CN111147411A - 一种判定ads-b信号解调结果置信度的动态阈值获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种判定ADS‑B信号解调结果置信度的动态阈值获取方法，涉及通信信号处理领域。针对现有技术解调方法中置信度阈值为固定值，置信度判断不够灵活，影响误码率的问题。本发明针对每一帧报文内部所有码片的信噪比具有较高一致性的特点，充分利用报头的8us采样数据，计算ADS‑B报头的高电平均值x₁和整体均值x₂；继而得到中置信度阈值；本发明阈值大小仅与ADS‑B信号报头采样点的值的大小有关，当前一帧信号处理完后，阈值α的大小也会根据一帧信号的特点发生变化，动态阈值法的误判率更低，尤其在信噪比较低的情况下性能更突出。阈值α仅与信号本身有关，与接收机结构无关，具有更强的自适应能力，可以更大限度地降低误码率。

Description

一种判定ADS-B信号解调结果置信度的动态阈值获取方法

技术领域

本发明属于通信信号处理领域，涉及一种数字信号解调的置信度判断方法，具体为一种判定ADS-B信号解调结果置信度的动态阈值获取方法。

背景技术

广播式自动相关监视(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，简称ADS-B)技术，是一种基于卫星定位信息的用于航空器和地面、航空器和航空器之间以数据链的形式完成地/空空管监视、空-空监视的技术。ADS-B信号由报头和报文组成，如图1所示，报头长度为8us，其中0～0.5us、1～1.5us、3.5～4us、4.5～5us为高电平，其他部分为低电平；报文部分为PPM编码调制。在对报文进行PPM解调时，采用的方法为，对一个符号的前0.5us的采样值A和后0.5us采样值B的大小进行比较进行判断，若A>＝B解调为“1”，若A<B解调为“0”。

采用上述方法进行PPM解调时，涉及解调失误的问题，由于信号传输时存在一定干扰，信噪比越小，解调失误的概率越大，如当前码片的实际符号为“1”，理想情况下前0.5us的采样值A应大于0.5us采样值B，但由于信道的干扰，导致前0.5us的采样值A小于0.5us采样值B，这时解调出现了错误，把当前码片符号误判为“0”。

因此，需要设计一种方法来判断当前码片的PPM解调是否正确，即解调置信度的高低。判断置信度的高低，需要将上述的“A”和“B”作差取绝对值，即C＝|A-B|，再界定一个阈值α，令α具备以下特征：

当C≥α时，解调的置信度高，置信度＝1；

当C＜α时，解调的置信度低，置信度＝0。

而这时涉及阈值α如何计算的问题。

当前界定α值的方法，一般是根据某个特定接收机的采样信号特征，经过多次试验，划定的一个确定值，即α是一个经验值，且确定之后将不再改变。(出自论文《1090ES模式下ADS-B接收机解码系统设计》，张成龙，哈尔滨工程大学硕士学位论文)

申请号CN201810095615.5采取双门限方法，即有2个α值α1和α2，但α1和α2依然是两个经验值，且确定之后将不再改变。

现有的技术的缺点在于：

1、不论是单门限方案还是双门限方案，其阈值均为固定值，与接收机的结构特征以及工程师的测试经验有着极强的关系，信号的置信度判断不够灵活，影响误码率。

2、由于阈值与接收机本身关系密切，若移植到其他类型的接收机则阈值也需要相应调整，因而这些方案不利于多系列产品的研发，调试成本高。

发明内容

为了克服现有技术中的问题，本发明针对每一帧报文内部所有码片的信噪比具有较高一致性的特点，充分利用报头的8us采样数据，推导出一个合理的判定ADS-B信号解调结果置信度的动态阈值获取方法。

本发明首先公开了一种判定ADS-B信号解调结果置信度的动态阈值获取方法，包括如下步骤：

S01：针对每一帧ADS-B信号，计算ADS-B报头的高电平均值x₁和整体均值x₂；

S02：针对每个码片，以固定间隔进行采样，且波形左边和右边的采样点数量相同；集合P＝{p_i}表示波形左边的采样点集，Q＝{q_i}表示波形右左边的采样点集，i＝1～m，m为波形一侧的采样点数；

