ABSTRACT

By studying on ADS-B (Automatic dependent surveillance-broadcast) response signal based on the 1090ES data link, this paper implements a ADS-B response signal processing platform with C++ language in Windows environment under the device supports of RTL-SDR and PC. The platform can successfully receive and parse ADS-B response signals, which proves the possibility with software radio ways under low cost.

Keywords:ADS-B, Soft Defined Radio, RTL-SDR, Signal Processing

基于RTL-SDR的ADS-B应答信号处理平台的研究与实现

严金承，王运锋^*

四川大学计算机学院，四川 成都

收稿日期：2019年3月6日；录用日期：2019年3月17日；发布日期：2019年3月27日

摘 要

通过对1090ES数据链ADS-B (Automatic dependent surveillance-broadcast，广播式自动相关监察系统)应答信号的研究，使用软件无线电的处理方法，在RTL-SDR及PC硬件设备的支持下，用C++语言在windows平台下实现了基于RTL-SDR的ADS-B应答信号处理平台。该平台能成功接收并解析1090ES数据链ADS-B应答信号，证明了低成本下用软件无线电方法接收并处理ADS-B应答信号的可行性。

关键词 :ADS-B，软件无线电，RTL-SDR，信号处理

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1. ADS-B应答信号处理器现状

目前，结合现代成熟的电子技术，考虑到ADS-B应答处理器数据量大，处理速度要求高的情况，不少学者基于FPGA + DSP研究了ADS-B应答信号的软件无线电处理方案。通过FPGA进行预处理，完成报头检测及时序匹配，将通过功率一致性检测、时序测试和DF认证的可靠信号异步传送到DSP，在DSP中进行对数据报文的译码和解析工作。论文 [1] [2] [3] 对这种架构的应答处理器作了深入的研究。这种应答处理器性能较好，实时性强，但造价较贵，本文提出的基于RTL-SDR的ADS-B应答处理平台也是一种软件无线电处理方法，实现成本极低，利用该处理平台，还能实现论文 [4] 提出的基于RTL-SDR的空中交通监视系统构想。

2. RTL-SDR技术介绍

RTL-SDR是一种低成本的小型软件无线电处理平台，由R820T调谐器和R2832U芯片组成。它可接收25 MHz至1.75 GHz范围内的射频信号，支持的最大采样率为2.8 MHz。通过模拟电路，RTL-SDR把射频信号降到中频，然后经过模数转换，用数字信号处理的方式将中频信号搬到基带，这实际上是一种超外差式数字中频接收机 [5] [6] 。为进一步降低后续软件部分对信号的处理压力，减少处理信号量，RTL-SDR对基带信号进行数字抽取，使其采样频率降低在2.8 MHz以下，从USB输出8位基带IQ信号，对于该基带信号，可以使用编写软件的方法在PC中对其进行处理，RTL-SDR的结构如图1。

图1. RTL-SDR结构

3. 基于RTL-SDR的ADS-B应答信号处理程序设计

RTL-SDR输出的IQ两路信号共16 bit，即一个样本点为2B。利用开源的RTL-SDR驱动提供的API初始化RTL-SDR设备，设定采样率为2 MHz，数据缓存块大小为256 KB，则输入一个完整的数据块需要64 ms，采用异步读取的方式，使程序在64 ms内完成对数据块的处理，可保证信号处理的实时性，具体的程序设计如图2。

图2. 基于RTL-SDR的ADS-B应答信号处理程序设计

3.1. 前导码检测

前导码检测是1090ES数据链ADS-B应答信号处理的重要算法，由于对数据部分的纠错和解码需花费较长的时间，故要保证检测到的前导码的可靠性。该算法的输入为RTL-SDR传来的基带数据，输出包括信号到达时间与参考功率。文献 [7] [8] [9] 给出的前导码检测算法有九个环节，包括视频信号预处理、有效脉冲位置和上下沿提取、报头脉冲检测、参考功率值计算、交叠测试、功率一致性测试、DF验证、再触发。但是该方法适用于采样率较高的情况，对于RTL-SDR设备，输出给处理平台的采样率最高为2.8 MHz，故需要设计适于该情况下的前导码检测算法。

