CN114567340A - 基于相关算法的ads-b信号接收基带处理方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于相关算法的ADS‑B信号接收基带处理方法及系统，包括以下步骤：步骤1、信号预处理：接收ADS‑B基带信号并采用自相关算法进行预处理后获得预处理后的信号；步骤2、噪底估算、获取相关峰：对预处理后的信号进行噪声估计计算得出参考噪底，将预处理后的信号与ADS‑B报头参考信号进行相关卷积运算后获得相关峰；步骤3、报头相关检测：比较相关峰与参考噪底，当相关峰大于参考噪底时，执行步骤4；步骤4、提取ADS‑B码字。本发明运用了相关算法和噪声预估等方式，抗干扰能力更强，在强背景噪声下也能保证恒虚警率工作。

Description

基于相关算法的ADS-B信号接收基带处理方法及系统
技术领域
本发明涉及ADS-B技术，尤其涉及一种基于相关算法的ADS-B信号接收基带处理方法及系统。
背景技术
广播式自动相关监视( Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B)是一个主动将自身的位置、高度、速度、航向、识别号等航迹信息向外主动广播的监视技术。利用ADS-B的主动广播特性，只要在ADS-B信号的可接收范围内，就可以使用ADS-B 接收设备收到飞机的飞行数据，从而解码出位置、高度、速度、航向、识别号等航迹信息。
传统的 ADS-B 基带信号接收处理方法脉冲检测法，利用脉冲位置、上升检测、功率检测，以及报头检测；主要存在以下缺点：
1、对于信噪比较低的信号正确识别率比较低，漏检率会增高，接收机灵敏度低。
2、采用绝对底噪作为门限，受环境因素影响大，在强背景噪声的情况下虚警率非常高。
发明内容
为克服上述缺陷，本发明旨在提供一种基于相关算法的ADS-B信号接收基带处理方法，经过相关算法处理后的ADS-B基带信号的在相同的SNR（信噪比）条件下，ADS-B基带信号提取明显，从而提高接收机灵敏度。
为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：
一种基于相关算法的ADS-B信号接收基带处理方法，包括以下步骤：
步骤1、信号预处理：接收ADS-B基带信号并采用自相关算法进行预处理后获得预处理后的信号；
步骤2、噪底估算、获取相关峰：对预处理后的信号进行噪声估计计算得出参考噪底，将预处理后的信号与ADS-B报头参考信号进行相关卷积运算后获得相关峰；
步骤3、报头相关检测：比较相关峰与参考噪底，当相关峰大于参考噪底时，执行步骤4；
步骤4、提取ADS-B码字。
进一步的，在步骤4之后还包括：
步骤5、校验：对提取的ADS-B码字进行校验，校验通过则输出正确的码字；校验失败则不输出码字，执行步骤1。
进一步的，在步骤3中，当相关峰不大于参考噪底时，放弃该预处理后的信号，执行步骤1。
优选的，所述自相关算法如下：
接收到ADS-B基带信号为复数信号：
Figure 814114DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure 338112DEST_PATH_IMAGE002
为实际信号，
Figure 321111DEST_PATH_IMAGE003
为信号的幅度，
Figure 794949DEST_PATH_IMAGE004
为初始相位，
Figure 812583DEST_PATH_IMAGE005
为采样时间间隔，
Figure 838308DEST_PATH_IMAGE006
为接收信号与本地接收机的本振频率差，
Figure 308604DEST_PATH_IMAGE007
为高斯白噪声，
Figure 848782DEST_PATH_IMAGE008
为相关函数的起始序号，
Figure 720923DEST_PATH_IMAGE009
相关函数的偏移序号；
其相关函数为：
Figure 386391DEST_PATH_IMAGE010
Figure 343983DEST_PATH_IMAGE012
其中
Figure 284257DEST_PATH_IMAGE013
为信号部分，
Figure 886270DEST_PATH_IMAGE014
为相关后的噪声，
Figure 519377DEST_PATH_IMAGE015
为采样点个数。
优选的，所述噪声估计计算是对连续的
Figure 226914DEST_PATH_IMAGE015
个采样点持续求平均：
Figure 846246DEST_PATH_IMAGE016
其中
Figure 427400DEST_PATH_IMAGE017