对集合P和Q分别求和，即

y₁＝∑p_i

y₂＝∑q_i

若y₁≥y₂，则判断该码片为“1”，若y₁＜y₂，则判断该码片为“0”；

S03：再对y₁和y₂作差并取绝对值，即

Δy＝|y₁-y₂|

选取和调整正整数n，使阈值α＝n(x₁-x₂)的误判率最低，

以误判率最低的阈值α进行置信度判断，若Δy≥α，则判断置信度为“1”，若Δy＜α，则判断置信度为“0”。

其中，正整数n的取值步骤如下：

i.首先分别取n为m-1、m、m+1，m为二分之一码片采样点数，得到α₁＝(m-1)(x₁-x₂)，α₂＝m(x₁-x₂)，α₃＝(m+1)(x₁-x₂)，

ii.分别记录和统计阈值取对应α时的误判次数，计算误判率；

iii.若n取m时的α误判率最低，则n取m；

若n取m-1的误判率最低，则分别取n为m-3、m-2、m-1，得到对应的α，重复步骤ii得到误判率，根据误判率调整n的取值，直至三个n取值中，中间值对应的阈值α的误判率最低，取此时的中间值为最佳n值；

若n取m+1的误判率最低，则分别取n为m+1、m+2、m+3，得到对应的α，重复步骤ii得到误判率，根据误判率调整n的取值，直至三个n取值中，中间值对应的阈值α的误判率最低，取此时的中间值为最佳n值。

作为本发明的优选方案，所述的步骤S01具体为：

令集合A＝{a_i}表示0～0.5us的采样点集，集合B＝{b_i}表示1～1.5us的采样点集，集合C＝{c_i}表示3.5～4us的采样点集，集合D＝{d_i}表示4.5～5us的采样点集，集合V＝{v_i}表示报头的所以采样点集；

对集合A，B，C，D求高电平均值，即

再对集合V求均值，即

作为本发明的优选方案，ADS-B信号的前8us为报头；采样点的采样频率为20MHz，m＝10。

本发明还公开了一种基于ADS-B信号的PPM解调方法，其过程如下：

S01：针对每一帧ADS-B信号，计算ADS-B报头的高电平均值x₁和整体均值x₂；

S02：针对每个码片，以固定间隔进行采样，且波形左边和右边的采样点数量相同；集合P＝{p_i}表示波形左边的采样点集，Q＝{q_i}表示波形右左边的采样点集，i＝1～m，m为波形一侧的采样点数；

对集合P和Q分别求和，即

y₁＝∑p_i

y₂＝∑q_i

若y₁≥y₂，则判断该码片为“1”，若y₁＜y₂，则判断该码片为“0”；

S03：再对y₁和y₂作差并取绝对值，即

Δy＝|y₁-y₂|

选取和调整正整数n，使阈值α＝n(x₁-x₂)的误判率最低，

以误判率最低的阈值α进行置信度判断，若Δy≥α，则判断置信度为“1”，若Δy＜α，则判断置信度为“0”；

S04：根据判断得到的置信度，进行ADS-B数据的纠错和检错；

S05：当前一帧信号处理完后，重复执行步骤S01～S04直至完成整个解调任务。

作为本发明的优选方案，正整数n的取值步骤如下：

i.首先分别取n为m-1、m、m+1，m为二分之一码片采样点数，得到α₁＝(m-1)(x₁-x₂)，α₂＝m(x₁-x₂)，α₃＝(m+1)(x₁-x₂)，

ii.分别记录和统计阈值取对应α时的误判次数，计算误判率；

iii.若n取m时的α误判率最低，则n取m；

若n取m-1的误判率最低，则分别取n为m-3、m-2、m-1，得到对应的α，重复步骤ii得到误判率，根据误判率调整n的取值，直至三个n取值中，中间值对应的阈值α的误判率最低，取此时的中间值为最佳n值；

