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第二部分—利用MATLAB和Simulink進行S模式檢測和解碼 作者： Mike Donovan, Andrei Cozma 和 Di Pu 自動相關監視廣播波形 能被檢測和解碼的無線信號無處不在。利用當今的軟件定義無線電 (SDR) 硬件，像ADI公司的集成RF捷變收發器 AD9361/AD9364 等，很容易接入這些信號1,2。商業航空器的自動相關監視廣播 (ADS-B) 傳輸提供了一個現成的無線信號，利用它可演示基于AD9361和Xilinx Zynq-7000 All Programmable SoC的快速原型開發流程。商業航空器利用ADS-B發射機向空中交通管制員報告其位置、速度、高度和航空器ID3。國際民用航空組織 (ICAO) S模式超長電文規范定義了飛行數據格式4。ADS-B正在向全世界推廣，以便構建現代化空中交通管制和避碰系統。它已被歐洲采用，美國正在逐漸引入。 S模式超長電文標準詳細規定了RF傳輸格式和編碼數據字段。應答器傳輸具有如下特性： 發射頻率：1090 MHz 調制：脈沖位置調制 (PPM) 數據速率：1 Mbps 消息長度：56 μs或112 μs 24位CRC校驗和 調諧頻率和帶寬完全在AD9361 RF收發器的能力范圍之內，收到的I/Q樣本可利用多種軟件或嵌入式平臺選項進行檢測和解碼。 本文將討論如何利用一個基于AD9361的接收機平臺來捕捉這些S模式信號，然后利用MATLAB和Simulink開發一個能夠解碼消息的算法。該算法的最終目標是將該解決方案部署到Zynq SoC平臺上，例如Avnet PicoZed™ SDR系統化模塊 (SOM) 。 接收機設計挑戰 S模式消息有短 (56 μs) 和長 (112 μs) 兩種。短消息包含消息類型、航空器識別號和循環冗余校驗 (CRC) 和。長消息則還包含高度、位置、速度和飛行狀態信息。無論何種情況，S模式傳輸均從一個8 μs前同步碼開始。接收機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確定消息位從何時開始。詳情參見圖15。5 
圖1. S模式消息結構 S模式波形相當簡單，但要成功接收并解碼消息，仍有若干挑戰需要解決。 接收環境通常是長時間空閑中穿插著非常短的消息；如果發射信號的航空器距離接收機很遠，收到的信號可能非常弱。傳統波形也會以1090 MHz的頻率發射。接收機需要利用前同步碼在擁堵的頻段中識別高和低兩個幅度的S模式傳輸。 在1 μs位間隔內，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。位判定的依據是基于時間的模式，因此，接收機需要利用前同步碼準確找出消息位開始的I/Q樣本。 S模式消息由88個信息位和24個校驗和位組成。接收機需要能夠在正確的時間清除寄存器、作出位判定、計算校驗和并讀取校驗和寄存器。為使接收機正確工作，必須對時序進行控制。 對于嵌入式設計，解碼過程必須逐個樣本進行。存儲大量數據再進行批處理的接收機設計，對嵌入式系統來說是不現實的。 AD9361等強大的RF前端與MATLAB®之類的科技計算語言相結合，可大大簡化與此類傳輸的檢測和解碼相關的問題。MATLAB和信號處理工具箱中的函數可用來識別同步模式，計算噪底，作出位判定，以及計算校驗和。MATLAB中的條件和執行控制函數可簡化控制邏輯。利用AD9361 SDR平臺很容易訪問測試數據，無論是從二進制或文本文件讀取，還是以流形式直接輸入MATLAB。最后，MATLAB是解釋性語言，因而很容易與數據進行交互，嘗試不同的方法，以交互方式開發解決方案。 在MATLAB中建模并驗證S模式接收機算法 對下述內容和MATLAB源代碼感興趣的讀者，可在Analog Devices GitHub庫中找到相關文件。入門級函數為ad9361_ModeS.m，同時提供了此函數調用的 文件. 設計接收機算法的第一步是訪問一些源數據。許多航空器現在都配備了S模式應答器，因而只需將接收機調諧到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快速原型開發平臺。ADI公司提供了一個MATLAB系統對象™，它能通過以太網從FMCOMMS平臺接收數據6。該系統對象允許用戶選擇調諧頻率和采樣速率，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，幾行代碼便可設置MATLAB系統對象，再用幾行代碼設置FMCOMMS3，還有幾行代碼用來捕獲I/Q樣本并將其寫入一個MATLAB變量。代碼示例如圖2、圖3和圖4所示。