为输入信号序列(i为输入信号序列的序号)，
Figure 700249DEST_PATH_IMAGE018
为计算输出的
Figure 632433DEST_PATH_IMAGE015
个采样点的平均噪底，将所述平均噪底作为参考噪底。
优选的，步骤4中提取ADS-B码字的方法如下：
以相关峰的位置为报头位置，以1us为间隔连续提取112bit数据。
优选的，步骤5中的校验采用CRC校验，具体如下：
将所述112bit数据按位送入CRC校验计算逻辑，输出结果为0则检验通过。
本发明还公开一种系统，该系统采用上述的基于相关算法的ADS-B信号接收基带处理方法。
具体的，该系统包括：
自相关预处理模块，用于实现步骤1，并将预处理后的信号分3路分别发送至噪声估算模块、报头相关检测模块、码字提取模块；
噪声估算模块，用于对预处理后的信号进行噪声估计计算得出参考噪底，并将参考噪底发送至报头相关检测模块；
报头相关检测模块，用于获得相关峰，实现步骤3，并向解码控制模块发送解码触发信号；
码字提取模块，用于在解码触发信号的控制下实现步骤4；
CRC校验模块，用于实现步骤5。
本发明的有益效果如下：
1、本发明次用基于相关算法的ADS-B信号接收基带处理方法，在相同检测率情况下需要的接收信号的信噪比更低，可以有效提高接收机灵敏度。
2、本发明运用了相关算法和噪声预估等方式，抗干扰能力更强，在强背景噪声下也能保证恒虚警率工作。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为本发明的系统框架图。
图3为SNR=8db的ADS-B信号的示意图。
图4为经过预处理后输出的预处理后的信号的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，本实施例公开一种种基于相关算法的ADS-B信号接收基带处理方法，具体包括以下步骤：
步骤1、信号预处理：接收ADS-B基带信号并采用自相关算法进行预处理后获得预处理后的信号；
步骤2、噪底估算、获取相关峰：对预处理后的信号进行噪声估计计算得出参考噪底，将预处理后的信号与ADS-B报头参考信号进行相关卷积运算后获得相关峰；
步骤3、报头相关检测：比较相关峰与参考噪底，当相关峰大于参考噪底时，执行步骤4；
步骤4、提取ADS-B码字。
进一步的，在步骤4之后还包括：
步骤5、校验：对提取的ADS-B码字进行校验，校验通过则输出正确的码字；校验失败则不输出码字，执行步骤1。
在步骤3中，当相关峰不大于参考噪底时，放弃该预处理后的信号，执行步骤1。
其中，采用的自相关算法如下：
接收到ADS-B基带信号为复数信号：
Figure 914510DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure 284924DEST_PATH_IMAGE002
为实际信号，
Figure 135199DEST_PATH_IMAGE003
为信号的幅度，
Figure 289100DEST_PATH_IMAGE019
为初始相位，
Figure 109289DEST_PATH_IMAGE005
为采样时间间隔，
Figure 665035DEST_PATH_IMAGE006
为接收信号与本地接收机的本振频率差，
Figure 545266DEST_PATH_IMAGE007
为高斯白噪声，
Figure 920884DEST_PATH_IMAGE008
为相关函数的起始序号，
Figure 565271DEST_PATH_IMAGE009
为相关函数的偏移序号；
其相关函数为：
Figure 382049DEST_PATH_IMAGE020
Figure 433181DEST_PATH_IMAGE022
其中
Figure 827253DEST_PATH_IMAGE013
为信号部分，
Figure 130190DEST_PATH_IMAGE014
为相关后的噪声，
Figure 129370DEST_PATH_IMAGE015
为采样点个数。
采用自相关检测方法可以有效的抑制高斯白噪声，当样本数Ｎ较大时由中心极限定理可知
Figure 348474DEST_PATH_IMAGE023
为近似于高斯分布的复噪声。从上面的计算公式可以看到，经过自相关运算后，信噪比提高了N倍。
将接收的如图3所示的SNR=8db的ADS-B信号通过上述方法处理后，可以得到如图4所示的SNR（信噪比）明显提高的信号，上述信号均为时域信号，时间单位为us，幅度无量纲。
其中，采用的噪声估计计算方法如下：
利用数字信号处理的流水线工作特性，对连续的N点输入信号持续求平均，结算的结果即为在N点时间段内平均噪底。
