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簡介
在MATLAB或Simulink?中實現(xiàn)信號處理算法之后，合乎邏輯的下一步是利用從實際要使用的SDR硬件平臺獲得的真實數(shù)據(jù)驗證算法的功能。首先是利用從系統(tǒng)獲得的不同輸入數(shù)據(jù)集來驗證算法。這樣做有助于驗證算法的功能，但不能保證算法在其它環(huán)境條件下也能像預期那樣工作，也不能確定對于SDR系統(tǒng)模擬前端和數(shù)字模塊的不同設(shè)置，算法的行為和性能會如何。為了驗證所有這些方面，如果能讓算法在線運行以接收實時數(shù)據(jù)作為輸入，并且調(diào)整SDR系統(tǒng)設(shè)置以實現(xiàn)最佳性能，將是非常有好處的。本系列文章的這一部分討論ADI公司提供的軟件工具，其支持MATLAB和Simulink模型與FMCOMMSx SDR平臺直接互動；此外還會說明如何利用這些工具驗證第二部分所述的ADS-B模型。
MATLAB和Simulink IIO系統(tǒng)對象
ADI公司提供了完整的軟件基礎(chǔ)設(shè)施來支持MATLAB和Simulink模型與FMCOMMSx SDR平臺（其連接到運行Linux的FPGA/SoC系統(tǒng)）實時互動。這之所以可能，有賴于IIO System Object?3（系統(tǒng)對象），它設(shè)計用于通過TCP/IP與硬件系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，從而發(fā)送（接收）數(shù)據(jù)至（自）目標，控制目標的設(shè)置，并監(jiān)測RSSI等不同目標參數(shù)。圖1顯示了該軟件基礎(chǔ)設(shè)施的基本架構(gòu)以及系統(tǒng)組件之間的數(shù)據(jù)流。
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圖1. 軟件基礎(chǔ)設(shè)施框圖
IIO系統(tǒng)對象基于MathWorks系統(tǒng)對象規(guī)范4，其公開了數(shù)據(jù)和控制接口，MATLAB/Simulink模型通過這些接口與基于IIO的系統(tǒng)通信。這些接口在一個配置文件中指定，配件文件將系統(tǒng)對象接口鏈接到IIO數(shù)據(jù)通道或IIO屬性。這樣便可實現(xiàn)通用型IIO系統(tǒng)對象，只需修改配置文件，它便能配合任何IIO平臺工作。ADI GitHub庫5提供了一些平臺的配置文件和示例，包括AD-FMCOMMS2-EBZ/AD-FMCOMMS3-EBZ/AD-FMCOMMS4- EBZ/AD-FMCOMMS5-EBZ SDR板和高速數(shù)據(jù)采集板AD-FMCDAQ2-EBZ。IIO系統(tǒng)對象與目標之間的通信是通過libiio服務(wù)器/客戶端基礎(chǔ)設(shè)施來完成。服務(wù)器運行于Linux下的嵌入式目標上，管理目標與本地/遠程客戶端之間的實時數(shù)據(jù)交換。libiio庫是硬件低層細節(jié)的抽象，提供了簡單但完整的編程接口，可用于綁定各種語言（C、C++、C#、Python）的高級項目。
本文接下來將通過一些實際例子說明如何利用IIO系統(tǒng)對象來驗證ADS-B MATLAB和Simulink模型。一個連接到ZedBoard7且運行Analog Devices Linux發(fā)行版的AD-FMCOMMS3-EBZ SDR平臺6用作SDR硬件平臺，以驗證ADS-B信號檢測與解碼算法是否正常工作，如圖2所示。
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圖2. ADS-B算法驗證的硬件設(shè)置
利用IIO系統(tǒng)對象驗證MATLAB ADS-B算法
為了利用從AD-FMCOMMS3-EBZ SDR平臺獲得的實時數(shù)據(jù)驗證MATLAB ADS-B解碼算法，開發(fā)了一個MATLAB腳本來執(zhí)行如下操作：
根據(jù)用戶輸入計算地球帶