圖2. 設置MATLAB系統對象的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的采樣速率捕獲數個數據集。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消息位精密對齊，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果如圖5所示。
圖5. 1090 MHz數據捕捉示例 在這個較短的數據集中，有14個信號從噪底中凸顯出來。在這14個信號中，有兩個是S模式消息。其余是傳統或雜散信號，應予以拋棄。放大樣本號604000附近的區域，可看到其中一個有效消息（圖6）。
圖6. 單個S模式消息 在此圖中，可以清楚看到前同步碼，PPM調制引起的位躍遷也很明顯。即使面對如此清晰的信號，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，需要一個自動化程序來解碼這些消息。MATLAB非常適合于開發這種程序。 用于接收和解碼S模式消息的MATLAB代碼可概述如下： 利用filter () 函數計算一個短時間窗口上的噪底和前同步碼相關性。我們的解決方案使用75個樣本，相當于6 μs。 當前同步碼相關性比噪底大一個相當大的倍數時，啟動尋找第一消息位樣本的邏輯。 此閾值可主觀選擇。它應足夠小，以便檢測弱信號，但又應足夠大，以防出現大量誤報。我們選擇比噪底高10倍的值，這是一個能夠捕捉大多數可解碼消息的合理閾值。 前同步碼模式產生數個峰值。最佳匹配是第一個6 μs，因此存儲第一峰值，開始尋找第一消息位，并檢查接下來的3 μs是否有一個更大的峰值。若有，則存儲新峰值，重新開始尋找第一消息位。 找到最大峰值時，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據相關的結果。噪底上有多個峰值，但有意義的峰值是幅度最大的峰值。第一消息位樣本出現在該峰值后2 μs處。
圖7. 噪底和前同步碼相關性的計算 對于每一位，將前½ μs和后½ μs的樣本幅度分別求和。哪一個和較大決定該位是邏輯1還是邏輯0。 一邊作出位判定，一邊計算校驗和。當第一位到達時，需要某種控制邏輯來復位CRC寄存器，計算88位的校驗和，然后在最后的24位期間清空CRC寄存器。若接收位匹配校驗和，則ADS-B消息有效。 根據S模式標準解析消息位（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據集中成功解碼的兩條消息。圖中給出了構成88位消息和24位校驗和的十六進制字符，解碼過程的結果顯示了航空器ID、消息類型以及航空器速度、高度和位置。 MATLAB提供了功能強大的數學和信號處理語言，使我們能夠相對輕松地解決此類問題。用于處理數據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計思想，快速確定可行的解決方案。我們對不同數據集測試了多種時序機制、閾值和噪聲水平，最終獲得一個滿意的程序。 該MATLAB代碼已針對本地空域飛行的航空器發出的信號進行了測試，解碼的消息也對照 airframes.org 和 flightaware.com. 等信息源進行了檢查。硬件和代碼表現得非常好，我們已經能夠解碼距離50英里的飛機發出的信號。 實施路徑 對下述內容和Simulink模型感興趣的讀者，可在Analog Devices GitHub庫中找到相關文件： https://github.com/analogdevicesinc/MathWorks_tools/tree/master/hil_models/ADSB_Simulink MATLAB是一個出色的環境，可讓用戶在PC上測試設計思想并運行算法，但如果最終目標是產生要用在嵌入式平臺（例如Zynq SoC）上的軟件或HDL，那么Simulink是一個不錯的解決方案。Simulink非常適合針對可編程器件的硬件細化建模工作。一個很好的工作流程是先用MATLAB開發并驗證算法，然后將設計轉換成Simulink，沿著開發路徑向前推進，直至獲得最終硬件實現方案。 幸運的是，該算法的MATLAB代碼是逐個樣本地處理數據，因此可以相當輕松地轉換為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算噪底和前同步碼相關性。這些計算使用數字濾波器模塊。時序控制模塊利用Stateflow®實現，后者是一個狀態機工具，用于為解碼算法的其它部分產生時序、復位和控制信號。對于想要將控制邏輯與數據流分開的模型，Stateflow非常有用。一旦激活時序和觸發信號，名為BitProcess的模塊便會接受I/Q輸入樣本并計算數據位，然后CRC_Check模塊計算校驗和。消息解析仍然發生在由該Simulink模型驅動的MATLAB腳本中。 深入觀察該模型，可以看到令Simulink適合嵌入式開發的幾個特性，尤其是針對Zynq SoC將設計劃分為多個功能，以及產生HDL代碼和C代碼。 Simulink具有出色的定點支持能力，用戶可以構建并測試設計的位真 (bit-true) 版本。各個模塊允許用戶設置模型中數學運算的字長和小數長度。用于計算前同步碼相關性的數字濾波器模塊就是一個很好的例子（圖10）。用戶可以設置計算的舍入模式和溢出行為（對于HDL中的數學運算，Floor和Wrap是最簡單的選擇）。此外，用戶可以為產品和濾波器的累加器操作指定不同的字長和小數精度（圖11）。用戶可以使用映射到接收機ADC的字長選擇，并且利用硬件乘法器，例如Zynq SoC的DSP48分片內部的18位× 25位乘法器。
