摘要：為了解決單個天線覆蓋范圍和作用距離之間的矛盾，實現(xiàn)更廣的空域覆蓋和更高解碼率的目標，采用多個通道進行S模式應答信號的接收、解碼及融合糾錯的方法，進行了兩通道接收、解碼及融合糾錯實驗，獲得具有代表性的三批目標的解碼數(shù)據(jù)。經(jīng)過統(tǒng)計分析，結(jié)果表明多通道接收解碼不僅可以覆蓋更廣的空域范圍以增加數(shù)據(jù)量，同時在其中兩個通道覆蓋的交疊區(qū)域，采用信息融合糾錯的方法可提供較好的相互糾錯能力。
關(guān)鍵詞：S模式；多通道；分集接收；融合糾錯

0 引言
    隨著空中交通流量的增加，傳統(tǒng)的A／C模式二次雷達因為代碼有限且易受到混擾和串擾的影響已不能滿足空中交通管制的需求。為了克服A／C模式的不足，具有基本監(jiān)視、增強監(jiān)視和數(shù)據(jù)鏈等功能的S模式被提出，并被國際民航組織接受，作為二次監(jiān)視雷達的行業(yè)標準。自此，S模式二次雷達在世界范圍內(nèi)得到了最廣泛地使用。目前，被公認為新一代監(jiān)視技術(shù)的ADS-B迅猛發(fā)展，具有廣闊的應用前景。為實現(xiàn)平穩(wěn)升級，ADS-B采用S模式擴展報文數(shù)據(jù)鏈作為其主要協(xié)議。因此，對S模式應答信號的接收解碼顯得尤為重要。在空中交通管制領(lǐng)域，更廣的空域覆蓋和更高的正確接收解碼率是接收設(shè)備的兩大追求目標。使用單天線進行接收解碼存在全向天線有效作用距離短和定向天線覆蓋角度有限的矛盾，同時多點定位系統(tǒng)也對天線的全向接收和更遠的作用距離提出了要求。為解決上述矛盾，采用多通道接收解碼成為了一個發(fā)展方向。本文主要以兩個接收通道為例研究S模式應答信號的多通道接收解碼技術(shù)，及利用多天線的分集接收進行報文糾錯的技術(shù)。

1 多通道接收解碼的現(xiàn)實前提
    目前的空域中，載波頻率在1 090 MHz上的信號有二次雷達A／C／S模式應答信號和基于1090ES數(shù)據(jù)鏈的ADS-B下行信號。A／C模式應答信號的長度為20．75μs，S模式應答信號及1090ES格式的ADS-B下行信號的長度為64／120μs(56／112μs的數(shù)據(jù)加上8μs的報頭)，在理想情況下1 s之內(nèi)可以發(fā)射或接收8 000多幀S模式應答信號或ADS-B下行信號，或更多的A／C模式應答信號。如圖1所示。

    A／C／S模式二次雷達是即問即答的，而ADS-B下行信號具有時間上的自適應發(fā)射機制，選擇在空域中的靜默時隙發(fā)送。由于信號完成發(fā)送所用的時間相當短暫，所以可以認為大多數(shù)的信號沒有和其他信號有重疊部分，當然不排除這樣的情況?；谶@樣的認識，對多通道接收解碼的研究將在多個接收通道在同一時刻只有一架飛機的信號到達的前提下進行。本文僅對兩通道進行研究實驗，多通道的原理是一樣的，很容易進行拓展。
    將兩個接收天線安裝在同一個支架上，朝向不同的角度(同時有覆蓋區(qū)域的交疊)，使用相同長度的微波電纜，以保證同一個信號通過兩個通道到達解碼輸入端時嚴格的脈沖沿對準。

