二次拐点在时间轴上的位置，即获得两个交叠脉冲的起始和终止时间；反之，则判断脉冲信号不存在交叠，仅记录一次拐点在时间轴上的位置，即单个脉冲的起始和终止时间。

(11)回到步骤(4)，继续检测信号。

图2中由上至下第一子图是两个脉冲交叠后的视频信号x(n)，其后子图是本发明处理过程中中间结果g(n)、c₁(n)、d₁(n)、c₂(n)、d₂(n)的波形图，第三子图中的空心小方块为一次拐点，第四子图中空心小方块为二次拐点。

本发明提供了一种基于二次拐点法的1090ES信号解同频交叠方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (2)

1.一种基于二次拐点法的1090ES信号解同频交叠方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤(1)1090ES信号经接收机包络检波，输出视频信号；

步骤(2)在无1090ES信号期间，对接收机输出的视频信号进行检测，用于信号的检测门限自适应的调整，利用下式滑窗估计信道底噪声的方差的估计值

$\widehat{\mathrm{\σ}}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{z}_i^2}{N-1}},$

其中，N是滑窗运算的窗长度，即参与滑窗运算的连续采样点的个数，z_i是第i个采样点的噪声幅度；

步骤(3)，假定视频信号服从均值为μ，方差为σ₁的瑞利分布，根据信道底噪声的方差σ，由下式确定信号的均值、方差以及检测门限V_T：

$\mathrm{\μ}=1.253\sqrt{2N}{\mathrm{\σ}}^2,$

${\mathrm{\σ}}_1=0.43\sqrt{2N}{\mathrm{\σ}}^2,$

V_T＝μ+bσ₁,

其中，σ由底噪声的方差的估计值代替，b由虚警率确定；

步骤(4)采用双门限检测法，对脉冲信号的起始和结束时间进行粗估计：即根据检测门限，当连续L个数据中有M个以上的数据大于检测门限时，则认为有脉冲信号；反之，当连续L个数据中有M个以上的数据小于检测门限时，则认为脉冲信号结束,L>M；将粗估计的起始时间和结束时间分别向前、向后推10～99个点，使得粗估计界定的数据段x(n)中包含脉冲信号的上升沿和下降沿；

步骤(5)利用下式对包含脉冲信号的数据段x(n)进行相关累加获得序列g(n)：

$g\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}x\left(i\right),$

其中，x(i)为恒大于等于零的视频信号数据，序列g(n)中存在分别对应于脉冲信号的起始和终止的拐点，将此阶段的两个拐点统称为一次拐点，分别为一次起始拐点和一次终止拐点；

步骤(6)连接序列g(n)的首尾两点构造直线序列c₁(n)，并利用下式对序列g(n)进行一次差分获得序列d₁(n)，使得一次拐点在序列d₁(n)中变换成极值点：

d₁(n)＝g(n)-c₁(n)，

当存在脉冲交叠时，序列d₁(n)中出现一对幅度相对较弱的拐点，将此对拐点称之为二次拐点，为此进行第二轮拐点检测；

步骤(7)顺序连接序列d₁(n)的首点、一次起始拐点、一次终止拐点和尾点，由这四个特征点形成3条连续的线段，构造出折线序列c₂(n)；利用下式对序列d₁(n)进行二次差分获得序列d₂(n)，使得二次拐点在序列d₂(n)中变换成极值点：

d₂(n)＝d₁(n)-c₂(n)；

步骤(8)设定二次拐点的检测门限，若极值点的绝对值大于等于该门限，则判断存在脉冲信号交叠，并记录一次拐点和二次拐点在时间轴上的位置，即获得经分离后两个脉冲的起始和终止时间；反之，则判断不存在脉冲信号交叠，仅记录一次拐点在时间轴上的位置，即单个脉冲的起始和终止时间；

步骤(9)回到步骤(4)，继续检测信号。

2.根据权利要求1所述的基于二次拐点法的1090ES信号解同频交叠方法，其特征在于，在上述步骤(7)中，当存在脉冲信号交叠时，序列g(n)呈现多重拐点的时域特征，进行第二轮拐点检测，构造折线序列c₂(n)用于二次差分，使得二次拐点变成极值点，提取脉冲信号起始时间和终止时间。