創(chuàng)建并配置IIO系統(tǒng)對象
通過IIO系統(tǒng)對象配置AD-FMCOMMS3-EBZ模擬前端和數(shù)字模塊
利用IIO系統(tǒng)對象從SDR平臺接收數(shù)據(jù)幀
檢測并解碼ADS-B數(shù)據(jù)
顯示解碼的ADS-B信息
構(gòu)建IIO系統(tǒng)對象之后，必須利用SDR系統(tǒng)的IP地址、目標設(shè)備名稱、輸入/輸出通道的大小和數(shù)目對其進行配置。圖3給出了一個創(chuàng)建并配置MATLAB IIO系統(tǒng)對象的例子。
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圖3. MATLAB IIO系統(tǒng)對象的創(chuàng)建和配置
然后，利用IIO系統(tǒng)對象設(shè)置AD9361屬性并接收ADS-B信號。AD9361屬性基于以下考量而設(shè)置：
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圖4. MATLAB libiio設(shè)置AD9361屬性
利用基于AD9361的平臺，采樣速率相當容易確定。發(fā)送數(shù)據(jù)速率一般等于接收數(shù)據(jù)速率，最終取決于基帶算法。本例中，解碼算法是針對12.5 MSPS的采樣速率而設(shè)計，AD9361采樣速率據(jù)此設(shè)置。這樣，接收到的樣本便可直接應(yīng)用于解碼算法，無需其它抽取或插值操作。
RF帶寬控制設(shè)置AD9361 RX模擬基帶低通濾波器的帶寬，以提供抗混疊和帶外信號抑制。為了成功解調(diào)收到的信號，系統(tǒng)必須最大程度地提高信噪比 (SNR)。因此，在滿足平坦度和帶外抑制要求的同時，RF帶寬必須設(shè)置得盡可能窄，以使帶內(nèi)噪聲和雜散信號電平最小。如果RF帶寬設(shè)置得較寬，ADC線性動態(tài)范圍就會因為額外的噪聲而縮小。同樣，ADC無雜散動態(tài)范圍也會因為較低的帶外信號抑制而縮小，導致接收器的整體動態(tài)范圍縮小。因此，將RF帶寬設(shè)置為最優(yōu)值對于接收所需的帶內(nèi)信號并抑制帶外信號非常重要。通過觀察接收信號的頻譜，我們發(fā)現(xiàn)4 MHz是一個合適的RF帶寬值。
除了通過RF帶寬屬性設(shè)置AD9361的模擬濾波器之外，我們還可以通過IIO系統(tǒng)對象使能AD9361的數(shù)字FIR濾波器以改善解碼性能，如圖5所示。根據(jù)ADS-B信號的頻譜特性，我們設(shè)計一個數(shù)據(jù)速率為12.5 MSPS、通帶頻率為3.25 MHz、阻帶頻率為4 MHz的FIR濾波器。這樣，我們就能進一步聚焦于目標帶寬。
圖5. 通過libiio使能AD9361的適當FIR濾波器
Adsb.ftr文件包含F(xiàn)IR濾波器的系數(shù)，該FIR濾波器利用ADI公司AD9361濾波器向?qū)ATLAB應(yīng)用程序設(shè)計8。此工具不僅能完成通用低通濾波器設(shè)計，還能為信號路徑中的其它級提供幅度和相位均衡。
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圖6. 利用MATLAB AD9361濾波器向?qū)гO(shè)計的用于ADS-B信號的FIR濾波器
多功能且高度可配置的AD9361收發(fā)器具有多種增益控制模式，適合很多不同的應(yīng)用。IIO系統(tǒng)對象的Gain Mode（增益模式）參數(shù)選擇可用模式之一：manual、slow_attack、hybrid和fast_attack。最常用的模式是manual、slow_attack和fast_attack。Manual增益控制模式允許基帶處理器 (BBP) 控制增益。Slow_attack模式主要用于慢速變化的信號，fast_attack模式主要用于"突發(fā)"開啟和關(guān)閉的波形。增益模式在很大程度上取決于接收信號的強度。如果信號太強或太弱，建議使用manual或slow_attack模式。否則，fast_attack是不錯的選擇。ADS-B信號具有突發(fā)性，因此fast_ attack增益模式可實現(xiàn)最佳效果。這種波形要求使用fast_attack模式，因為其存在前同步碼，并且AGC需要以足夠快的速度響應(yīng)以便捕捉第一位。沒有信號時，啟動時間（增益斜坡下降所需的時間）與衰減時間（提高增益所需的時間）存在差異。目標是快速調(diào)低增益，以便能在第一位看到一個有效的1，但不提高位時間之間的增益。