2 多通道融合糾錯的理論基礎(chǔ)
    在無線通信中，發(fā)射信號可能經(jīng)過直射、反射、散射等多條路徑到達接收端。這些多徑信號相互疊加會形成衰落，其中快衰落的衰落深度可達40 dB。衰落會嚴重影響通信質(zhì)量(如導致數(shù)字信號的高誤碼率等)。
    直觀上可以通過加大發(fā)射功率來抗衰落，但這實際上并不可行。目前典型的抗衰落的方法有信道編碼、均衡、擴頻和分集接收。信道編碼通過增加信息的冗余度來糾正衰落引起的誤碼，S模式應答信號中的CRC冗余校驗編碼即是如此；均衡主要通過補償信道衰落引起的畸變來減小衰落的影響；擴頻是通過特殊的信號設(shè)計所具有的分離多徑信號的能力，來消除引起衰落的多徑信號干擾效應；而分集接收則是有意識地分離多徑信號并恰當合并，以提高接收信號的信噪比來抗衰落。多通道能實現(xiàn)相互糾錯正是基于分集接收技術(shù)。
2．1 分集接收的基本概念
    分集接收是一種有效的通信接收方式，它能以較低成本改善系統(tǒng)的性能。分集的概念可以簡單解釋為：如果一個無線路徑經(jīng)歷深衰落，那么另一個相對獨立的路徑中可能仍保持著較強的信號。因此，一旦在多徑信號中選擇出兩個或兩個以上的信號，接收機的瞬時信噪比和平均信噪比就可得到較大幅度的改善。
2．2 分集方式
    分集方式分為宏觀分集和微觀分集兩大類。宏觀分集主要用來抗慢衰落；微觀分集主要用來抗快衰落。微觀分集又可分為空間分集、頻率分集、時間分集、極化分集、角度分集和路徑分集。空間分集的依據(jù)是相距間隔達到一定程度時，不同接收地點收到信號的衰落具有獨立性。當多個接收支路的問隔在0．6個波長以上，接收的信號具有較好的獨立性。S模式應答信號載頻的波長大約為0．3 m，架設(shè)在同一支架上的兩幅接收天線之間的間距可以滿足信號獨立到達的條件?？臻g分集的基本結(jié)構(gòu)為發(fā)射端使用一副天線發(fā)射，接收端使用多副天線接收。
2．3 分集合并技術(shù)
    對接收到的多個通道信號，可以在中頻和射頻上進行合并，也可以在基帶上進行。合并方式有最大比合并、等增益合并、選擇式合并和切換合并。
    由上所述，當滿足信號接收獨立的條件下，到達信號在某副天線處有較深的衰落時，而在另一副天線處有可能卻保持著較強的信號。這為本文基于空間分集的雙通道融合糾錯提供了可能。根據(jù)S模式應答信號的調(diào)制特點，選擇在基帶上采用改進了的選擇式合并技術(shù)進行雙通道的接收解碼及融合糾錯。

3 雙通道接收解碼及融合糾錯方案設(shè)計
3．1 雙通道接收系統(tǒng)方案設(shè)計
    雙通道接收解碼在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上是在解碼板之前增加一路接收通道，包括天線、功率放大器和微波前端。如圖2所示。但雙通道接收解碼不僅僅是多增加一個接收天線那么簡單，其主要工作是在解碼板中如何對接入的兩路基帶信號進行時間提取、融合糾錯及合并輸出。

3．2 雙通道下的TOA提取
    在單通道下，對信號TOA的提取是明確的，但對于雙通道，不能將TOA的提取固定在哪一個通道上，應該根據(jù)接收信號的強弱好壞來動態(tài)決定。信號到達兩個通道的情況有以下幾種：通道一較好檢測，通道二未能檢測；通道一未能檢測，通道二較好檢測；通道一、通道二都能檢測，且檢測良好；通道一、通道二都能檢測，但都有誤碼(誤碼率不一致)。根據(jù)以上四種情況，理所當然的應選擇能較好檢測信號的通道進行信號TOA的提取。對檢測信號的好壞，可以根據(jù)報頭的相關(guān)度來判斷。一般情況下，在報頭成功檢測后還有DF認證這一步，選出所關(guān)心的信息。對DF認證可不必單獨判斷，可以將關(guān)心的DF編碼號加在報頭中一并進行報頭檢測，同時使得用報頭的相關(guān)度大小來判定信號檢測的好壞更有說服力。在解碼板中的實現(xiàn)流程如圖3所示。

