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二次雷達(dá)C模式編解碼實現(xiàn)*

2010-09-26 04:36
電訊技術(shù) 2010年2期
關(guān)鍵詞:應(yīng)答機(jī)編解碼解碼

(四川大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院,成都 610064)

1 引 言

空中交通管制(ATC)[1]利用通信、導(dǎo)航技術(shù)和監(jiān)控手段對飛機(jī)飛行活動進(jìn)行監(jiān)視和控制,保證飛行安全和有秩序飛行。空中交通管制是二次雷達(dá)(SSR)應(yīng)用最普遍的領(lǐng)域。二次雷達(dá)[2]是利用發(fā)射詢問信號并接收目標(biāo)的應(yīng)答信號來獲得目標(biāo)信息的雷達(dá),由詢問機(jī)和應(yīng)答機(jī)兩部分組成。首先由地面詢問機(jī)發(fā)射一定模式的詢問脈沖信號,當(dāng)詢問信號為A模式時,應(yīng)答機(jī)回答飛機(jī)的代碼;當(dāng)詢問信號為C模式時,應(yīng)答機(jī)回答飛機(jī)的氣壓高度信息。

目前,在空中交通管制系統(tǒng)中對高度信息的處理,采用的是二次雷達(dá)C模式應(yīng)答編碼,而高度編碼把其中8個脈沖以格雷(Gray)碼編碼形式進(jìn)行組合,由于格雷碼屬于無權(quán)碼,不能直接進(jìn)行運(yùn)算,所以在對高度信息編解碼的過程中需要進(jìn)行格雷碼與二進(jìn)制碼的相互轉(zhuǎn)換。查表法[3]是實現(xiàn)格雷碼與二進(jìn)制碼相互轉(zhuǎn)換的常用方法,該方法由于受到建表的影響需要占用大量的存儲空間,在處理脈沖個數(shù)上受到很大限制,同樣也會增加硬件系統(tǒng)的成本,不便于C模式編解碼軟硬件實現(xiàn)。本文分析了二次雷達(dá)C模式編解碼的一般實現(xiàn)過程,討論了高度編解碼的一般方法,并歸納、總結(jié)了公式法在二次雷達(dá)C模式編解碼中的應(yīng)用。

2 格雷碼簡介

格雷碼(Gray Code)是1880年由法國工程師Jean-Maurice-Emlle Baudot 發(fā)明的一種編碼,因Frank Gray于1953年申請專利“Pulse Code Communication”而得名。

格雷碼是一種可靠性編碼,它所產(chǎn)生的誤碼率最低,因為這種編碼相鄰兩個碼組之間僅有一位不同,在用于A/D轉(zhuǎn)換時,當(dāng)模擬量發(fā)生微小改變而引起數(shù)字發(fā)生改變時,格雷碼只改變一位,而其它碼則有可能改變兩位或者多位,所以采用格雷碼編碼的電路就能以最少的錯誤在較高的速度下穩(wěn)定工作。

3 高度編碼特征

飛機(jī)的飛行高度由國際民用航空組織(ICAO)規(guī)定,所要編碼的高度范圍約為-366~38 618 m(-1 200~126 700 ft)[4]。當(dāng)機(jī)載應(yīng)答機(jī)接收到C模式詢問脈沖信號時,應(yīng)答碼為高度編碼;高度編碼由標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)碼和五周期循環(huán)碼兩部分組成。當(dāng)數(shù)學(xué)化的氣壓高度信息有效時, C模式詢問的應(yīng)答碼就由規(guī)定的兩個框架脈沖和信息脈沖組成,長度為兩個字節(jié),應(yīng)答碼高度編碼順序如圖1所示。

排序應(yīng)答碼字母1ACVD1D2D4A1A2A4B1B2B4C1C2C411--0標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)碼(Gray Code) 五周期循環(huán)碼 1

圖1 C模式應(yīng)答碼字母的排序
Fig.1 Sorting the letters of mode C response code

標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)碼由D2、D4、A1、A2、A4、B1、B2、B4共8位組成,采用格雷碼編碼規(guī)則,D1位未使用(恒為0),D2代表最高位,該部分編碼的增量單位約為152 m(500 ft);五周期循環(huán)碼由C1、C2、C4共3位組成, C1代表最高位,增量單位約為30 m(100 ft),且滿足表1的編碼規(guī)則。

表1 五周期循環(huán)碼規(guī)則

4 高度編解碼實現(xiàn)