最后，根據(jù)您對TX_LO_FREQ和RX_LO_FREQ的設(shè)置，該模型有兩種使用方式：使用預先捕捉的數(shù)據(jù)（RF回送）和使用從空中獲得的實時數(shù)據(jù)。
預先捕捉數(shù)據(jù)
這種情況下，我們利用AD-FMCOMMS3-EBZ發(fā)送和接收預先捕捉到的一些ADS-B信號。這些信號保存在一個名為"newModeS"的變量中。
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圖7. 利用預先捕捉的ADS-B信號定義輸入
這種情況要求TX_LO_FREQ = RX_LO_FREQ，它可以是AD-FMCOMMS3-EBZ支持的任意LO頻率值。預先捕捉的數(shù)據(jù)中有大量ADS-B有效數(shù)據(jù)，因此，這是驗證硬件設(shè)置是否合適的好方法。
實時數(shù)據(jù)
這種情況下，我們接收空中的實時ADS-B信號，而不是AD-FMCOMMS3-EBZ發(fā)送的信號。根據(jù)ADS-B規(guī)范，它以1090 MHz的中心頻率發(fā)送，因此，這種情況的要求是：
RX_LO_FREQ=1090 MHz，TX_LO_FREQ遠離1090 MHz，以免產(chǎn)生干擾。
在接收側(cè)使用一根適當?shù)?a target="_blank">天線，它能覆蓋1090 MHz頻段，例如ADS-B雙半波移動天線9；使用調(diào)諧不佳或制作不良的天線會導致空中雷達探測距離不夠。
一切設(shè)置妥當之后，使用如下命令便可運行MATLAB模型：
[rssi1,rssi2]=ad9361_ModeS('ip','data source',channel);
其中，ip為FPGA板的IP地址，data source指定接收信號的數(shù)據(jù)源。目前，該模型支持"預先捕捉"的數(shù)據(jù)源和"實時"數(shù)據(jù)源。 Channel指定信號是利用AD-FMCOMMS3-EBZ的通道1還是通道2進行接收。
例如，發(fā)出以下命令時，系統(tǒng)將通過通道2接收預先捕捉的數(shù)據(jù)：
[rssi1,rssi2]=ad9361_ModeS('192.168.10.2','pre-captured',2);
在仿真結(jié)束時，您會得到兩個通道的RSSI值以及下表所示的結(jié)果：
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圖8. 仿真結(jié)束時顯示的結(jié)果表格
此結(jié)果表格顯示了仿真期間出現(xiàn)的航空器信息。借助適當?shù)奶炀€，此模型利用AD-FMCOMMS3-EBZ能夠捕捉并解碼80英里范圍內(nèi)的航空器信號。S模式消息有兩類（56 μs和112 μs），因此，某些消息包含的信息比其它消息要多。
利用實際ADS-B信號測試此模型時，解碼能否成功，信號強度非常重要，務(wù)必把天線放在對準航空器的良好位置上。接收信號強度可通過查看兩個通道的RSSI值來了解。例如，若通過通道2接收信號，通道2的RSSI應(yīng)顯著高于通道1的RSSI。通過查看頻譜分析儀，可以判斷是否存在有用數(shù)據(jù)。
RF信號質(zhì)量
任何RF信號都需要一個質(zhì)量指標。例如，對于QPSK等信號，我們有誤差矢量幅度 (EVM)。對于ADS-B信號，查看分隔器輸出還不足以獲得正確消息，如圖8所示。我們需要一個指標來定義ADS-B/脈沖位置調(diào)制的質(zhì)量，以便判斷哪種設(shè)置更好。
