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第二部分—利用MATLAB和Simulink進(jìn)行S模式檢測(cè)和解碼 作者： Mike Donovan, Andrei Cozma 和 Di Pu 自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視廣播波形 能被檢測(cè)和解碼的無線信號(hào)無處不在。利用當(dāng)今的軟件定義無線電 (SDR) 硬件，像ADI公司的集成RF捷變收發(fā)器 AD9361/AD9364 等，很容易接入這些信號(hào)1,2。商業(yè)航空器的自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視廣播 (ADS-B) 傳輸提供了一個(gè)現(xiàn)成的無線信號(hào)，利用它可演示基于AD9361和Xilinx Zynq-7000 All Programmable SoC的快速原型開發(fā)流程。商業(yè)航空器利用ADS-B發(fā)射機(jī)向空中交通管制員報(bào)告其位置、速度、高度和航空器ID3。國際民用航空組織 (ICAO) S模式超長電文規(guī)范定義了飛行數(shù)據(jù)格式4。ADS-B正在向全世界推廣，以便構(gòu)建現(xiàn)代化空中交通管制和避碰系統(tǒng)。它已被歐洲采用，美國正在逐漸引入。 S模式超長電文標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了RF傳輸格式和編碼數(shù)據(jù)字段。應(yīng)答器傳輸具有如下特性： 發(fā)射頻率：1090 MHz 調(diào)制：脈沖位置調(diào)制 (PPM) 數(shù)據(jù)速率：1 Mbps 消息長度：56 μs或112 μs 24位CRC校驗(yàn)和 調(diào)諧頻率和帶寬完全在AD9361 RF收發(fā)器的能力范圍之內(nèi)，收到的I/Q樣本可利用多種軟件或嵌入式平臺(tái)選項(xiàng)進(jìn)行檢測(cè)和解碼。 本文將討論如何利用一個(gè)基于AD9361的接收機(jī)平臺(tái)來捕捉這些S模式信號(hào)，然后利用MATLAB和Simulink開發(fā)一個(gè)能夠解碼消息的算法。該算法的最終目標(biāo)是將該解決方案部署到Zynq SoC平臺(tái)上，例如Avnet PicoZed™ SDR系統(tǒng)化模塊 (SOM) 。 接收機(jī)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn) S模式消息有短 (56 μs) 和長 (112 μs) 兩種。短消息包含消息類型、航空器識(shí)別號(hào)和循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC) 和。長消息則還包含高度、位置、速度和飛行狀態(tài)信息。無論何種情況，S模式傳輸均從一個(gè)8 μs前同步碼開始。接收機(jī)通過此前同步碼確定一條有效消息正在傳輸，此前同步碼還能幫助接收機(jī)確定消息位從何時(shí)開始。詳情參見圖15。5 
圖1. S模式消息結(jié)構(gòu) S模式波形相當(dāng)簡單，但要成功接收并解碼消息，仍有若干挑戰(zhàn)需要解決。 接收環(huán)境通常是長時(shí)間空閑中穿插著非常短的消息；如果發(fā)射信號(hào)的航空器距離接收機(jī)很遠(yuǎn)，收到的信號(hào)可能非常弱。傳統(tǒng)波形也會(huì)以1090 MHz的頻率發(fā)射。接收機(jī)需要利用前同步碼在擁堵的頻段中識(shí)別高和低兩個(gè)幅度的S模式傳輸。 在1 μs位間隔內(nèi)，各位的可能模式有兩種。前½ μs為ON且后½ μs為OFF，表示邏輯1。前½ μs為OFF且后½ μs為ON，表示邏輯0。位判定的依據(jù)是基于時(shí)間的模式，因此，接收機(jī)需要利用前同步碼準(zhǔn)確找出消息位開始的I/Q樣本。 S模式消息由88個(gè)信息位和24個(gè)校驗(yàn)和位組成。接收機(jī)需要能夠在正確的時(shí)間清除寄存器、作出位判定、計(jì)算校驗(yàn)和并讀取校驗(yàn)和寄存器。為使接收機(jī)正確工作，必須對(duì)時(shí)序進(jìn)行控制。 