S模式应答信号多通道接收解码技术研究

摘要：为了解决单个天线覆盖范围和作用距离之间的矛盾，实现更广的空域覆盖和更高解码率的目标，采用多个通道进行S模式应答信号的接收、解码及融合纠错的方法，进行了两通道接收、解码及融合纠错实验，获得具有代表性的三批目标的解码数据。经过统计分析，结果表明多通道接收解码不仅可以覆盖更广的空域范围以增加数据量，同时在其中两个通道覆盖的交叠区域，采用信息融合纠错的方法可提供较好的相互纠错能力。
关键词：S模式；多通道；分集接收；融合纠错

0 引言
    随着空中交通流量的增加，传统的A／C模式二次雷达因为代码有限且易受到混扰和串扰的影响已不能满足空中交通管制的需求。为了克服A／C模式的不足，具有基本监视、增强监视和数据链等功能的S模式被提出，并被国际民航组织接受，作为二次监视雷达的行业标准。自此，S模式二次雷达在世界范围内得到了最广泛地使用。目前，被公认为新一代监视技术的ADS-B迅猛发展，具有广阔的应用前景。为实现平稳升级，ADS-B采用S模式扩展报文数据链作为其主要协议。因此，对S模式应答信号的接收解码显得尤为重要。在空中交通管制领域，更广的空域覆盖和更高的正确接收解码率是接收设备的两大追求目标。使用单天线进行接收解码存在全向天线有效作用距离短和定向天线覆盖角度有限的矛盾，同时多点定位系统也对天线的全向接收和更远的作用距离提出了要求。为解决上述矛盾，采用多通道接收解码成为了一个发展方向。本文主要以两个接收通道为例研究S模式应答信号的多通道接收解码技术，及利用多天线的分集接收进行报文纠错的技术。

1 多通道接收解码的现实前提
    目前的空域中，载波频率在1 090 MHz上的信号有二次雷达A／C／S模式应答信号和基于1090ES数据链的ADS-B下行信号。A／C模式应答信号的长度为20．75μs，S模式应答信号及1090ES格式的ADS-B下行信号的长度为64／120μs(56／112μs的数据加上8μs的报头)，在理想情况下1 s之内可以发射或接收8 000多帧S模式应答信号或ADS-B下行信号，或更多的A／C模式应答信号。如图1所示。

    A／C／S模式二次雷达是即问即答的，而ADS-B下行信号具有时间上的自适应发射机制，选择在空域中的静默时隙发送。由于信号完成发送所用的时间相当短暂，所以可以认为大多数的信号没有和其他信号有重叠部分，当然不排除这样的情况。基于这样的认识，对多通道接收解码的研究将在多个接收通道在同一时刻只有一架飞机的信号到达的前提下进行。本文仅对两通道进行研究实验，多通道的原理是一样的，很容易进行拓展。
    将两个接收天线安装在同一个支架上，朝向不同的角度(同时有覆盖区域的交叠)，使用相同长度的微波电缆，以保证同一个信号通过两个通道到达解码输入端时严格的脉冲沿对准。

2 多通道融合纠错的理论基础
    在无线通信中，发射信号可能经过直射、反射、散射等多条路径到达接收端。这些多径信号相互叠加会形成衰落，其中快衰落的衰落深度可达40 dB。衰落会严重影响通信质量(如导致数字信号的高误码率等)。
    直观上可以通过加大发射功率来抗衰落，但这实际上并不可行。目前典型的抗衰落的方法有信道编码、均衡、扩频和分集接收。信道编码通过增加信息的冗余度来纠正衰落引起的误码，S模式应答信号中的CRC冗余校验编码即是如此；均衡主要通过补偿信道衰落引起的畸变来减小衰落的影响；扩频是通过特殊的信号设计所具有的分离多径信号的能力，来消除引起衰落的多径信号干扰效应；而分集接收则是有意识地分离多径信号并恰当合并，以提高接收信号的信噪比来抗衰落。多通道能实现相互纠错正是基于分集接收技术。
2．1 分集接收的基本概念
    分集接收是一种有效的通信接收方式，它能以较低成本改善系统的性能。分集的概念可以简单解释为：如果一个无线路径经历深衰落，那么另一个相对独立的路径中可能仍保持着较强的信号。因此，一旦在多径信号中选择出两个或两个以上的信号，接收机的瞬时信噪比和平均信噪比就可得到较大幅度的改善。
2．2 分集方式
    分集方式分为宏观分集和微观分集两大类。宏观分集主要用来抗慢衰落；微观分集主要用来抗快衰落。微观分集又可分为空间分集、频率分集、时间分集、极化分集、角度分集和路径分集。空间分集的依据是相距间隔达到一定程度时，不同接收地点收到信号的衰落具有独立性。当多个接收支路的问隔在0．6个波长以上，接收的信号具有较好的独立性。S模式应答信号载频的波长大约为0．3 m，架设在同一支架上的两幅接收天线之间的间距可以满足信号独立到达的条件。空间分集的基本结构为发射端使用一副天线发射，接收端使用多副天线接收。
2．3 分集合并技术
    对接收到的多个通道信号，可以在中频和射频上进行合并，也可以在基带上进行。合并方式有最大比合并、等增益合并、选择式合并和切换合并。
    由上所述，当满足信号接收独立的条件下，到达信号在某副天线处有较深的衰落时，而在另一副天线处有可能却保持着较强的信号。这为本文基于空间分集的双通道融合纠错提供了可能。根据S模式应答信号的调制特点，选择在基带上采用改进了的选择式合并技术进行双通道的接收解码及融合纠错。