若n取m+1的误判率最低，则分别取n为m+1、m+2、m+3，得到对应的α，重复步骤ii得到误判率，根据误判率调整n的取值，直至三个n取值中，中间值对应的阈值α的误判率最低，取此时的中间值为最佳n值。

作为本发明的优选方案，所述的步骤S04为：

i.统计一条ADS-B报文中置信度低的码片个数，若置信度低的码片个数大于5，则表示该条报文受干扰严重，丢弃该条报文；若个数小于等于5，执行步骤ii；

ii.组合所有置信度低的码片对应的单位校正序列，把得到的组合校正序列和原始报文通过除法电路得到的错误图样进行逐一对比，若没有任何一个组合校正序列和错误图样相等，则纠错失败，丢弃该条报文；若某个组合校正序列和错误图样相等，则把该组合校正序列对应的低置信度码片取反，至此，纠错和检错工作完成；

本发明的阈值计算方法是一种动态阈值法，阈值大小仅与ADS-B信号报头采样点的值的大小有关，当前一帧信号处理完后，阈值α的大小也会根据一帧信号的特点发生变化，因此α也是一个动态的阈值。动态阈值法的误判率更低，尤其在信噪比较低的情况下性能更突出。阈值α仅与信号本身有关，与接收机结构无关，具有更强的自适应能力，可以更大限度地降低误码率。

由于阈值完全取决于信号特征，因此在移植到其他接收机的过程中不需要再次调整，极大地降低了研发过程中的调试成本。

附图说明

图1 ADS-B信号组成示意图；

图2 PPM调制码片结构示意图；

图3为本发明方法的流程图；

图4实施例中，不同方法下，误判率随信噪比变化的对比图；

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图3所示为本发明方法的流程图，下面结合图3对本方法进行展开说明。

(1)计算报头的高电平均值和整体均值

ADS-B报文的前8us为报头，如图1所示。

本实施例的采样频率为20MHz，即8us的报头共有160个采样点，令集合A＝{a₁，a₂，a₃，a₄，a₅，a₆，a₇，a₈，a₉，a₁₀}表示0～0.5us的采样点，集合B＝{b₁，b₂，b₃，b₄，b₅，b₆，b₇，b₈，b₉，b₁₀}表示1～1.5us的采样点，集合C＝{c₁，c₂，c₃，c₄，c₅，c₆，c₇，c₈，c₉，c₁₀}表示3.5～4us的采样点，集合D＝{d₁，d₂，d₃，d₄，d₅，d₆，d₇，d₈，d₉，d₁₀}表示4.5～5us的采样点，集合V＝{v_i}(i＝1～160)表示整个8us报头的160个采样点。

对集合A，B，C，D求均值，即

再对集合V求均值，即

则存在一个正整数n，使阈值α满足

α＝n(x₁-x₂)

(2)PPM解调和判断置信度的方法

8us之后的报文部分在做PPM解调时，采用的方法为比较一个码片的前0.5us和后0.5us的大小，如图2所示。

集合P＝{p_i}(i＝1～10)表示码片的前0.5us的采样点，Q＝{q_i}(i＝1～10)表示码片的后0.5us的采样点，

先对集合P和Q分别求和，即

y₁＝∑p_i

y₂＝∑q_i

判断该码片符号为“1”或“0”的条件为，

若y₁≥y₂，则判断该码片为“1”，

若y1＜y2，则判断该码片为"0"。

再对y1和y2作差并取绝对值，即Δy＝|y1-y2|判断置信度为"1"或"0"的条件为，若Δy≥α，则判断置信度为"1"，若Δy＜α，则判断置信度为"0"。

(3)正整数n的取值

由于采样率为20MHz，因此Δy是10个采样点之和与另外10个采样点之和的差值的绝对值，

正整数n的取值需要通过具体实验的方式进行统计和评估，具体实验的实施步骤如下：

i.发射码片已知，在没有任何干扰的情况下，Δy和n取二分之一码片采样点数时的α相等，因此首先可以界定n的取值在二分之一码片采样点数附近，假设该值为10；

ii.发射码片已知，在信道中增加高斯白噪声，在相同干扰条件下，分别取n为9、10、11时的α，即α₁＝9(x₁-x₂)，α₂＝10(x₁-x₂)，α₃＝11(x₁-x₂)，分别记录和统计阈值取α₁、α₂、α₃时的误判次数，在发射端连续发射一万次，计算误判率；