對(duì)于嵌入式設(shè)計(jì)，解碼過程必須逐個(gè)樣本進(jìn)行。存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)再進(jìn)行批處理的接收機(jī)設(shè)計(jì)，對(duì)嵌入式系統(tǒng)來說是不現(xiàn)實(shí)的。 AD9361等強(qiáng)大的RF前端與MATLAB®之類的科技計(jì)算語言相結(jié)合，可大大簡化與此類傳輸?shù)臋z測(cè)和解碼相關(guān)的問題。MATLAB和信號(hào)處理工具箱中的函數(shù)可用來識(shí)別同步模式，計(jì)算噪底，作出位判定，以及計(jì)算校驗(yàn)和。MATLAB中的條件和執(zhí)行控制函數(shù)可簡化控制邏輯。利用AD9361 SDR平臺(tái)很容易訪問測(cè)試數(shù)據(jù)，無論是從二進(jìn)制或文本文件讀取，還是以流形式直接輸入MATLAB。最后，MATLAB是解釋性語言，因而很容易與數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，嘗試不同的方法，以交互方式開發(fā)解決方案。 在MATLAB中建模并驗(yàn)證S模式接收機(jī)算法 對(duì)下述內(nèi)容和MATLAB源代碼感興趣的讀者，可在Analog Devices GitHub庫中找到相關(guān)文件。入門級(jí)函數(shù)為ad9361_ModeS.m，同時(shí)提供了此函數(shù)調(diào)用的 文件. 設(shè)計(jì)接收機(jī)算法的第一步是訪問一些源數(shù)據(jù)。許多航空器現(xiàn)在都配備了S模式應(yīng)答器，因而只需將接收機(jī)調(diào)諧到1090 MHz的廣播頻率便可捕獲本地傳輸。在我們的例子中，可以使用Zynq SDR快速原型開發(fā)平臺(tái)。ADI公司提供了一個(gè)MATLAB系統(tǒng)對(duì)象™，它能通過以太網(wǎng)從FMCOMMS平臺(tái)接收數(shù)據(jù)6。該系統(tǒng)對(duì)象允許用戶選擇調(diào)諧頻率和采樣速率，利用無線電硬件收集接收樣本，以及將接收樣本作為MATLAB變量直接送入MATLAB工作空間。所需代碼非常少，幾行代碼便可設(shè)置MATLAB系統(tǒng)對(duì)象，再用幾行代碼設(shè)置FMCOMMS3，還有幾行代碼用來捕獲I/Q樣本并將其寫入一個(gè)MATLAB變量。代碼示例如圖2、圖3和圖4所示。
圖2. 設(shè)置MATLAB系統(tǒng)對(duì)象的MATLAB代碼示例
圖3. 配置FMCOMMS3板的MATLAB代碼示例
圖4. 捕獲I/Q樣本并將其寫入Rx變量的MATLAB代碼示例 我們使用了一些基于這些命令的代碼，以12.5 MHz的采樣速率捕獲數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)集。選擇12.5 MHz速率是為了提供足夠的樣本來使前同步碼與第一個(gè)消息位精密對(duì)齊，并通過求均值方法消除用來作出位判定的樣本中的噪聲。捕捉一百萬樣本的結(jié)果如圖5所示。
圖5. 1090 MHz數(shù)據(jù)捕捉示例 在這個(gè)較短的數(shù)據(jù)集中，有14個(gè)信號(hào)從噪底中凸顯出來。在這14個(gè)信號(hào)中，有兩個(gè)是S模式消息。其余是傳統(tǒng)或雜散信號(hào)，應(yīng)予以拋棄。放大樣本號(hào)604000附近的區(qū)域，可看到其中一個(gè)有效消息（圖6）。
圖6. 單個(gè)S模式消息 在此圖中，可以清楚看到前同步碼，PPM調(diào)制引起的位躍遷也很明顯。即使面對(duì)如此清晰的信號(hào)，通過目視檢查解碼各位也需要很好的視力和極大的耐心。顯然，需要一個(gè)自動(dòng)化程序來解碼這些消息。MATLAB非常適合于開發(fā)這種程序。 用于接收和解碼S模式消息的MATLAB代碼可概述如下： 利用filter () 函數(shù)計(jì)算一個(gè)短時(shí)間窗口上的噪底和前同步碼相關(guān)性。我們的解決方案使用75個(gè)樣本，相當(dāng)于6 μs。 當(dāng)前同步碼相關(guān)性比噪底大一個(gè)相當(dāng)大的倍數(shù)時(shí)，啟動(dòng)尋找第一消息位樣本的邏輯。 