Figure 698684DEST_PATH_IMAGE016
其中
Figure 929945DEST_PATH_IMAGE017
为输入信号序列(i为输入信号序列的序号)，
Figure 314790DEST_PATH_IMAGE018
为计算输出的
Figure 114250DEST_PATH_IMAGE015
个采样点的平均噪底，将所述平均噪底作为参考噪底。
步骤4中提取ADS-B码字的方法如下：
以相关峰的位置为报头位置，以1us为间隔连续提取112bit数据。
步骤5中的校验采用CRC校验，具体如下：
将所述112bit数据按位送入CRC校验计算逻辑，输出结果为0则检验通过。
实施例2
如图2所示，本实施例公开一种采用实施例1中方法进行ADS-B信号处理的系统，包括：
自相关预处理模块，用于实现步骤1，并将预处理后的信号分3路分别发送至噪声估算模块、报头相关检测模块、码字提取模块；
噪声估算模块，用于对预处理后的信号进行噪声估计计算得出参考噪底，并将参考噪底发送至报头相关检测模块；
报头相关检测模块，用于获得相关峰，实现步骤3，并向解码控制模块发送解码触发信号；
码字提取模块，用于在解码触发信号的控制下实现步骤4；
CRC校验模块，用于实现步骤5。
具体的，该种系统的工作原理如下：
1、将接收到的ADS-B基带信号使用自相关方法进行预处理。
2、预处理完成后将信号分成三路：第一路送给噪声估计模块；第二路送给报头相关检测模块，第三路码字提取算法模块。
3、第一路信号经过噪声估计计算得出实时噪底，并送给报头检测作为参考信号。
4、第二路信号送给报头相关检测，送入的信号和本地保存的ADS-B报头参考信号做相关卷积输出相关峰。输出的相关峰和噪声估计输出的噪底信号比较，若输出相关峰大于底噪，则判定检测到ADS-B报头，同时输出触发信号给解码控制模块，开始提取ADS-B码字。
5、码字提取模块实时等待解码控制信号，当解码控制模块输出使能信号时开始码字提取。
6、码字提取完成后将完成ADS-B原始码字送给CRC校验模块，功过校验算法则输出正确的码字，否则不输出码字。
具体的：
报头相关检测模块，利用卷积的特性计算出输入信号和本地预存的序列的相似程度，而使用ADS-B报头作为本地序列，就可以在输入信号中搜索ADS-B报头。具体工作原理：输入信号和本地保存的ADS-B报头序列做卷积，输出值的大小为输入信号和本地ADS-B报头序列的相似值，输出的值越大，则表示两个信号越相似。当输入信号和本地序列非常接近时，会输出一个极高的峰值，即相关峰。通过检相关峰的位置以及和噪底的相对大小可以准确的检测出ADS-B报头。
解码控制模块主要工作是控制码字提取，其工作原理为：当未检测到ADS-B报头时解码控制模块处于空闲状态。当收到报头相关检测模块发出ADS-B报头检测信号时，即判定已检测到ADS-B，需要开始码字提取工作，进入到码字提取工作状态。解码控制模块在码字提取工作状态下每1us输出一个使能信号给码字提取模块，总共持续112us，提取完成后解码控制模块回到空闲状态，等待下一个报头检测信号到来。
码字提取模块工作原理为：
1、将连续1us的时间测采样数据使用流水线寄存器保存，并将前0.5us和后0.5us分别累加求和得到两个求和结果
Figure 482915DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure 124724DEST_PATH_IMAGE025
。
2、等待解码控制模块使能信号，当有使能信号时将
Figure 629655DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure 193491DEST_PATH_IMAGE025
进行比较，若
Figure DEST_PATH_IMAGE026
这输出码字1，若
Figure 862501DEST_PATH_IMAGE027
则输出码字0。
3、总共提取112bit码字，提取完成后将112bit码字送给CRC校验模块进行校验。
CRC校验模块工作原理：采用标准的CRC校验公式，将112bit码字按位送入校验计算逻辑，最后输出结果为0则表示检验通过，接收到是正确的报文，并输出正确的码字；若输出结果不为0，则表示检验为通过，接收到码字有错误，不输出码字。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.基于相关算法的ADS-B信号接收基带处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、信号预处理：接收ADS-B基带信号并采用自相关算法进行预处理后获得预处理后的信号；
