使用MATLAB和Simulink進(jìn)行模式S檢測(cè)和解碼

作者：Mike Donovan, Andrei Cozma, and Di Pu

可檢測(cè)和解碼的無線信號(hào)無處不在，使用當(dāng)今的軟件定義無線電（SDR）硬件（如ADI公司集成RF捷變收發(fā)器AD9361/AD9364）可以輕松訪問這些信號(hào)。 ?1,2商用飛機(jī)的自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視廣播 （ADS-B） 傳輸提供現(xiàn)成的無線信號(hào)，可用于演示基于連接到 Xilinx Zynq-7000 全可編程 SoC 的 AD9361 的快速原型制作流程。 商用飛機(jī)使用 ADS-B 發(fā)射器向空中交通管制員報(bào)告其位置、速度、高度和飛機(jī) ID。??3飛行數(shù)據(jù)格式在國際民用航空組織 （ICAO） 的模式 S 擴(kuò)展 Squitter 規(guī)范中定義。4ADS-B正在世界各地推出，以實(shí)現(xiàn)空中交通管制和防撞系統(tǒng)的現(xiàn)代化。它已經(jīng)在歐洲被采用，并正在逐步引入美國。

S模式擴(kuò)展分離器標(biāo)準(zhǔn)提供了RF傳輸格式和編碼數(shù)據(jù)字段的詳細(xì)信息。應(yīng)答器傳輸具有以下特性：

發(fā)射頻率：1090兆赫

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)器的能力范圍內(nèi)，并且可以使用各種軟件或嵌入式平臺(tái)選項(xiàng)檢測(cè)和解碼接收到的I/Q樣本。

在本文中，我們將討論如何使用基于AD9361的接收器平臺(tái)捕獲這些S模式信號(hào)，然后使用MATLAB和Simulink開發(fā)可以解碼消息的算法。該算法的開發(fā)最終目標(biāo)是將解決方案部署到Zynq SoC平臺(tái)上，例如安富利的PicoZed? SDR模塊系統(tǒng)（SOM）。

接收器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

S模式消息為短（56 μs）或長（112 μs）。短消息包含消息類型、飛機(jī)標(biāo)識(shí)號(hào)和循環(huán)冗余校驗(yàn) （CRC） 校驗(yàn)和。長消息還包含高度、位置、速度和飛行狀態(tài)。無論哪種情況，S模式傳輸都以8 μs前導(dǎo)碼開始。接收方使用此前導(dǎo)碼模式來確定正在傳輸?shù)挠行?，并幫助接收方確定消息位何時(shí)開始。有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參見圖 1。5

圖1.模式 S 消息的結(jié)構(gòu)。

S模式波形相當(dāng)簡單，但成功接收和解碼傳輸?shù)南⑷匀淮嬖谝恍┨魬?zhàn)。

接收環(huán)境通常包含非常短的消息，其中穿插著較長的空閑時(shí)間，當(dāng)發(fā)射飛機(jī)距離接收器很遠(yuǎn)時(shí)，接收的信號(hào)可能非常微弱。傳統(tǒng)波形也以 1090 MHz 傳輸。接收器需要使用前導(dǎo)碼來識(shí)別擁塞頻帶中的高幅度和低幅度模式S傳輸。

位在1 μs位間隔內(nèi)具有兩種可能的模式之一。邏輯 1 在前 1/2 μs 內(nèi)導(dǎo)通，在第二個(gè) 1/2 μs 內(nèi)關(guān)閉。邏輯 0 在前 1/2 μs 內(nèi)關(guān)閉，在第二個(gè) 1/2 μs 內(nèi)導(dǎo)通。由于位決策是基于基于時(shí)間的模式做出的，因此接收器需要使用前導(dǎo)碼來準(zhǔn)確找到消息位開始的I/Q采樣。

模式 S 消息由 88 個(gè)信息位和 24 個(gè)校驗(yàn)和位組成。接收器需要能夠清除寄存器、做出位決策、計(jì)算校驗(yàn)和并在正確的時(shí)間讀取校驗(yàn)和寄存器。接收器需要定時(shí)控制才能正常工作。

對(duì)于嵌入式設(shè)計(jì)，解碼過程必須逐個(gè)樣本地工作。存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)以進(jìn)行批處理并不是嵌入式系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)接收器設(shè)計(jì)。

AD9361等功能強(qiáng)大的RF前端與MATLAB等技術(shù)計(jì)算語言相結(jié)合，極大地簡化了與檢測(cè)和解碼這些傳輸相關(guān)的問題。MATLAB 和信號(hào)處理工具箱中的函數(shù)可用于識(shí)別同步模式、計(jì)算本底噪聲、做出位決策以及計(jì)算校驗(yàn)和。MATLAB 中的條件和執(zhí)行控制功能簡化了控制邏輯。從二進(jìn)制或文本文件訪問測(cè)試數(shù)據(jù)，或使用AD9361 SDR平臺(tái)直接流式傳輸?shù)組ATLAB都很容易。最后，MATLAB 的解釋性質(zhì)使得與數(shù)據(jù)交互、嘗試不同的方法以及交互式開發(fā)解決方案變得容易。?