此閾值可主觀選擇。它應(yīng)足夠小，以便檢測(cè)弱信號(hào)，但又應(yīng)足夠大，以防出現(xiàn)大量誤報(bào)。我們選擇比噪底高10倍的值，這是一個(gè)能夠捕捉大多數(shù)可解碼消息的合理閾值。 前同步碼模式產(chǎn)生數(shù)個(gè)峰值。最佳匹配是第一個(gè)6 μs，因此存儲(chǔ)第一峰值，開始尋找第一消息位，并檢查接下來的3 μs是否有一個(gè)更大的峰值。若有，則存儲(chǔ)新峰值，重新開始尋找第一消息位。 找到最大峰值時(shí)，于2 μs后開始解碼消息位。 圖7顯示了噪底（綠色）以及將理想前同步碼與輸入數(shù)據(jù)相關(guān)的結(jié)果。噪底上有多個(gè)峰值，但有意義的峰值是幅度最大的峰值。第一消息位樣本出現(xiàn)在該峰值后2 μs處。
圖7. 噪底和前同步碼相關(guān)性的計(jì)算 對(duì)于每一位，將前½ μs和后½ μs的樣本幅度分別求和。哪一個(gè)和較大決定該位是邏輯1還是邏輯0。 一邊作出位判定，一邊計(jì)算校驗(yàn)和。當(dāng)?shù)谝晃坏竭_(dá)時(shí)，需要某種控制邏輯來復(fù)位CRC寄存器，計(jì)算88位的校驗(yàn)和，然后在最后的24位期間清空CRC寄存器。若接收位匹配校驗(yàn)和，則ADS-B消息有效。 根據(jù)S模式標(biāo)準(zhǔn)解析消息位（參見圖8）。
圖8. 解碼后的S模式消息 上圖來自MATLAB命令窗口，顯示了從一百萬樣本數(shù)據(jù)集中成功解碼的兩條消息。圖中給出了構(gòu)成88位消息和24位校驗(yàn)和的十六進(jìn)制字符，解碼過程的結(jié)果顯示了航空器ID、消息類型以及航空器速度、高度和位置。 MATLAB提供了功能強(qiáng)大的數(shù)學(xué)和信號(hào)處理語言，使我們能夠相對(duì)輕松地解決此類問題。用于處理數(shù)據(jù)樣本并最終解碼消息的MATLAB代碼很短，只有200行。此外，MATLAB是解釋性語言，因而很容易以交互方式嘗試不同的設(shè)計(jì)思想，快速確定可行的解決方案。我們對(duì)不同數(shù)據(jù)集測(cè)試了多種時(shí)序機(jī)制、閾值和噪聲水平，最終獲得一個(gè)滿意的程序。 該MATLAB代碼已針對(duì)本地空域飛行的航空器發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行了測(cè)試，解碼的消息也對(duì)照 airframes.org 和 flightaware.com. 等信息源進(jìn)行了檢查。硬件和代碼表現(xiàn)得非常好，我們已經(jīng)能夠解碼距離50英里的飛機(jī)發(fā)出的信號(hào)。 實(shí)施路徑 對(duì)下述內(nèi)容和Simulink模型感興趣的讀者，可在Analog Devices GitHub庫中找到相關(guān)文件： https://github.com/analogdevicesinc/MathWorks_tools/tree/master/hil_models/ADSB_Simulink MATLAB是一個(gè)出色的環(huán)境，可讓用戶在PC上測(cè)試設(shè)計(jì)思想并運(yùn)行算法，但如果最終目標(biāo)是產(chǎn)生要用在嵌入式平臺(tái)（例如Zynq SoC）上的軟件或HDL，那么Simulink是一個(gè)不錯(cuò)的解決方案。Simulink非常適合針對(duì)可編程器件的硬件細(xì)化建模工作。一個(gè)很好的工作流程是先用MATLAB開發(fā)并驗(yàn)證算法，然后將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成Simulink，沿著開發(fā)路徑向前推進(jìn)，直至獲得最終硬件實(shí)現(xiàn)方案。 幸運(yùn)的是，該算法的MATLAB代碼是逐個(gè)樣本地處理數(shù)據(jù)，因此可以相當(dāng)輕松地轉(zhuǎn)換為Simulink。與200行MATLAB代碼相比，Simulink模型很容易顯示和描述（參見圖9）。