iii.若n取10的误判率最低，则n取10，若n取9的误判率最低，则分别取n为7、8、9时的α，重复步骤ii。同理，若n取11的误判率最低，则分别取n为11、12、13时的α，重复步骤ii。

通过以上步骤，可以确定最佳n值。

经验证，本实施例中n取10最为合适。即n＝10综上所述，取阈值α＝10(x1-x2)用于判断PPM解调置信度最为合适。x1和x2的大小仅与ADS-B信号报头采样点的值的大小有关，当前一帧信号处理完后，阈值α的大小也会根据一帧信号的特点发生变化，因此α也是一个动态的阈值。

(4)根据判断得到的置信度，辅助ADS-B数据的纠错和检错。

i.统计一条ADS-B报文中置信度低的码片个数，若置信度低的码片个数大于5，则表示该条报文受干扰严重，丢弃该条报文；若个数小于等于5，执行步骤ii；

ii.组合所有置信度低的码片对应的单位校正序列，把得到的组合校正序列和原始报文通过除法电路得到的错误图样进行逐一对比，若没有任何一个组合校正序列和错误图样相等，则纠错失败，丢弃该条报文；若某个组合校正序列和错误图样相等，则把该组合校正序列对应的低置信度码片取反，至此，纠错和检错工作完成；

用ADC采集一组真实的ADS-B信号(约10000条报文)，分别用单门限法、双门限法和本发明的动态阈值法进行PPM解调的置信度判断，其中，单门限法和双门限法在本次实验中根据实验所用接收机的特性取值，具体实施方法如下：

i.所用ADC位宽为10bit，取值范围为0～1023，ADC采样理想码片时，高电平的值为800，低电平的值为0；

ii.每us的采样点数为20，单门限取固定值6500，双门限取固定值5000和9000。

统计分析后得出的误判率随信噪比变化的对比图如图3所示

从图4中可以看出，动态阈值法的误判率更低，尤其在信噪比较低的情况下性能更突出。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求。

Claims (7)

1.一种判定ADS-B信号解调结果置信度的动态阈值获取方法，其特征在于包括如下步骤：

S01：针对每一帧ADS-B信号，计算ADS-B报头的高电平均值x₁和整体均值x₂；

S02：针对每个码片，以固定间隔进行采样，且波形左边和右边的采样点数量相同；集合P＝{p_i}表示波形左边的采样点集，Q＝{q_i}表示波形右左边的采样点集，i＝1～m，m为波形一侧的采样点数；

对集合P和Q分别求和，即

y₁＝∑p_i

y₂＝∑q_i

若y₁≥y₂，则判断该码片为“1”，若y₁＜y₂，则判断该码片为“0”；

S03：再对y₁和y₂作差并取绝对值，即

Δy＝|y₁-y₂|

选取和调整正整数n，使阈值α＝n(x₁-x₂)的误判率最低，

以误判率最低的阈值α进行置信度判断，若Δy≥α，则判断置信度为“1”，若Δy＜α，则判断置信度为“0”。

2.根据权利要求1所述的判定ADS-B信号解调结果置信度的动态阈值获取方法，其特征在于，正整数n的取值步骤如下：

i.首先分别取n为m-1、m、m+1，m为二分之一码片采样点数，得到α₁＝(m-1)(x₁-x₂)，α₂＝m(x₁-x₂)，α₃＝(m+1)(x₁-x₂)，

ii.分别记录和统计阈值取对应α时的误判次数，计算误判率；

iii.若n取m时的α误判率最低，则n取m；

若n取m-1的误判率最低，则分别取n为m-3、m-2、m-1，得到对应的α，重复步骤ii得到误判率，根据误判率调整n的取值，直至三个n取值中，中间值对应的阈值α的误判率最低，取此时的中间值为最佳n值；