3．3 融合糾錯方法
    S模式長報文格式應答信號除去報頭之外的持續(xù)時間是112μs，共有112位數(shù)據(jù)信息(14個字節(jié))。每個字節(jié)包含8位數(shù)據(jù)，每位數(shù)據(jù)由兩個曼切斯特碼元構(gòu)成，在8 MHz采樣頻率下，一個字節(jié)包含64個采樣值。
    解碼板對兩個通道的基帶信號進行解碼是以一個字節(jié)為單位進行的，各自分別解碼，形成兩路數(shù)據(jù)，同時將兩路數(shù)據(jù)進行融合，形成第三路數(shù)據(jù)。對兩路分別采得的64個采樣值的解碼步驟為：
    (1)對通道一采得的64個采樣值解碼
    將64個采樣值每8位解碼成一位數(shù)據(jù)。前4位為曼切斯特前一個chip，后4位為后一個chip，將前一個chip的值作為曼切斯特解碼后的值(10表示1，01表示0)。
    (2)對通道二采得的64個采樣值解碼
    解碼方法同(1)。
    (3)將通道一和通道二的解碼值融合為第三路數(shù)據(jù)
    對通道一第一個數(shù)據(jù)位進行曼切斯特檢驗(前一個chip值和后一個chip值進行異或)，對通道二做相同的檢驗。若兩者都符合曼切斯特編碼，則將報頭相關(guān)度高的通道的這位數(shù)據(jù)賦予第三路數(shù)據(jù)；若兩者之一符合曼切斯特編碼，則將符合編碼的通道的這位數(shù)據(jù)賦予第三路數(shù)據(jù)；若兩者都不符合，將報頭相關(guān)度高的通道的這位數(shù)據(jù)賦予第三路數(shù)據(jù)。以此方法對第二到第八個數(shù)據(jù)做處理，完成對一個字節(jié)的融合。
    在采集完下一個64個值后進行同樣的處理，直至完成112位數(shù)據(jù)的解碼和融合。從上面的解碼融合方法來看，當某個通道的信號局部受到干擾而另一個通道正常接收時，兩個通道可以進行融合形成正確的第三路數(shù)據(jù)，達到糾錯的效果。當然也有可能出現(xiàn)第一或第二路正確，融合的第三路數(shù)據(jù)卻錯誤的現(xiàn)象。這是因為，雖然正確接收的通道在某一個數(shù)據(jù)位上不符合曼切斯特編碼規(guī)律，但仍可正確解碼(第二個chip受到干擾)，同時另一個通道此位雖符合曼切斯特編碼卻是來自不同的應答信號，這時將符合曼切斯特的數(shù)據(jù)位去代替正確的解碼值，就將出現(xiàn)融合錯誤。但這種融合錯誤將在最終對三路數(shù)據(jù)進行合并時被消除。
3．4 改進的選擇合并方式
    在分集合并技術(shù)中，選擇合并是指將N個接收機的信號先送入選擇邏輯，選擇邏輯再從N個接收信號中選擇具有最高基帶信噪比的基帶信號作為輸出。本節(jié)中，對應于最高基帶信噪比就是解碼的數(shù)據(jù)滿足CRC24校驗，選擇的輸出也不在視頻端，而是在解碼之后。
    從3．3節(jié)中可知，雙通道接收解碼并融合后將產(chǎn)生三路數(shù)據(jù)：通道一解碼數(shù)據(jù)、通道二解碼數(shù)據(jù)及融合數(shù)據(jù)。對三路數(shù)據(jù)都進行CRC24校驗，校驗正確的通道數(shù)據(jù)將被輸出，若同時校驗正確，則輸出報頭相關(guān)度高的通道數(shù)據(jù)，若兩個通道的數(shù)據(jù)的CRC24校驗都不正確，不論融合數(shù)據(jù)能否通過校驗，都輸出融合后的數(shù)據(jù)。
    這種改進的選擇合并方式將不迷信于經(jīng)過融合的數(shù)據(jù)，而是以保證完全正確的CRC校驗為準則，這就可以避免上一節(jié)中所提出的錯誤的融合數(shù)據(jù)對正確輸出的影響。同時，在對三路數(shù)據(jù)進行CRC24校驗后，將校驗結(jié)果以標志位的形式記錄在時間字節(jié)的最高三位(分配給信號的TOA四個字節(jié)，但以10 ns為步進單位的時間只占28位，最高4位可作他用)。若通道一的CRC24校驗正確，則將最高位賦1，否則賦0；若通道二的CRC24校驗正確，則將次高位賦1，否則賦0；若融合數(shù)據(jù)的CRC24校驗正確，則將次高位的下一位賦1，否則賦0。如此以來，則可以在上位機的軟件中對雙通道的數(shù)據(jù)率增加效果以及所能達到的糾錯效果進行評估。

4 雙通道融合數(shù)據(jù)分析
    如何評估雙通道相對于單通道的優(yōu)勢以及雙通道能否實現(xiàn)相互間的糾錯，這需要明確的數(shù)據(jù)進行說明。根據(jù)3．4節(jié)中對通道數(shù)據(jù)所作的標記，在上位機對原始數(shù)據(jù)進行記錄分析。
    在輸出的數(shù)據(jù)中，以0D0A作為兩幀數(shù)據(jù)之間的分隔符號來引導數(shù)據(jù)起始，接著是4個字節(jié)的時間信息，最后是14個字節(jié)的數(shù)據(jù)信息。其中在時間信息的最高4位(串口以十六進制表示)是用作標志位的，在雙通道接收融合系統(tǒng)中，只用了前3位，具體標記的方法見第3節(jié)。對于最高4位出現(xiàn)的不同的值代表著不同的含義，如表1所示。