步骤2、噪底估算、获取相关峰：对预处理后的信号进行噪声估计计算得出参考噪底，将预处理后的信号与ADS-B报头参考信号进行相关卷积运算后获得相关峰；
步骤3、报头相关检测：比较相关峰与参考噪底，当相关峰大于参考噪底时，执行步骤4；
步骤4、提取ADS-B码字。
2.根据权利要求1所述的基于相关算法的ADS-B信号接收基带处理方法，其特征在于，在步骤4之后还包括：
步骤5、校验：对提取的ADS-B码字进行校验，校验通过则输出正确的码字；校验失败则不输出码字，执行步骤1。
3.根据权利要求1所述的基于相关算法的ADS-B信号接收基带处理方法，其特征在于，在步骤3中，当相关峰不大于参考噪底时，放弃该预处理后的信号，执行步骤1。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于相关算法的ADS-B信号接收基带处理方法，其特征在于，所述自相关算法如下：
接收到ADS-B基带信号为复数信号：
Figure 386434DEST_PATH_IMAGE002
其中e为自然对数的底数，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为实际信号，
Figure 719326DEST_PATH_IMAGE004
为信号的幅度，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为初始相位，
Figure 202873DEST_PATH_IMAGE006
为采样时间间隔，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为接收信号与本地接收机的本振频率差，
Figure 635122DEST_PATH_IMAGE008
为高斯白噪声，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为相关函数的起始序号，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
相关函数的偏移序号；
其相关函数为：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
Figure DEST_PATH_IMAGE015
其中
Figure 72794DEST_PATH_IMAGE016
为信号部分，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为相关后的噪声，
Figure 678219DEST_PATH_IMAGE018
为采样点个数。
5.根据权利要求1-3任一项所述的基于相关算法的ADS-B信号接收基带处理方法，其特征在于，所述噪声估计计算是对连续的
Figure 409415DEST_PATH_IMAGE018
个采样点持续求平均：
Figure 215828DEST_PATH_IMAGE020
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为输入信号序列(i为输入信号序列的序号)，
Figure 842594DEST_PATH_IMAGE022
为计算输出的
Figure 923814DEST_PATH_IMAGE018
个采样点的平均噪底，将所述平均噪底作为参考噪底。
6.根据权利要求2所述的基于相关算法的ADS-B信号接收基带处理方法，其特征在于，步骤4中提取ADS-B码字的方法如下：
以相关峰的位置为报头位置，以1us为间隔连续提取112bit数据。
7.根据权利要求6所述的基于相关算法的ADS-B信号接收基带处理方法，其特征在于，步骤5中的校验采用CRC校验，具体如下：
将所述112bit数据按位送入CRC校验计算逻辑，输出结果为0则检验通过。
8.基于相关算法的ADS-B信号接收基带处理的系统，其特征在于，所述系统采用如权利要求1-7任一项所述的基于相关算法的ADS-B信号接收基带处理方法。
9.根据权利要求8所述的基于相关算法的ADS-B信号接收基带处理的系统，其特征在于，包括：
自相关预处理模块，用于实现步骤1，并将预处理后的信号分3路分别发送至噪声估算模块、报头相关检测模块、码字提取模块；
噪声估算模块，用于对预处理后的信号进行噪声估计计算得出参考噪底，并将参考噪底发送至报头相关检测模块；
报头相关检测模块，用于获得相关峰，实现步骤3，并向解码控制模块发送解码触发信号；
码字提取模块，用于在解码触发信号的控制下实现步骤4；
CRC校验模块，用于实现步骤5。
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