3 双通道接收解码及融合纠错方案设计
3．1 双通道接收系统方案设计
    双通道接收解码在系统结构上是在解码板之前增加一路接收通道，包括天线、功率放大器和微波前端。如图2所示。但双通道接收解码不仅仅是多增加一个接收天线那么简单，其主要工作是在解码板中如何对接入的两路基带信号进行时间提取、融合纠错及合并输出。

3．2 双通道下的TOA提取
    在单通道下，对信号TOA的提取是明确的，但对于双通道，不能将TOA的提取固定在哪一个通道上，应该根据接收信号的强弱好坏来动态决定。信号到达两个通道的情况有以下几种：通道一较好检测，通道二未能检测；通道一未能检测，通道二较好检测；通道一、通道二都能检测，且检测良好；通道一、通道二都能检测，但都有误码(误码率不一致)。根据以上四种情况，理所当然的应选择能较好检测信号的通道进行信号TOA的提取。对检测信号的好坏，可以根据报头的相关度来判断。一般情况下，在报头成功检测后还有DF认证这一步，选出所关心的信息。对DF认证可不必单独判断，可以将关心的DF编码号加在报头中一并进行报头检测，同时使得用报头的相关度大小来判定信号检测的好坏更有说服力。在解码板中的实现流程如图3所示。

3．3 融合纠错方法
    S模式长报文格式应答信号除去报头之外的持续时间是112μs，共有112位数据信息(14个字节)。每个字节包含8位数据，每位数据由两个曼切斯特码元构成，在8 MHz采样频率下，一个字节包含64个采样值。
    解码板对两个通道的基带信号进行解码是以一个字节为单位进行的，各自分别解码，形成两路数据，同时将两路数据进行融合，形成第三路数据。对两路分别采得的64个采样值的解码步骤为：
    (1)对通道一采得的64个采样值解码
    将64个采样值每8位解码成一位数据。前4位为曼切斯特前一个chip，后4位为后一个chip，将前一个chip的值作为曼切斯特解码后的值(10表示1，01表示0)。
    (2)对通道二采得的64个采样值解码
    解码方法同(1)。
    (3)将通道一和通道二的解码值融合为第三路数据
    对通道一第一个数据位进行曼切斯特检验(前一个chip值和后一个chip值进行异或)，对通道二做相同的检验。若两者都符合曼切斯特编码，则将报头相关度高的通道的这位数据赋予第三路数据；若两者之一符合曼切斯特编码，则将符合编码的通道的这位数据赋予第三路数据；若两者都不符合，将报头相关度高的通道的这位数据赋予第三路数据。以此方法对第二到第八个数据做处理，完成对一个字节的融合。
    在采集完下一个64个值后进行同样的处理，直至完成112位数据的解码和融合。从上面的解码融合方法来看，当某个通道的信号局部受到干扰而另一个通道正常接收时，两个通道可以进行融合形成正确的第三路数据，达到纠错的效果。当然也有可能出现第一或第二路正确，融合的第三路数据却错误的现象。这是因为，虽然正确接收的通道在某一个数据位上不符合曼切斯特编码规律，但仍可正确解码(第二个chip受到干扰)，同时另一个通道此位虽符合曼切斯特编码却是来自不同的应答信号，这时将符合曼切斯特的数据位去代替正确的解码值，就将出现融合错误。但这种融合错误将在最终对三路数据进行合并时被消除。
3．4 改进的选择合并方式
    在分集合并技术中，选择合并是指将N个接收机的信号先送入选择逻辑，选择逻辑再从N个接收信号中选择具有最高基带信噪比的基带信号作为输出。本节中，对应于最高基带信噪比就是解码的数据满足CRC24校验，选择的输出也不在视频端，而是在解码之后。
    从3．3节中可知，双通道接收解码并融合后将产生三路数据：通道一解码数据、通道二解码数据及融合数据。对三路数据都进行CRC24校验，校验正确的通道数据将被输出，若同时校验正确，则输出报头相关度高的通道数据，若两个通道的数据的CRC24校验都不正确，不论融合数据能否通过校验，都输出融合后的数据。
    这种改进的选择合并方式将不迷信于经过融合的数据，而是以保证完全正确的CRC校验为准则，这就可以避免上一节中所提出的错误的融合数据对正确输出的影响。同时，在对三路数据进行CRC24校验后，将校验结果以标志位的形式记录在时间字节的最高三位(分配给信号的TOA四个字节，但以10 ns为步进单位的时间只占28位，最高4位可作他用)。若通道一的CRC24校验正确，则将最高位赋1，否则赋0；若通道二的CRC24校验正确，则将次高位赋1，否则赋0；若融合数据的CRC24校验正确，则将次高位的下一位赋1，否则赋0。如此以来，则可以在上位机的软件中对双通道的数据率增加效果以及所能达到的纠错效果进行评估。