圖10. 用于前同步碼相關性的Simulink數字濾波器模塊，12位數據類型
圖11. 定點數據類型設置 嵌入式設計常常具有多種工作模式和條件執行算法。Stateflow特別善于管理這些控制信號。Stateflow以可視化方式呈現S模式消息檢測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： SyncSearch：尋找捕獲樣本中的前同步碼 WaitForT0：尋找第一個消息位的開始 BitProcess：啟用位處理 EmptyReg：清空校驗和寄存器并將這些位與位處理輸出進行比較 當檢測和解碼算法在不同狀態間流轉時，Stateflow模塊產生相關信號以啟用位處理，復位位判定計數器和校驗和寄存器，以及在S模式消息結束時讀出校驗和位。
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，也有非常精細的模塊，工程師可以根據需要選擇使用。數字濾波器、FFT和數控振蕩器等是高級模塊，利用這些模塊很容易構建信號處理設計。如果需要更精確地控制設計，例如針對速度或面積進行優化，工程師可以使用單位延遲、邏輯運算符（如XOR）和開關等低級模塊。該模塊中的24位校驗和便是利用這些低級模塊構建的反饋移位寄存器（圖13）。
圖13. 用于S模式校驗和計算的反饋移位寄存器 該Simulink模型是用于檢測和解碼S模式消息的MATLAB算法的硬件化版本。Simulink是一個很有用的工具，填補了MATLAB中編寫的行為算法與嵌入式硬件的實現代碼之間的空白。您可以將針對硬件的細化工作引入Simulink模型，運行模型，驗證您所做的變更沒有破壞解碼算法。 結論 Zynq SDR快速原型開發平臺和MathWorks軟件的結合，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設計理念快速變成原型。AD9361/AD9364捷變寬帶RF收發器的高度可編程能力和性能，加上硬件與MATLAB環境之間的簡單連接，讓大量不同且有趣的無線信號可以為工程師所用。使用MATLAB的工程師可以快速嘗試各種設計思想并確定有前途的解決方案。如果設計的最終目標是嵌入式處理器，工程師可以通過Simulink工具利用硬件相關主意優化設計，最終獲得用于對處理編程的代碼。這種工作流程可降低無線接收機設計對工程師技能的要求，縮短從概念到工作原型的開發周期。 在本系列的下一篇文章中，我們將介紹如何使用硬件在環 (HIL) 仿真來驗證接收機設計，用目標收發器捕獲信號，同時在Simulink中的主機上執行該信號處理系統的一個模型進行驗證。 參考文獻 1AD9361.Analog Devices。 2AD9364. Analog Devices。 3960-1164 MHz，美國國家電信和信息管理局。 4S模式服務和超長電文的技術規定，國際民用航空組織。 5監視和避碰系統，航空電信第IV卷，國際民用航空組織。 6Di Pu，Andrei Cozma和Tom Hill，“快速通往量產的四個步驟：利用基于模型的設計開發軟件定義無線電”， 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公司應用工程部門經理。他擁有巴克內爾大學電氣工程學士學位和康涅狄克大學電氣工程碩士學位。加入MathWorks之前，Mike開發過雷達和衛星通信系統，并在寬帶電信行業工作過。 Andrei Cozma [andrei.cozma@analog.com]是ADI公司工程設計經理，負責支持系統級參考設計的設計與開發。他擁有工業自動化與信息技術學士學位及電子與電信博士學位。他參與過電機控制、工業自動化、軟件定義無線電和電信等不同行業領域的項目設計與開發。 Di Pu [di.pu@analog.com]是ADI公司系統建模應用工程師，負責支持軟件定義無線電平臺和系統的設計與開發。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 (NJUST) 電氣工程學士學位，于2009年和2013年分別獲得伍斯特理工學院 (WPI) 電氣工程碩士學位和博士學位。她是WPI 2013年博士論文Sigma Xi研究獎獲得者。 |