圖9. S模式檢測(cè)和解碼算法的Simulink模型 在圖9中，可以看到解碼的第一步是計(jì)算噪底和前同步碼相關(guān)性。這些計(jì)算使用數(shù)字濾波器模塊。時(shí)序控制模塊利用Stateflow®實(shí)現(xiàn)，后者是一個(gè)狀態(tài)機(jī)工具，用于為解碼算法的其它部分產(chǎn)生時(shí)序、復(fù)位和控制信號(hào)。對(duì)于想要將控制邏輯與數(shù)據(jù)流分開的模型，Stateflow非常有用。一旦激活時(shí)序和觸發(fā)信號(hào)，名為BitProcess的模塊便會(huì)接受I/Q輸入樣本并計(jì)算數(shù)據(jù)位，然后CRC_Check模塊計(jì)算校驗(yàn)和。消息解析仍然發(fā)生在由該Simulink模型驅(qū)動(dòng)的MATLAB腳本中。 深入觀察該模型，可以看到令Simulink適合嵌入式開發(fā)的幾個(gè)特性，尤其是針對(duì)Zynq SoC將設(shè)計(jì)劃分為多個(gè)功能，以及產(chǎn)生HDL代碼和C代碼。 Simulink具有出色的定點(diǎn)支持能力，用戶可以構(gòu)建并測(cè)試設(shè)計(jì)的位真 (bit-true) 版本。各個(gè)模塊允許用戶設(shè)置模型中數(shù)學(xué)運(yùn)算的字長和小數(shù)長度。用于計(jì)算前同步碼相關(guān)性的數(shù)字濾波器模塊就是一個(gè)很好的例子（圖10）。用戶可以設(shè)置計(jì)算的舍入模式和溢出行為（對(duì)于HDL中的數(shù)學(xué)運(yùn)算，F(xiàn)loor和Wrap是最簡單的選擇）。此外，用戶可以為產(chǎn)品和濾波器的累加器操作指定不同的字長和小數(shù)精度（圖11）。用戶可以使用映射到接收機(jī)ADC的字長選擇，并且利用硬件乘法器，例如Zynq SoC的DSP48分片內(nèi)部的18位× 25位乘法器。
圖10. 用于前同步碼相關(guān)性的Simulink數(shù)字濾波器模塊，12位數(shù)據(jù)類型
圖11. 定點(diǎn)數(shù)據(jù)類型設(shè)置 嵌入式設(shè)計(jì)常常具有多種工作模式和條件執(zhí)行算法。Stateflow特別善于管理這些控制信號(hào)。Stateflow以可視化方式呈現(xiàn)S模式消息檢測(cè)和解碼所需的控制邏輯。在下面的圖12中，可以看到邏輯中的如下狀態(tài)： SyncSearch：尋找捕獲樣本中的前同步碼 WaitForT0：尋找第一個(gè)消息位的開始 BitProcess：啟用位處理 EmptyReg：清空校驗(yàn)和寄存器并將這些位與位處理輸出進(jìn)行比較 當(dāng)檢測(cè)和解碼算法在不同狀態(tài)間流轉(zhuǎn)時(shí)，Stateflow模塊產(chǎn)生相關(guān)信號(hào)以啟用位處理，復(fù)位位判定計(jì)數(shù)器和校驗(yàn)和寄存器，以及在S模式消息結(jié)束時(shí)讀出校驗(yàn)和位。
圖12. 解碼S模式消息的Stateflow流程圖 Simulink模塊庫中既有高度概括的模塊，也有非常精細(xì)的模塊，工程師可以根據(jù)需要選擇使用。數(shù)字濾波器、FFT和數(shù)控振蕩器等是高級(jí)模塊，利用這些模塊很容易構(gòu)建信號(hào)處理設(shè)計(jì)。如果需要更精確地控制設(shè)計(jì)，例如針對(duì)速度或面積進(jìn)行優(yōu)化，工程師可以使用單位延遲、邏輯運(yùn)算符（如XOR）和開關(guān)等低級(jí)模塊。該模塊中的24位校驗(yàn)和便是利用這些低級(jí)模塊構(gòu)建的反饋移位寄存器（圖13）。
圖13. 用于S模式校驗(yàn)和計(jì)算的反饋移位寄存器 該Simulink模型是用于檢測(cè)和解碼S模式消息的MATLAB算法的硬件化版本。Simulink是一個(gè)很有用的工具，填補(bǔ)了MATLAB中編寫的行為算法與嵌入式硬件的實(shí)現(xiàn)代碼之間的空白。您可以將針對(duì)硬件的細(xì)化工作引入Simulink模型，運(yùn)行模型，驗(yàn)證您所做的變更沒有破壞解碼算法。 結(jié)論 Zynq SDR快速原型開發(fā)平臺(tái)和MathWorks軟件的結(jié)合，為通信工程師提供了一種全新且靈活的方式來將無線接收機(jī)設(shè)計(jì)理念快速變成原型。