高漢昆，高 鵬

（1.山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系，山西 太原 030031；2.山西離柳焦煤集團有限公司，山西 呂梁 033000）

1 ADS－B系統(tǒng)組成原理

標(biāo)準(zhǔn)ADS－B 機載設(shè)備使用二次雷達頻率1 090 MHz進行廣播，地面站進行接收，廣播的數(shù)據(jù)中包含了飛機的位置等數(shù)據(jù)。ADS－B系統(tǒng)算法原理框圖如圖1所示［1］。本文所討論的糾檢錯算法主要工作在ADS－B 解碼器和數(shù)據(jù)提取單元，地面站接收到ADS－B廣播消息之后，需經(jīng)過數(shù)據(jù)處理解碼得到相應(yīng)的參數(shù)信息，為了保證數(shù)據(jù)傳輸接收的準(zhǔn)確性和可靠性，需進行糾檢錯處理。

圖1 ADS－B系統(tǒng)算法原理框圖

2 信號糾錯檢錯算法原理

2.1 循環(huán)冗余校驗（CRC）算法

CRC校驗的基本原理是：根據(jù)線性編碼原理，信號產(chǎn)生端把要傳輸?shù)膍 位二進制碼按某種規(guī)則產(chǎn)生n位以后要在接收端用到的監(jiān)督碼，并把這n 位信息碼附在m 位原碼之后，產(chǎn)生一個新的二進制碼序列。

在信號接收端，根據(jù)原傳送碼和接收到的CRC碼之間的規(guī)則進行校驗，以確認在傳輸過程中碼位是否發(fā)生錯誤。發(fā)送接收雙方約定好一個多項式G（x），給定消息為M（x），經(jīng)過CRC除法電路后得到一串校驗碼。假設(shè)發(fā)送端的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過除法電路后得到的比特序列R（x）為：

發(fā)送方發(fā)送碼字S（x）為：

其中：n、k為碼字和消息對應(yīng)的二進制序列的比特數(shù)。則接收端經(jīng)相同CRC 除法電路得到的比特序列R′（x）［2］為：

判斷R′（x）是否為0，若為0，說明信息未發(fā)生錯誤；反之，發(fā)生錯誤。

在本文中，針對ADS－B 下行通信數(shù)據(jù)鏈的特點，采用了一種改進的生成多項式，即CRC－24循環(huán)冗余校驗碼：

其中：CRC－24中的24表示表達式中最高次冪的數(shù)字。

2.2 CRC校驗除法電路設(shè)計

本文采用長除法對輸入串行碼流設(shè)計CRC 校驗電路，在ADS－B 接收機系統(tǒng)中采用的是CRC 校驗除法電路。數(shù)據(jù)從電路右端串行輸入（按時間順序），異或為Reg3，即上次模2的最高位，當(dāng)最高位為0時相當(dāng)于只左移一位；為1時，模2后左移。當(dāng)數(shù)據(jù)串行輸入完成后，最終四個寄存器中的值即為余數(shù)。本文針對ADS－B系統(tǒng)采用多項式CRC－24設(shè)計其相對應(yīng)的校驗除法電路，如圖2所示。

圖2 CRC－24校驗除法電路

2.3 置信度判定

在S模式ADS－B接收系統(tǒng)中，下行數(shù)據(jù)鏈信號是經(jīng)過脈沖位置調(diào)制的。即對于任意比特位，脈沖能量出現(xiàn)在前一個（chip1）表示1，出現(xiàn)在后一個（chip0）表示0，因此我們可以通過比較每個比特中前后兩個chip的能量分布來判定比特及其置信度［3，4］。有多種方法可以實現(xiàn)這種判定，這里采用基線多樣點算法，采樣點分布如圖3所示。從圖3可以看出每個信號都分為高低電平兩部分，占空比為50%，每個電平各采樣5個點，系統(tǒng)時鐘用的是10 MHz，每個bit占用1μs，由此也可以推斷出一個bit位采樣10個點。