若n取m+1的误判率最低，则分别取n为m+1、m+2、m+3，得到对应的α，重复步骤ii得到误判率，根据误判率调整n的取值，直至三个n取值中，中间值对应的阈值α的误判率最低，取此时的中间值为最佳n值。

3.根据权利要求1所述的判定ADS-B信号解调结果置信度的动态阈值获取方法，其特征在于所述的步骤S01具体为：

令集合A＝{a_i}表示0～0.5us的采样点集，集合B＝{b_i}表示1～1.5us的采样点集，集合C＝{c_i}表示3.5～4us的采样点集，集合D＝{d_i}表示4.5～5us的采样点集，集合V＝{v_i}表示报头的所以采样点集；

对集合A，B，C，D求高电平均值，即

再对集合V求均值，即

4.根据权利要求1所述的判定ADS-B信号解调结果置信度的动态阈值获取方法，其特征在于ADS-B信号的前8us为报头；采样点的采样频率为20MHz，m＝10。

5.一种基于ADS-B信号的PPM解调方法，其特征在于：

S01：针对每一帧ADS-B信号，计算ADS-B报头的高电平均值x₁和整体均值x₂；

S02：针对每个码片，以固定间隔进行采样，且波形左边和右边的采样点数量相同；集合P＝{p_i}表示波形左边的采样点集，Q＝{q_i}表示波形右左边的采样点集，i＝1～m，m为波形一侧的采样点数；

对集合P和Q分别求和，即

y₁＝∑p_i

y₂＝∑q_i

若y₁≥y₂，则判断该码片为“1”，若y₁＜y₂，则判断该码片为“0”；

S03：再对y₁和y₂作差并取绝对值，即

Δy＝|y₁-y₂|

选取和调整正整数n，使阈值α＝n(x₁-x₂)的误判率最低，

以误判率最低的阈值α进行置信度判断，若Δy≥α，则判断置信度为“1”，若Δy＜α，则判断置信度为“0”；

S04：根据判断得到的置信度，进行ADS-B数据的纠错和检错；

S05：当前一帧信号处理完后，重复执行步骤S01～S04直至完成整个解调任务。

6.根据权利要求5所述的基于ADS-B信号的PPM解调方法，其特征在于，正整数n的取值步骤如下：

i.首先分别取n为m-1、m、m+1，m为二分之一码片采样点数，得到α₁＝(m-1)(x₁-x₂)，α₂＝m(x₁-x₂)，α₃＝(m+1)(x₁-x₂)，

ii.分别记录和统计阈值取对应α时的误判次数，计算误判率；

iii.若n取m时的α误判率最低，则n取m；

若n取m-1的误判率最低，则分别取n为m-3、m-2、m-1，得到对应的α，重复步骤ii得到误判率，根据误判率调整n的取值，直至三个n取值中，中间值对应的阈值α的误判率最低，取此时的中间值为最佳n值；

若n取m+1的误判率最低，则分别取n为m+1、m+2、m+3，得到对应的α，重复步骤ii得到误判率，根据误判率调整n的取值，直至三个n取值中，中间值对应的阈值α的误判率最低，取此时的中间值为最佳n值。

7.根据权利要求5所述的基于ADS-B信号的PPM解调方法，其特征在于：所述的步骤S04为：

i.统计一条ADS-B报文中置信度低的码片个数，若置信度低的码片个数大于5，则表示该条报文受干扰严重，丢弃该条报文；若个数小于等于5，执行步骤ii；

ii.组合所有置信度低的码片对应的单位校正序列，把得到的组合校正序列和原始报文通过除法电路得到的错误图样进行逐一对比，若没有任何一个组合校正序列和错误图样相等，则纠错失败，丢弃该条报文；若某个组合校正序列和错误图样相等，则把该组合校正序列对应的低置信度码片取反，至此，纠错和检错工作完成。

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