摘要：本文提出了一種基于現場可編程門陣列（FPGA）技術的自動相關監視廣播（ADS-B）信號解碼方法。該方法的主要功能包括框架脈沖檢測、應答信息解碼、將應答信息整合成飛機的同步應答組以形成應答報告，以及剔除虛假應答。
關鍵詞：ADS-B系統；框架脈沖檢測；FPGA
doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.01.024
中圖分類號：TN 911.7 文獻標志碼：A 文章編碼：1672-7274（2025）01-00-04
ADS-B Signal Decoding Processing Based on FPGA Implementation
LI Bao， ZHONG Guangxi
（Nanjing Nriet Industrial Co.， Ltd.， Nanjing 210013， China）
Abstract： This article proposes a decoding method for Automatic Dependent Surveillance Broadcast （ADS-B） signals based on Field Programmable Gate Array （FPGA） technology. The main functions of this method include： frame pulse detection， decoding of response information， integrating response information into a synchronized response group of the aircraft to form a response report， and eliminating 1 responses.
Keywords： ADS-B system; frame pulse detection; FPGA
ADS-B地面站具備實時接收裝備有1090ES發射機的航空器或地面移動單元發出的ADS-B廣播信號的能力，能夠提供目標的識別信息（包括A代碼、S模式地址碼）及位置（包括經緯度、高度）、速度等關鍵數據[1]。該地面站適用于空中交通管制系統，能夠進行航路監視，并為空中交通管制部門提供連續且準確的航空管制信息[2]。
本文介紹的ADS-B應答解碼系統采用了大容量FPGA設計，系統主要由四個核心部分組成：ADS-B回波的應答頭檢測、反窄處理、框架檢測以及虛假目標去除四部分。基于此，系統生成單次應答回波的點跡信息，便于后續航跡處理完成目標應答的凝聚、航跡濾波等相關的處理，展現出良好的處理實時性和對復雜數據處理能力。
1 方案設計
ADS-B信號解碼器的核心功能實現如下：數字中頻處理、應答預處理、ADS-B解碼處理、全機定時/方位與模式信號的生成以及反窄處理。最終，解碼器將包含處理信號的BIT信息的應答報告發送至數據處理分系統。
解碼模塊采用集成化和小型化設計，整個分系統僅由一個基于CPCI總線的6U插件構成，并集成了大規模的FPGA芯片。印制板上安裝了三塊大規模集成電路FPGA-EP2S60F1020I4，其中FPGA A負責信號的中頻采樣，而FPGA C則承擔方位、定時與模式信號的生成，解碼處理以及反窄處理等任務，如圖1所示。
2 解碼實現
2.1 中頻采樣
采用80 MHz的時鐘頻率，對輸入的Σ、△、Ω三個通道的60 MHz中頻信號進行采樣，以生成三個通道的14位I/Q信號。采用AD6645ASQ-80型號的A/D轉換器（CADC），其最大采樣速率可達105MSPS，能夠處理最高200 MHz的中頻輸入，且中頻信號的帶寬可達到40 MHz，同時實現75 dB的信噪比（SNR）和89 dB的無雜散動態范圍（SFDR），如圖2所示。
通-過數字本振（NCO）和乘法器實現混頻和正交I/Q解調，再通過數字FIR濾波器進行低通濾波，從而得到基帶I/Q信號。接著對Σ、△、Ω三個通道的信號執行求模運算和求對數運算，分別得到三個通道的信號幅度值。
2.2 ADS-B應答頭檢測
2.2.1 應答信號
如圖3所示，自動相關監視廣播（ADS-B）的應答信號的前導部分持續8.0 μs，由四個固定位置的子脈沖構成，每個子脈沖的脈寬為0.5 μs。緊隨其后的是時長為112 μs的脈位調制（PPM）數據塊，該數據塊由112比特組成，每個比特周期為1 μs，每個比特由兩個chip組成。在PPM編碼中，若前一個chip呈現高電平而后一個chip為低電平，則該比特代表數據“1”；反之，若前一個chip為低電平而后一個chip為高電平，則該比特代表數據“0”[3]。
2.2.2 應答頭檢測
前導脈沖由四個子脈沖構成，因此首要任務是從噪聲中識別出有效脈沖。基于噪聲基底和脈沖的有效寬度，可以確定：在未達到信號的一段時間窗口內，計算得到的均值為噪聲基底；而大于設定門限值且持續時間超過0.3 μs的脈沖則被視為有效脈沖。當信號發生交織時，信號脈沖的寬度會有所增加。通過檢測脈沖寬度，可以判斷出發生交織的S模式應答信號的數量，并據此生成相應的標志脈沖。假設存在三個S模式的應答信號交織，將會產生三個相應的標志脈沖，如圖4所示。