二次雷達(dá)高度編解碼實現(xiàn)的一般過程是,當(dāng)機(jī)載應(yīng)答機(jī)接收到C模式詢問脈沖信息后,首先將通過氣壓高度表獲得的氣壓高度值進(jìn)行編碼,以形成應(yīng)答脈沖信號發(fā)回地面,監(jiān)視雷達(dá)接收并處理應(yīng)答脈沖信號,解碼之后的高度信息就可在屏幕上顯示出來,從而獲取飛機(jī)的高度信息。為了保證以較高精度顯示飛機(jī)的高度值,在高度編解碼中使用的是格雷碼與五周期循環(huán)碼組合的編碼規(guī)則。由圖1可知,C1、C2、C4采用五周期循環(huán)碼編碼規(guī)則,利用表1的對應(yīng)規(guī)則較易實現(xiàn)數(shù)值之間的轉(zhuǎn)換;D2、D4、A1、A2、A4、B1、B2、B4采用格雷碼編碼規(guī)則,實現(xiàn)格雷碼與二進(jìn)制碼的相互轉(zhuǎn)換是處理高度編解碼的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[5]中介紹了一種格雷碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼的方法,它將一個字節(jié)(8位)格雷碼劃分為高4位和低4位,利用轉(zhuǎn)換規(guī)律分別求出高4位和低4位格雷碼所對應(yīng)的二進(jìn)制碼,這種方法在實現(xiàn)格雷碼到二進(jìn)制碼的轉(zhuǎn)換,過程略顯復(fù)雜,并且處理格雷碼的位數(shù)受到很大限制。以下簡要介紹目前常用的查表法在格雷碼與二進(jìn)制碼相互轉(zhuǎn)換中的運(yùn)用,以及公式法在高度編解碼中的實現(xiàn)。

4.1 查表法

傳統(tǒng)的二次雷達(dá)高度編解碼中采用的是查表法實現(xiàn)二進(jìn)制碼與格雷碼的相互轉(zhuǎn)換,其原理是建一個二進(jìn)制碼與格雷碼的對應(yīng)表,如以4位二進(jìn)制碼建立的表2所示。如果要將一個二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為格雷碼,首先在表中縱向找到要轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制碼,然后再在表中橫向查找其對應(yīng)的格雷碼,這樣就實現(xiàn)了一個二進(jìn)制碼到格雷碼的轉(zhuǎn)換。由于二進(jìn)制碼與格雷碼之間存在一一對應(yīng)關(guān)系,可以采用類似方法實現(xiàn)格雷碼到二進(jìn)制碼的轉(zhuǎn)換。

表2 四位二進(jìn)制碼與格雷碼的對應(yīng)表

這種方法的主要優(yōu)點有:表中每一個二進(jìn)制碼與它所對應(yīng)的格雷碼都能準(zhǔn)確地實現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換;方法簡單,可用一個數(shù)組實現(xiàn)轉(zhuǎn)換操作;執(zhí)行時間快。

但是,查表法自身的實現(xiàn)原理,決定了它不可避免地存在很大缺陷,主要是因為在實際應(yīng)用研究中,要轉(zhuǎn)換的脈沖數(shù)往往不止4位,有的高達(dá)16位甚至32位,這就需要分別建立包含65 536個元素和4 294 967 296個元素的對應(yīng)表,即便是表1中的8個脈沖,也需要建立包含256個元素的對應(yīng)表,建立這樣大的對應(yīng)表,費時且容易出錯,占用大量的內(nèi)存資源,軟硬件實現(xiàn)較復(fù)雜;此外,當(dāng)處理的二進(jìn)制碼或格雷碼位數(shù)發(fā)生改變時,就需要另外建立新的對應(yīng)表;軟硬件應(yīng)用的擴(kuò)展性不強(qiáng)。

文獻(xiàn)[3]中闡述了利用查表法實現(xiàn)高度編解碼的詳細(xì)過程。

4.2 公式法

針對查表法在實現(xiàn)二進(jìn)制碼與格雷碼相互轉(zhuǎn)換中存在建表繁鎖、占用資源多等缺點,同時考慮到二進(jìn)制碼與格雷碼之間存在一一對應(yīng)規(guī)則,本文利用格雷碼與二進(jìn)制碼之間的相互關(guān)系,實現(xiàn)C模式高度的編解碼,能夠很好地克服查表法建表和查表的復(fù)雜操作。

實現(xiàn)二進(jìn)制碼與格雷碼相互轉(zhuǎn)換的公式有所不同,以下分別描述這兩個公式的基本原理。

(1)二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為格雷碼

二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為格雷碼,其原理是保留二進(jìn)制碼的最高位不變作為格雷碼的最高位,而格雷碼次高位由二進(jìn)制碼的最高位與次高位異或得到,以此類推,格雷碼其余各位與次高位的求法類似。

設(shè)BnBn-1Bn-2…B2B1B0為一個二進(jìn)制碼,GnGn-1Gn-2…G2G1G0為其轉(zhuǎn)換所得的格雷碼。轉(zhuǎn)換過程是:保留二進(jìn)制碼的最高位不變作為格雷碼的最高位,即Gn等于Bn,格雷碼的次高位Gn-1則由Bn與Bn-1異或求得,Gn-2則由Bn-1與Bn-2異或求得。以此類推,便可求得相對應(yīng)的格雷碼。用公式(1)來簡單描述二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為格雷碼的步驟:

(1)

在文獻(xiàn)[6]中利用偽代碼闡述了高度編碼的過程,但沒有具體說明二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為格雷碼的實現(xiàn)步驟。在本文中,將式(1)運(yùn)用到二次雷達(dá)C模式高度的編碼中,具體的編碼流程如圖2所示。

圖2 編碼流程圖Fig.2 Encoding flow chart

說明:要編碼的氣壓高度值不是從0開始的,而是從約366 m(-1 200 ft)開始的,所以將氣壓高度值除以100后再加上12所得的值才是要編碼的值。

(2)格雷碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼

格雷碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼,其原理是保留格雷碼的最高位不變作為二進(jìn)制碼的最高位,二進(jìn)制碼次高位為二進(jìn)制碼最高位與格雷碼次高位異或所得,二進(jìn)制碼的其余各位與二進(jìn)制碼次高位的求法類似。

設(shè)GnGn-1Gn-2…G2G1G0為一個格雷碼,BnBn-1Bn-2…B2B1B0為其轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制碼, 轉(zhuǎn)換過程是:格雷碼最高位保持不變,作為二進(jìn)制碼的最高位,即Bn等于Gn,用Bn異或Gn-1得到Bn-1,再用Bn-1異或Gn-2得到Bn-2,依此類推,便可求得相對應(yīng)的二進(jìn)制碼。用式(2)來簡單描述格雷碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼的步驟:

(2)

運(yùn)用式(2)實現(xiàn)高度的解碼,具體解碼流程如圖3所示。

圖3 解碼流程圖

從圖1與圖2的流程不難發(fā)現(xiàn), 利用公式法實現(xiàn)高度的編解碼,省去了建表的步驟,程序?qū)崿F(xiàn)上不會占用大的存儲空間,而且不會受到因處理脈沖位數(shù)變化的影響。在實現(xiàn)二次雷達(dá)C模式高度編解碼的過程中運(yùn)用公式法處理二進(jìn)制碼與格雷碼的相互轉(zhuǎn)換將更加簡單、快捷、靈活。

5 實驗

表3是從文獻(xiàn)[4]附錄A中截取的5個高度數(shù)據(jù)的編碼,用以驗證4.2中所介紹的方法的有效性和可用性。

表3 C模式編碼

利用圖3的解碼流程求得表3中的5個編碼數(shù)據(jù)的高度值分別約為-366 m(-1 200 ft)、-335 m(-1 100 ft)、366 m(1 200 ft)、396 m(1 300 ft)、38 618 m(126 700 ft),這5個高度值與文獻(xiàn)[4]附錄A的原始值相符。

利用圖2的編碼流程,對以上求得的5個高度值進(jìn)行編碼,通過編碼所獲得的5個編碼值分別為1、3、52、60、1025,這5個編碼值正好等于表3中D2、D4、A1、A2、A4、B1、B2、B4、C1、C2、C4位的編碼值。

圖4和圖5是對高度進(jìn)行編碼和解碼分別采用公式法和查表法處理的效率對比圖,從圖中可以得出結(jié)論:公式法在克服了查表法建表繁鎖、占用內(nèi)存資源、操作復(fù)雜等缺點的基礎(chǔ)上,同樣達(dá)到了理想的執(zhí)行效率。

圖4 編碼效率對比

圖5 解碼效率對比

通過上述實驗,驗證了公式法在實現(xiàn)格雷碼與二進(jìn)制碼相互轉(zhuǎn)換中的準(zhǔn)確性和可行性,同時也說明,運(yùn)用公式法實現(xiàn)二次雷達(dá)C模式高度編解碼能夠達(dá)到可靠的準(zhǔn)確性和時效性要求。

6 結(jié)束語

本文針對二次雷達(dá)高度編解碼的實現(xiàn)過程進(jìn)行闡述,并實現(xiàn)了在高度編解碼中的公式法處理方法。該方法不同于以往的查表法,隨著空中交通密度的增加,所需處理的目標(biāo)數(shù)目也隨之增加,運(yùn)用公式法處理二次雷達(dá)高度碼,在克服了查表法存在建表繁鎖、占用內(nèi)存資源多等缺點的情況下,不僅提供了方便快捷的實現(xiàn)方式,同樣也保證了在空中交通管制系統(tǒng)中的實時性和準(zhǔn)確性監(jiān)控。

在東芝雷達(dá)真實環(huán)境下引接的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和實驗,結(jié)果很好地驗證了該方法的有效性和適用性。此外,運(yùn)用該方法處理其它類型雷達(dá)數(shù)據(jù)的可用性還有待于進(jìn)一步研究。

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