在 MATLAB 中對(duì)模式 S 接收器算法進(jìn)行建模和驗(yàn)證

有興趣了解MATLAB源代碼的讀者可以在ADI公司的GitHub存儲(chǔ)庫中找到這些文件。入門級(jí)函數(shù)為 ad9361_ModeS.m，還提供了此函數(shù)調(diào)用的文件。

設(shè)計(jì)接收器算法的第一步是訪問一些源數(shù)據(jù)。由于許多飛機(jī)現(xiàn)在都配備了S模式轉(zhuǎn)發(fā)器，因此可以將接收器調(diào)諧到1090 MHz的廣播頻率并捕獲本地傳輸。在我們的例子中，我們可以使用 Zynq SDR 快速原型制作平臺(tái)。ADI公司提供了一個(gè)MATLAB系統(tǒng)對(duì)象?，能夠通過以太網(wǎng)從FMCOMMS平臺(tái)接收數(shù)據(jù)。6System 對(duì)象允許用戶選擇調(diào)諧頻率和采樣率，使用無線電硬件收集接收樣本，并將接收樣本作為 MATLAB 變量直接引入 MATLAB 工作區(qū)。所需的代碼非常短;幾行代碼用于設(shè)置 MATLAB 系統(tǒng)對(duì)象，幾行代碼用于設(shè)置 FMCOMMS3，以及幾行代碼用于捕獲 I/Q 樣本并將其寫入 MATLAB 變量。代碼示例如圖 2、圖 3 和圖 4 所示。

圖2.用于設(shè)置 MATLAB 系統(tǒng)對(duì)象的示例 MATLAB 代碼。

圖3.用于配置 FMCOMMS3 板的示例 MATLAB 代碼。

圖4.用于捕獲 I/Q 樣本并將其寫入 Rx 變量的示例 MATLAB 代碼。

我們 使用 了一些 基于 這些 命令 的 代碼， 以 12.5 MHz 的 采樣 率 捕獲 多個(gè) 數(shù)據(jù) 集。選擇 12.5 MHz 速率 是為了 提供 足夠 的 樣本， 以 微調(diào) 前導(dǎo) 碼 與 第一 消息 位 的 對(duì)齊 方式， 并 平均 出 用于 做出 位 決策 的 樣本 中 的 一些 噪聲。100萬個(gè)樣品捕獲的結(jié)果如圖5所示。

圖5.在 1090 MHz 下捕獲樣本數(shù)據(jù)。

在這個(gè)簡短的數(shù)據(jù)集中，有14個(gè)信號(hào)在本底噪聲之上脫穎而出。在這 14 個(gè)信號(hào)中，有兩個(gè)是 S 模式消息。其余的都是應(yīng)拒絕的遺留或雜散信號(hào)。放大到樣本編號(hào) 604000 附近的區(qū)域會(huì)顯示一條有效消息（參見圖 6）。

圖6.單模式 S 消息。

在此圖中，可以清楚地看到前導(dǎo)碼，并且由于PPM調(diào)制引起的位轉(zhuǎn)換很明顯。即使有這樣的干凈信號(hào)，通過檢查解碼位也需要良好的視力和很大的耐心。顯然，需要一個(gè)自動(dòng)化程序來解碼這些消息。MATLAB 是開發(fā)該程序的良好解決方案。

可以接收和解碼模式 S 消息的 MATLAB 代碼可以總結(jié)如下：

計(jì)算本底噪聲和前導(dǎo)碼與 filter（） 函數(shù)在短時(shí)間窗口內(nèi)的相關(guān)性。在我們的解決方案中，我們使用 75 個(gè)樣本，相當(dāng)于 6 μs。

當(dāng)前導(dǎo)碼相關(guān)性超過本底噪聲一個(gè)顯著因素時(shí)，啟動(dòng)邏輯以查找第一個(gè)消息位樣本。

這個(gè)閾值的選擇是主觀的。它應(yīng)該足夠小以檢測(cè)微弱信號(hào)，但又足夠大以防止大量誤報(bào)。我們選擇比本底噪聲高 10× 的值作為捕獲大多數(shù)可解碼消息的合理閾值。