    從串口記錄的數(shù)據(jù)中提取出Mode S號為71BF21、71BF90和780671三批飛機的雙通道解碼融合情況進行統(tǒng)計分析。對用作標志的4個位的值進行統(tǒng)計，如表2所示。
    當標志位的值為8、A或E時，表明通道一正確接收并解碼出S模式的應答信號；當標志位的值為4、6或E時，表明通道二正確接收并解碼出S模式的應答信號；當標志位的值為0時，表明沒有雙通道及融合數(shù)據(jù)都未能正確接收解碼；當標志位的值為2時，表明在通道一、通道二都未能正確接收解碼時，將二者進行融合達到了糾錯的效果，融合出了正確的數(shù)據(jù)。
    對表2的數(shù)據(jù)進行通道分析，在一段時間內(nèi)所接收解碼的數(shù)據(jù)點個數(shù)如表3所示(在同一段時間內(nèi))。

    從對Mode S號為71BF21飛機S模式應答信號的接收解碼來看，單獨用通道一接收，僅僅接收解碼出17個有效數(shù)據(jù)點，單獨用通道二接收，可接收解碼出114個有效數(shù)據(jù)點。值得注意的是，通道一解碼出有效數(shù)據(jù)點時通道二同樣能解碼出?？梢院侠淼夭聹y：在數(shù)據(jù)記錄的這段時間內(nèi)飛機主要是處在通道二所覆蓋的區(qū)域，以至于在通道二未能正確接收解碼的時候，因為通道一沒有接收到信號而不能提供對其糾錯的能力，所以將兩個通道進行融合后所能糾錯的點的個數(shù)也不是很多(僅15個)。在這批數(shù)據(jù)中，主要是通道二在發(fā)揮作用，可以近似地將其看作單通道接收，它所接收的誤碼個數(shù)達到了93個，幾乎是等同于正確接收的個數(shù)，從中可以看出，單通道接收的誤碼率是很高的。
    從對Mode S號為71BF90飛機S模式應答信號的接收解碼來看，通道一和通道二所解碼出的有效數(shù)據(jù)點的個數(shù)相近，表明飛機在空間上具有相對于兩通道覆蓋區(qū)域?qū)ΨQ的特點，同時解碼出的有效數(shù)據(jù)點為28個，較上一批數(shù)據(jù)要多，這表明有更多的應答信號同時被兩個通道所接收。從上面解釋可以推出這兩個通道將提供更好的相互糾錯的能力。從數(shù)據(jù)中看出，兩個通道進行融合后能糾錯的點達到了29個，證明上述推論的正確性。
    從對Mode S號為780671飛機S模式應答信號的接收解碼來看，雖然兩個通道同時解碼出有效點的個數(shù)較多，但從兩個通道單獨解碼的數(shù)據(jù)來看，飛機所處空域偏向于通道二的覆蓋區(qū)域，這使得通道一接收的信號強度較弱，不能提供較好的糾錯能力。
    從對三批數(shù)據(jù)的分析可以得出：雙通道接收解碼不僅可以覆蓋更廣的空域范圍以增加數(shù)據(jù)量，同時在兩個通道覆蓋的交疊區(qū)域，采用雙通道信息融合的方法可提供較好的相互糾錯能力。

5 結(jié)語
    本文對S模式應答信號的多通道接收解碼及融合糾錯技術(shù)進行了研究。對空域中載頻為1 090 MHz的信號類型進行了分析，確定了進行多通道接收解碼的現(xiàn)實前提；介紹了分集接收技術(shù)的理論依據(jù)，闡明了利用多通道進行融合糾錯的理論可行性；然后以雙通道為例，進行了方案設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)研究和實現(xiàn)；對實現(xiàn)的雙通道接收的數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，對雙通道接收解碼相對于單通道的優(yōu)勢做了說明。通過對雙通道接收解碼及融合糾錯技術(shù)的研究表明，利用多通道對S模式應答信號進行接收解碼不僅可以增加空域覆蓋范圍，同時可以利用多通道接收的信號進行融合糾錯，以作為應對丟點的一種有效技術(shù)手段。