本文设定RTL-SDR输出的IQ基带信号采样率为2 MHz，对应时钟分辨率为0.5 μs。利用式(1)计算出第i采样点的样本功率 $S_i$ ，作为前导码检测算法的输入，其中 $I_i,Q_i$ 为第 $i$ 采样点的IQ采样值。

$S_i=\sqrt{I_i^2+Q_i^2}$ (1)

3.1.1. 前导码脉冲位置检测及开始位置确定

采用脉冲位置的检测方法，输入的采样序列由 $\left\{S_i\right\}$ 表示，其中 $i=0,1,2\cdots$ ，由2.1节提到的S应答信号格式，脉冲位置应出现在第0，第2，第7，第9采样点。即：假设当前已遍历到第 $k$ 采样点，有条件：

$\begin{array}{l}{S}_k>S_{k+1},\\ S_{k+1}<S_{k+2},\\ S_{k+2}>S_{k+3},\\ S_{k+3}<S_{k+4},\\ S_{k+6}<S_{k+7},\\ S_{k+7}>S_{k+8},\\ S_{k+8}<S_{k+9},\\ S_{k+9}>S_{k+10}\end{array}$ (2)

对于前导码中的低功率采样点(第4、第5、第11、第12、第13、第14)应保证其功率不超过某一阈值，可设为脉冲平均功率的 $1/3$ 。即：

$\begin{array}{l}\bar{S}=\left(S_k+S_{k+2}+S_{k+7}+S_{k+9}\right)/4\\ S_{k+i}<\frac{\bar{S}}{3},i=4,5,11,12,13,14\end{array}$ (3)

若同时满足条件(2)、(3)，则可将采样点 $k$ 作为前导码开始位置的候选采样点。

3.1.2. 参考功率计算

由于每个脉冲只包含一个采样点(时钟分辨率为0.5 μs)，故直接求得脉冲平均功率 $\bar{S}=\left(S_k+S_{k+2}+S_{k+7}+S_{k+9}\right)/4$ 作为参考功率，表征接收信号的强度，若信号强度小于某一阈值Q，则视为微弱信号，不作解码。Q的取值可凭经验调节，但应该大于噪声功率，小的Q值具有高的敏灵检测度，但易造成虚警，太大的Q值易造成漏警。

3.2. 数据块扫描

3.2.1. 数据位和置信度判定

文献 [10] 采用了多点振幅采样算法、改进的基线多样点技术等，对数据位和置信度有较为准确的判定。同样地，上述方法适用于高采样率，对于2 MHz采样率可直接判断数据位两个码片的相对大小，则数据位 $C_i$ 、置信度 $B_i$ 由(4)、(5)式计算：

$C_i=\{\begin{array}{l}1,S_{k+16+2\times i}\ge S_{k+16+2\times i+1}\\ 0,S_{k+16+2\times i}<S_{k+16+2\times i+1}\end{array}$ (4)

$B_i=\{\begin{array}{l}1,S_{k+16+2\times i}\ne S_{k+16+2\times i+1}\\ 0,S_{k+16+2\times i}=S_{k+16+2\times i+1}\end{array}$ (5)

其中， $i=0,1,2,\cdots 55\cdots 111$ ，置信度为1时表示置信度高，0表示置信度低，该参数将用于纠错步骤。为减小纠错步骤压力，采用边扫描边判定的方式，同时统计低置信度数据位的数量，若扫描到某一位时低置信度数量大于门限，且确认的数据位位数小于112位，则停止扫描，认为该报文置信度太低不可继续解析，应从k + 1的位置寻找新的前导码。若此时确认的数据位数大于56位，则认为该报文为短格式报文，短报文格式报文一定不是ADS-B报文，故可抛弃，否则顺利扫描完112个数据位，利用DF来甄别是ADS-B报文或S模式报文。