前導(dǎo)碼模式產(chǎn)生多個(gè)峰值。由于最佳匹配在前6 μs，因此存儲(chǔ)第一個(gè)峰值，開始搜索第一個(gè)消息位，并查看在接下來的3 μs中是否出現(xiàn)另一個(gè)更大的峰值。如果確實(shí)發(fā)生，請(qǐng)存儲(chǔ)新的峰值并重置搜索第一個(gè)消息位的開頭。

當(dāng)出現(xiàn)最大峰值時(shí)，2 μs后開始消息位解碼。

圖7以綠色顯示本底噪聲，以及將理想前導(dǎo)碼與輸入數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的結(jié)果。本底噪聲上方有幾個(gè)峰值，但感興趣的峰值是幅度最大的峰值。第一個(gè)消息位的采樣發(fā)生在該峰值后2 μs。

圖7.計(jì)算本底噪聲和前導(dǎo)碼相關(guān)性。

對(duì)于每個(gè)單獨(dú)的位，對(duì)前 1/2 μs 和第二個(gè) 1/2 μs 的樣本幅度求和。無論總和較大，確定位是邏輯 1 還是邏輯 0。

在做出位決策時(shí)計(jì)算校驗(yàn)和。這需要一些控制邏輯，用于在第一個(gè)位到達(dá)時(shí)重置CRC寄存器，計(jì)算88位的校驗(yàn)和，然后清空最后24位的CRC寄存器。當(dāng)接收位與校驗(yàn)和匹配時(shí)，ADS-B 消息有效。

根據(jù)模式 S 標(biāo)準(zhǔn)解析消息位（參見圖 8）。

圖8.解碼模式 S 消息。

上圖來自 MATLAB 命令窗口，顯示了從 100 萬個(gè)樣本數(shù)據(jù)集中成功解碼的兩條消息。將顯示構(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)果顯示飛機(jī) ID、消息類型以及飛機(jī)速度、高度和位置。

MATLAB 提供了一種強(qiáng)大的數(shù)學(xué)和信號(hào)處理語言，可以相對(duì)輕松地解決這個(gè)問題。處理數(shù)據(jù)樣本并最終解碼消息所需的 MATLAB 代碼很短，只有 200 行 MATLAB 代碼。此外，MATLAB 的解釋性使得以交互方式嘗試設(shè)計(jì)理念并快速確定可行的解決方案變得容易。在各種數(shù)據(jù)集上測(cè)試了幾種時(shí)序機(jī)制、閾值和噪聲水平，以產(chǎn)生令人滿意的程序。

該 MATLAB 代碼已在當(dāng)?shù)乜沼蝻w行的飛機(jī)信號(hào)上進(jìn)行了測(cè)試，并且已根據(jù) airframes.org 和 flightaware.com 等來源對(duì)解碼消息進(jìn)行了檢查。硬件和代碼性能非常好;我們已經(jīng)能夠解碼50英里外飛機(jī)的傳輸。

實(shí)施途徑

MATLAB 是在 PC 上測(cè)試設(shè)計(jì)理念和運(yùn)行算法的絕佳環(huán)境，但如果最終目標(biāo)是生成要在嵌入式平臺(tái)上使用的軟件或 HDL，尤其是像 Zynq SoC 這樣的平臺(tái)，那么 Simulink 是一個(gè)很好的解決方案。Simulink 非常適合對(duì)針對(duì)可編程器件所需的硬件特定細(xì)節(jié)進(jìn)行建模。一個(gè)好的工作流程是使用 MATLAB 開發(fā)和驗(yàn)證算法，然后將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為 Simulink，并繼續(xù)沿著開發(fā)路徑進(jìn)行最終的硬件實(shí)現(xiàn)。

幸運(yùn)的是，該算法的 MATLAB 代碼逐個(gè)樣本處理數(shù)據(jù)，因此轉(zhuǎn)換為 Simulink 相當(dāng)簡單。與 200 行 MATLAB 代碼相比，Simulink 模型易于顯示和描述（參見圖 9）。

圖9.模式S檢測(cè)與譯碼算法的模擬模型.

在圖9中，您可以看到解碼的第一步是計(jì)算本底噪聲以及與前導(dǎo)碼的相關(guān)性。數(shù)字濾波器塊用于這些計(jì)算。時(shí)序控制塊是使用 Stateflow 實(shí)現(xiàn)的，Stateflow 是一種狀態(tài)機(jī)工具，用于為解碼算法的其余部分生成定時(shí)、復(fù)位和控制信號(hào)。狀態(tài)流對(duì)于要將控制邏輯與數(shù)據(jù)流分離的模型非常有用。激活時(shí)序和觸發(fā)器后，名為 BitProcess 的塊獲取輸入 I/Q 樣本并計(jì)算數(shù)據(jù)位，CRC_Check塊計(jì)算校驗(yàn)和。消息解析仍然在由此 Simulink 模型驅(qū)動(dòng)的 MATLAB 腳本中進(jìn)行。?