4 双通道融合数据分析
    如何评估双通道相对于单通道的优势以及双通道能否实现相互间的纠错，这需要明确的数据进行说明。根据3．4节中对通道数据所作的标记，在上位机对原始数据进行记录分析。
    在输出的数据中，以0D0A作为两帧数据之间的分隔符号来引导数据起始，接着是4个字节的时间信息，最后是14个字节的数据信息。其中在时间信息的最高4位(串口以十六进制表示)是用作标志位的，在双通道接收融合系统中，只用了前3位，具体标记的方法见第3节。对于最高4位出现的不同的值代表着不同的含义，如表1所示。

    从串口记录的数据中提取出Mode S号为71BF21、71BF90和780671三批飞机的双通道解码融合情况进行统计分析。对用作标志的4个位的值进行统计，如表2所示。
    当标志位的值为8、A或E时，表明通道一正确接收并解码出S模式的应答信号；当标志位的值为4、6或E时，表明通道二正确接收并解码出S模式的应答信号；当标志位的值为0时，表明没有双通道及融合数据都未能正确接收解码；当标志位的值为2时，表明在通道一、通道二都未能正确接收解码时，将二者进行融合达到了纠错的效果，融合出了正确的数据。
    对表2的数据进行通道分析，在一段时间内所接收解码的数据点个数如表3所示(在同一段时间内)。

    从对Mode S号为71BF21飞机S模式应答信号的接收解码来看，单独用通道一接收，仅仅接收解码出17个有效数据点，单独用通道二接收，可接收解码出114个有效数据点。值得注意的是，通道一解码出有效数据点时通道二同样能解码出。可以合理地猜测：在数据记录的这段时间内飞机主要是处在通道二所覆盖的区域，以至于在通道二未能正确接收解码的时候，因为通道一没有接收到信号而不能提供对其纠错的能力，所以将两个通道进行融合后所能纠错的点的个数也不是很多(仅15个)。在这批数据中，主要是通道二在发挥作用，可以近似地将其看作单通道接收，它所接收的误码个数达到了93个，几乎是等同于正确接收的个数，从中可以看出，单通道接收的误码率是很高的。
    从对Mode S号为71BF90飞机S模式应答信号的接收解码来看，通道一和通道二所解码出的有效数据点的个数相近，表明飞机在空间上具有相对于两通道覆盖区域对称的特点，同时解码出的有效数据点为28个，较上一批数据要多，这表明有更多的应答信号同时被两个通道所接收。从上面解释可以推出这两个通道将提供更好的相互纠错的能力。从数据中看出，两个通道进行融合后能纠错的点达到了29个，证明上述推论的正确性。
    从对Mode S号为780671飞机S模式应答信号的接收解码来看，虽然两个通道同时解码出有效点的个数较多，但从两个通道单独解码的数据来看，飞机所处空域偏向于通道二的覆盖区域，这使得通道一接收的信号强度较弱，不能提供较好的纠错能力。
    从对三批数据的分析可以得出：双通道接收解码不仅可以覆盖更广的空域范围以增加数据量，同时在两个通道覆盖的交叠区域，采用双通道信息融合的方法可提供较好的相互纠错能力。

5 结语
    本文对S模式应答信号的多通道接收解码及融合纠错技术进行了研究。对空域中载频为1 090 MHz的信号类型进行了分析，确定了进行多通道接收解码的现实前提；介绍了分集接收技术的理论依据，阐明了利用多通道进行融合纠错的理论可行性；然后以双通道为例，进行了方案设计和关键技术研究和实现；对实现的双通道接收的数据进行了统计分析，对双通道接收解码相对于单通道的优势做了说明。通过对双通道接收解码及融合纠错技术的研究表明，利用多通道对S模式应答信号进行接收解码不仅可以增加空域覆盖范围，同时可以利用多通道接收的信号进行融合纠错，以作为应对丢点的一种有效技术手段。