3.2.2. DF合法性验证与ADS-B报文甄别

1090ES数据链的ADS-B信号格式如表1所示 [11] ，其中，DF = 17格式为S模式应答机发射的ADS-B消息；DF = 18为非S模式应答机发射的ADS-B消息或TIS-B消息；DF = 19位军方保留格式，本程序不作处理，可直接丢弃。

表1. 1090ES数据链ADS-B信号格式

在文献 [12] 的基础上，本程序改进了甄别算法，采用边扫描，边纠正，边甄别的方法。即扫描到足够甄别的数据位时立即甄别，若甄别出非ADS-B报文，则丢弃报文，不作解码，以加快处理速度，具体方法如下：

当完成数据位前5位的数据位和置信度判定时，即可进行DF合法性验证。若数据位第一位为0，且置信度低，则应该将其纠正为1，或者数据位第一位本身为1，以确保符合长格式报文的DF，否则，丢弃报文。由ADS-B模式应答信号可知，当DF = 17/18/19时，该报文为可能的ADS-B报文。若扫描到的DF不等于上述的值，且数据位第2位至第5位有低置信度位，则对置信度低的位取反，再检查其合法性。若还不合法则停止扫描，丢弃该报文，从k + 1处重新发现前导码，否则顺利通过DF合法检测，继续扫描数据块。同样，当DF = 18时，扫描到第6至第8位时，即可根据CF甄别ME字段是否含有ADS-B消息。若CF = 0，表示含有。

3.3. 循环冗余校验

S模式采用24位循环冗余校验码(Cyclic Redundancy Check, CRC)进行检错，本身不提供纠错功能，但是基于置信度，CRC拥有一定的纠错功能。采用蛮力纠错技术和保守纠错技术结合的方式可以最多纠错12位数据，但此时要求出错数据的窗口大小不超过24 [13] 。

3.4. 解码

经过上述处理，得到ADS-B模式应答信号的二进制序列。文献 [14] [15] 详细描述了ADS-B消息提取及CPR (紧凑位置报告)的解码方法，本处理程序引用了该方法，在此不再赘述。

4. 平台实现与处理报告分析

在Microsoft Visual Studio 2010集成环境中，依赖开源的RTL-SDR驱动，利用C++实现信号处理程序，部署在PC机上，图3展示了接收平台的实际结构。

图3. 接收平台结构

设定RTL-SDR中心频率为1090 MHz，输出采样率2 MHz，射频增益49.6 db，利用该平台接收处理ADS-B信号的情况如表2。其中，CRC正确比例为解析后通过冗余检错纠错的ADS-B报文与接收到的所有ADS-B报文的比值，ADS-B报文的接收数量由上述的甄别环节得出。

表2. 平台接收处理报告

实验表明，在大建筑密集场所，CRC正确比例陡然降低，且形成的稳定航迹不多，这是因为本程序没有过多的考虑多径情形下的报文解析。在机场开阔地带，由于报文密集，本程序也没有过多的考虑交叠情形下的报文解析，导致CRC正确比例略有降低。总之，该平台能够接收并正确处理ADS-B报文，形成稳定航迹，证明了低成本的软件无线电方法接收处理ADS-B应答信号是可行的。

5. 总结

本文详细描述了基于RTL-SDR的ADS-B信号处理平台的实现，该平台实现成本极低，能成功接收处理该应答信号，可作为相关领域研究的验证系统。1090ES数据链的ADS-B信号处理复杂，由于RTL-SDR提供的采样率有限，文中给出的算法为了保证解码性能，没有对多径和交叠情形下报文进行过多的处理，导致复杂环境下CRC正确比例不高。另外天线是影响解码性能的重要因素，后续还需继续研究改良。

基金项目

四川省科技计划项目资助(2018GZ0070)。

文章引用

严金承,王运锋. 基于RTL-SDR的ADS-B应答信号处理平台的研究与实现
The Research and Implement of ADS-B Response Signal Processing Platform Based on RTL-SDR[J]. 图像与信号处理, 2019, 08(02): 29-35. https://doi.org/10.12677/JISP.2019.82005

参考文献