深入了解該模型，您可以看到使 Simulink 適合嵌入式開發(fā)的一些功能，尤其是將設(shè)計(jì)劃分為面向 Zynq SoC 的功能以及生成 HDL 代碼和 C 代碼。

Simulink 具有出色的定點(diǎn)支持，因此您可以構(gòu)建和測(cè)試設(shè)計(jì)的位真版本。各個(gè)塊允許您為模型中的數(shù)學(xué)運(yùn)算設(shè)置字長和小數(shù)長度。用于計(jì)算前導(dǎo)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）。您可以設(shè)置計(jì)算的舍入模式和溢出行為（地板和環(huán)繞是在 HDL 中完成數(shù)學(xué)運(yùn)算的最簡單選擇）。此外，您可以為產(chǎn)品指定不同的字長和分?jǐn)?shù)精度，并為濾波器指定累加器操作（圖 11）。您可以使用映射到接收器 ADC 的字長選擇，并利用硬件乘法器，例如 Zynq SoC DSP48 片中的 18 位× 25 位乘法器。

圖 10.用于前導(dǎo)碼相關(guān)的 Simulink 數(shù)字濾波器塊，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)通常具有許多操作模式和有條件執(zhí)行的算法。Stateflow特別擅長管理這些控制信號(hào)。狀態(tài)流為您提供了檢測(cè)和解碼模式 S 消息所需的控制邏輯的可視化表示形式。在下面的圖 12 中，您可以看到邏輯中的狀態(tài)為：

同步搜索：在捕獲的樣本中查找前導(dǎo)碼

WaitForT0：查找第一個(gè)消息位的開頭

位進(jìn)程：啟用位處理

EmptyReg：清空校驗(yàn)和寄存器，并將位與位處理的輸出進(jìn)行比較

隨著檢測(cè)和解碼算法在不同狀態(tài)中的進(jìn)展，Stateflow 模塊生成啟用位處理的信號(hào)，重置位決策計(jì)數(shù)器和校驗(yàn)和寄存器，并在模式 S 消息末尾讀出校驗(yàn)和位。

圖 12.用于解碼模式 S 消息的狀態(tài)流程圖。

Simulink 模塊庫為工程師提供了在非常高的水平或非常精細(xì)的細(xì)節(jié)水平下工作的選擇。Simulink 具有數(shù)字濾波器、FFT 和數(shù)控振蕩器等高級(jí)模塊，可輕松構(gòu)建信號(hào)處理設(shè)計(jì)。如果需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行更精確的控制，可能是為了速度或面積優(yōu)化，工程師可以使用低級(jí)模塊，如單元延遲、邏輯運(yùn)算符（例如 XOR）和開關(guān)。該模型中的 24 位校驗(yàn)和是使用這些低電平塊構(gòu)建的反饋移位寄存器（圖 13）。

圖 13.用于模式 S 校驗(yàn)和計(jì)算的反饋移位寄存器。

此 Simulink 模型是 MATLAB 算法的硬件特定版本，用于檢測(cè)和解碼模式 S 消息。Simulink 是一種有用的工具，用于彌合用 MATLAB 編寫的行為算法與嵌入式硬件實(shí)現(xiàn)代碼之間的差距。您可以將特定于硬件的詳細(xì)說明引入 Simulink 模型，運(yùn)行模型，并驗(yàn)證您所做的更改不會(huì)破壞解碼算法。

結(jié)論

Zynq SDR 快速原型制作平臺(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法，可以快速為無線接收器設(shè)計(jì)理念進(jìn)行原型設(shè)計(jì)。捷變寬帶RF收發(fā)器AD9361/AD9364提供的高度可編程性和性能以及硬件與MATLAB環(huán)境之間的簡單連接，使工程師可以使用各種有趣的無線信號(hào)。使用 MATLAB 的工程師可以快速嘗試多種設(shè)計(jì)理念，并最終確定出有前途的解決方案。如果設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是嵌入式處理器，那么 Simulink 就是工程師可以使用的工具，通過硬件特定的想法來完善設(shè)計(jì)，并最終生成用于對(duì)處理器進(jìn)行編程的代碼。此工作流程減少了設(shè)計(jì)無線接收器所需的技能數(shù)量，并縮短了從概念到工作原型的開發(fā)周期。

審核編輯：郭婷