應答處理首先依據通道視頻信號執行脈沖檢測，以獲得PSV（Pulse Start Value）。隨后，對PSV信號進行處理，在每個PSV信號的上升沿生成真實的脈沖前沿ALE（Actual Leading Edge）。基于脈沖下降沿的位置，計算第二個脈沖的前沿，即偽前沿PLE（Pseudo Leading Edge）。當脈沖寬度超過兩個脈沖寬度時，根據脈沖前沿位置推導出額外的前沿XLE（Xtra Leading Edge）。XLE的位置位于ALE和PLE之間，具體為ALE+i×450 ns，其中i=1，2…。ALE、XLE和PLE共同構成應答的前沿脈沖串LE（Leading Edge）。
計算前沿脈沖LE的間隔，當四個前沿脈沖的時間間隔分別為1 μs、3.5 μs、4.5 μs時，結合當前的工作模式，可以確定ADS-B應答頭的存在。應答頭檢測過程如圖5所示。
S模式應答信號的應答頭由四個脈沖構成，其中應答頭信號的前沿作為解碼應答信息數據的同步信號，而應答頭信號的幅度信息則作為應答信息數據的幅度參考值。通過計算這四個前導脈沖的平均幅度，我們得到一個幅度參考基準，后續的112個信息位的幅度將與這個基準值進行比較，從而確定相應位的信息。每個信息位占據1 μs的時間，如果在前0.5 μs內檢測到脈沖，則該位信息為“1”；如果在后0.5 μs內檢測到脈沖，則該位信息為“0”，具體如圖6所示。
最簡單的解碼方法是對比一個時長為10.5 μs信息位的前0.5 μs與后0.5 μs脈沖的幅度值。若前0.5 μs脈沖的幅度高于后0.5 μs脈沖，則判定該信息位為“1”；反之，則為“0”（見圖7）。然而，在存在干擾的情況下，這種解碼方式會導致較高的誤碼率。RTCA DO-260標準推薦了一種改進的解碼技術，該技術涉及對每個脈沖進行多次采樣，并根據采樣值查表確定信息位的邏輯值及其置信度。我們對該方法進行了深入的技術優化，采用RTCA DO-260推薦采樣速度的兩倍。每次采樣后，根據幅度信息賦予特定的權值，將所有權值累加得到一個有符號數的權值和。該有符號數的正值表示邏輯“1”，負值表示邏輯“0”，其絕對值大小則反映了信息位的置信度，如圖8所示。
解碼過程在六個接收通道中同步進行，同一架飛機的高置信度信息可能會在多個通道中輸出。我們對解碼過程進行了進一步的改進，特別是在處理交織應答方面。如果一個解碼通道在處理應答碼時檢測到另一個高幅度的應答頭，傳統處理方式可能會中斷當前處理，轉而處理高幅度應答頭信息的目標。而我們現在的處理方法是，該通道會繼續處理當前應答，同時啟動第二個解碼通道來處理另一個高置信度應答頭信息的應答。后檢測到的高幅度應答頭信息很可能是由多個交織在一起的應答形成的，而不是一個有效的應答。因此，第一個應答繼續被處理，通過糾錯能力，我們能夠得到一個正確的應答信息。
2.3 窄脈沖抑制
窄脈沖抑制在應答信號處理中扮演著關鍵角色，通過反窄電路濾除0.3 μs以下的脈沖，實現0.3 μs脈沖的反窄，從而抑制各種雜波干擾，降低虛警概率。在實際應用中，詢問機在接收應答信號的同時也會接收到外界各種干擾信號，這些干擾信號會影響后端解碼的正確性，因此需要對窄脈沖進行剔除。在工程實踐中，考慮到低信噪比以及人為或自然干擾帶來的脈寬測量誤差的影響，信號處理采用滑動窗對應答信號進行分段，并根據窗內信號的幅度設置窗內閾值。通過滑動窗設定的自適應閾值可以得到應答信號對應的應答脈沖。計算脈沖寬度，并對小于0.3 μs的脈沖進行濾除，從而實現對窄脈沖干擾信號的抑制。實際剔除效果如圖8所示，圖中PSV為詢問機接收的應答信號對應的應答脈沖，脈沖寬度分別為0.05 μs、0.1 μs、0.15 μs、0.2 μs、0.25 μs、0.3 μs、0.35 μs、0.4 μs、0.45 μs、
0.5 μs、0.6 μs、0.8 μs。psv_out為窄脈沖剔除后的輸出脈沖，前5個寬度小于0.3 μs的窄脈沖已被成功剔除。
3 結束語
在本方案中，接收機負責接收ADS-B下行廣播信號，并將其下變頻至60 MHz，隨后完成中頻采樣。采樣得到的中頻數據將被傳輸至信號處理器，信號處理器執行一系列處理步驟，包括對原始視頻脈沖進行反窄帶濾波、恒虛警率（CFAR）檢測和二值積分等，以生成二分層量化脈沖。接下來，信號處理器進行解碼、置信度檢測以及碼裝配等復雜處理，并同步接收來自GPS系統的授時信息。最終，廣播信息以數據塊的形式被送至情報終端或管制中心進行處理，解碼效果如圖10所示。■
參考文獻
[1] 王強，施紅，胡明朗．基于ADS-B飛行安全實時監控及半物理測試平臺[J]．計算測量與控制，2015（l）：27-30．
[2] 杜萬營，陳惠萍．ADS-B監視技術在空中交通服務中的應用研究[J]．中國民航大學學報，2008（l2）：23-26．
[3] 王洪，劉昌忠，汪學剛，等．S模式前導脈沖檢測方法[J]．電子科技大學學報，2010，39（4）：486-489．
作者簡介：李 寶（1987—），男，漢族，江蘇寶應人，工程師，研究生，研究方向為雷達監視數據發展與政策。
仲廣璽（1988—），男，漢族，黑龍江哈爾濱人，高級工程師，本科，研究方向為空管雷達總體技術。