圖3 ADS－B消息多點采樣示意圖

3 信號糾檢錯的FPGA實現(xiàn)

3.1 信號糾錯檢錯處理流程圖設(shè)計

圖4為糾錯檢錯算法在FPGA 中實現(xiàn)的流程圖。

（1）在接收端，對接收到的ADS－B 消息經(jīng)過CRC校驗電路，得到相應(yīng)數(shù)據(jù)的錯誤校驗子。如果該錯誤校驗子結(jié)果為0，則表示應(yīng)答數(shù)據(jù)中沒有錯誤位。

（2）由步驟（1）得到的組合校驗子與經(jīng)過糾檢錯電路得到的錯誤校驗子相比對，如果相等，則將對應(yīng)的低置信度比特位取反（1變?yōu)?，0變?yōu)?）。

（3）到此，完成糾檢錯功能，輸出正確消息數(shù)據(jù)。

3.2 FPGA 中實現(xiàn)及仿真結(jié)果分析

本文選用Xilinx公司開發(fā)的Spartan－6系列中的XC6SLX150，在ISE 11.3集成軟件平臺上進行編譯、仿真和綜合［5］。

CRC檢錯模塊仿真波形圖如圖5 所示。圖5 中只保留了關(guān)鍵信號，接收端接收到的ADS－B 信號數(shù)據(jù)為8C4E6132A4EB0C05CED38BDC2A6D，以串行比特流方式輸入，當(dāng)信號輸入完成后，在CRC 寄存器signal＿crc＿reg中保留的數(shù)據(jù)即為輸入信號的CRC檢驗碼，糾錯模塊仿真波形圖如圖6所示（圖5橢圓所圈數(shù)字C721A6）。

圖4 信號糾錯檢錯流程圖

圖5 檢錯模塊仿真波形圖

圖6 糾錯模塊仿真波形圖

蠻力糾錯模塊仿真波形圖如圖7 所示（由于在testbanch中只產(chǎn)生了一幀ADS－B消息數(shù)據(jù)，所以圖7中無效區(qū)域是由于相應(yīng)信號沒有數(shù)據(jù)）。根據(jù)檢錯模塊中輸出信號的CRC校驗碼，通過蠻力糾錯算法找出低置信度的組合以及錯誤的比特位，然后對數(shù)據(jù)對應(yīng)的錯誤比特位取反并輸出。測試數(shù)據(jù)中置信度為低的位都發(fā)生錯誤，因此圖7中檢測出來的w1～w5都有對應(yīng)的值，糾錯的結(jié)果是將其接收端接收到的對應(yīng)數(shù)據(jù)位正確取反并輸出。仿真結(jié)果證明了算法的正確性。

圖7 蠻力糾錯模塊仿真波形圖

4 結(jié)束語

仿真結(jié)果說明此糾檢錯算法能正確地檢測出在傳輸過程中出錯的比特位，并糾正其錯誤，然后將正確的數(shù)據(jù)輸出。本文所提出的基于置信度分析的蠻力糾錯技術(shù)大大提高了循環(huán)冗余碼（CRC）糾錯能力，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性，保證信息傳輸?shù)耐暾浴?/p>

［1］ Samir Palnitkar.A Guide to Digital Design and Synthesis［M］.夏宇聞，譯.第2版.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

［2］ 陳士毅，李玉柏.基于置信度判定的循環(huán)冗余校驗糾錯技術(shù)［J］.電訊技術(shù)，2007（1）：175－178.

［3］ 劉曉斌.基于模式S 的ADS－B 接收機系統(tǒng)算法研究［D］.成都：電子科技大學(xué)，2011：30.

［4］ 周建紅.ADS－B系統(tǒng)應(yīng)答的一種糾錯算法設(shè)計與實現(xiàn)［J］.火控雷達技術(shù)，2011（3）：91－95.

［5］ 吳厚航.深入淺出玩轉(zhuǎn)FPGA［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.