AD9361/AD9364捷變寬帶RF收發(fā)器的高度可編程能力和性能，加上硬件與MATLAB環(huán)境之間的簡單連接，讓大量不同且有趣的無線信號(hào)可以為工程師所用。使用MATLAB的工程師可以快速嘗試各種設(shè)計(jì)思想并確定有前途的解決方案。如果設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是嵌入式處理器，工程師可以通過Simulink工具利用硬件相關(guān)主意優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終獲得用于對(duì)處理編程的代碼。這種工作流程可降低無線接收機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)工程師技能的要求，縮短從概念到工作原型的開發(fā)周期。 在本系列的下一篇文章中，我們將介紹如何使用硬件在環(huán) (HIL) 仿真來驗(yàn)證接收機(jī)設(shè)計(jì)，用目標(biāo)收發(fā)器捕獲信號(hào)，同時(shí)在Simulink中的主機(jī)上執(zhí)行該信號(hào)處理系統(tǒng)的一個(gè)模型進(jìn)行驗(yàn)證。 參考文獻(xiàn) 1AD9361.Analog Devices。 2AD9364. Analog Devices。 3960-1164 MHz，美國國家電信和信息管理局。 4S模式服務(wù)和超長電文的技術(shù)規(guī)定，國際民用航空組織。 5監(jiān)視和避碰系統(tǒng)，航空電信第IV卷，國際民用航空組織。 6Di Pu，Andrei Cozma和Tom Hill，“快速通往量產(chǎn)的四個(gè)步驟：利用基于模型的設(shè)計(jì)開發(fā)軟件定義無線電”， Analog Dialogue第49卷。 源代碼和模型鏈接 MATLAB S模式解碼算法： https://github.com/analogdevices ... models/ADSB_MATLAB/ Simulink S模式解碼模型： https://github.com/analogdevices ... odels/ADSB_Simulink 致謝 感謝MathWorks公司的Mike Mulligan，他為本文示例提供了一些MATLAB代碼。 作者 Mike Donovan [mike.donovan@mathworks.com] i是MathWorks公司應(yīng)用工程部門經(jīng)理。他擁有巴克內(nèi)爾大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位和康涅狄克大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位。加入MathWorks之前，Mike開發(fā)過雷達(dá)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)，并在寬帶電信行業(yè)工作過。 Andrei Cozma [andrei.cozma@analog.com]是ADI公司工程設(shè)計(jì)經(jīng)理，負(fù)責(zé)支持系統(tǒng)級(jí)參考設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。他擁有工業(yè)自動(dòng)化與信息技術(shù)學(xué)士學(xué)位及電子與電信博士學(xué)位。他參與過電機(jī)控制、工業(yè)自動(dòng)化、軟件定義無線電和電信等不同行業(yè)領(lǐng)域的項(xiàng)目設(shè)計(jì)與開發(fā)。 Di Pu [di.pu@analog.com]是ADI公司系統(tǒng)建模應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)支持軟件定義無線電平臺(tái)和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。她與MathWorks密切合作解決雙方共同客戶的難題。加入ADI公司之前，她于2007年獲得南京理工大學(xué) (NJUST) 電氣工程學(xué)士學(xué)位，于2009年和2013年分別獲得伍斯特理工學(xué)院 (WPI) 電氣工程碩士學(xué)位和博士學(xué)位。她是WPI 2013年博士論文Sigma Xi研究獎(jiǎng)獲得者。 |