ModeS_BitDecode4.m函數(shù)中有一個變量diffVals，它就可以用作這樣的指標。此變量是一個112 × 1矢量。對于一條S模式消息中的每個解碼位，它都會顯示該位距離閾值有多遠。也就是說，每個解碼位相對于正確判斷有多少裕量。顯而易見，一個位的裕量越大，解碼結(jié)果的置信度就越高。另一方面，若裕量很小，則意味著判斷處于邊緣區(qū)，解碼位很有可能是錯誤的。
下面兩幅圖比較了有和沒有FIR濾波器兩種情況下從ADS-B接收器獲得的diffVals值。注意y軸，我們發(fā)現(xiàn)，使用FIR濾波器時，無論處于最高點、最低點還是平均值，diffVals都較大。然而，當沒有FIR濾波器時，幾個位的diffVals都非常接近0，意味著解碼結(jié)果可能不正確。因此，我們可以得出結(jié)論，使用適當?shù)腇IR濾波器可改善解碼的信號質(zhì)量。
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圖9. 使用FIR濾波器時從ADS-B接收器獲得的diffVals值
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圖10. 無FIR濾波器時從ADS-B接收器獲得的diffVals值
采用IIO系統(tǒng)對象的MATLAB ADS-B算法可從ADI GitHub庫下載10。
利用IIO系統(tǒng)對象驗證Simulink ADS-B算法
Simulink模型基于本系列文章第二部分介紹的模型2。解碼器和解碼模塊直接來自該模型，我們增加了Simulink IIO系統(tǒng)對象以開展信號接收和硬件在環(huán)仿真。
原始模型以采樣時間 = 1且?guī)笮?= 1的設(shè)置工作。然而，Simulink IIO系統(tǒng)對象以緩沖模式工作，它會積累若干樣本，然后進行處理。為了讓原始模型配合系統(tǒng)對象工作，我們在其間增加了兩個模塊：解除緩沖以使幀大小 = 1，轉(zhuǎn)換速率以使采樣時間 = 1。這樣，原始模型便可保持不變。
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圖11. Simulink模型捕捉和解碼ADS-B信號
Simulink IIO系統(tǒng)對象設(shè)置如下。與MATLAB實例相同，它創(chuàng)建一個系統(tǒng)對象，然后定義與此系統(tǒng)對象相關(guān)的IP地址、設(shè)備名稱、輸入/輸出通道數(shù)目和大小。
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圖12. Simulink IIO系統(tǒng)對象
與IIO系統(tǒng)對象相對應(yīng)，此Simulink模塊的輸入輸出端口通過對象模塊的屬性對話框以及目標ADI SDR平臺特定的配置文件來定義。輸入和輸出端口按數(shù)據(jù)和控制端口分類。數(shù)據(jù)端口以幀處理模式發(fā)送（接收）連續(xù)數(shù)據(jù)緩沖至（自）目標系統(tǒng)，而控制端口則用于配置和監(jiān)控不同的目標系統(tǒng)參數(shù)。數(shù)據(jù)端口的數(shù)目和大小通過該模塊的配置對話框進行配置，而控制端口則在配置文件中定義。AD9361屬性設(shè)置所依據(jù)的因素與MATLAB模型所述相同。MATLAB模型運用的所有理論和方法在這里都適用。
根據(jù)您對TX_LO_FREQ和RX_LO_FREQ的設(shè)置，Simulink模型有兩種運行模式：使用預先捕捉的數(shù)據(jù)"DataIn"和使用實時數(shù)據(jù)。以預先捕捉的數(shù)據(jù)為例，在仿真結(jié)束時，我們可以在命令窗口中看到如下結(jié)果：
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圖13. 使用預先捕捉數(shù)據(jù)的仿真結(jié)束時在命令窗口中顯示的結(jié)果
這里的結(jié)果以文本格式顯示，而不像在MATLAB模型中以表格形式顯示。
采用IIO系統(tǒng)對象的Simulink ADS-B模型可從ADI GitHub庫下載11。11
結(jié)論
本文討論了利用ADI公司提供的libiio基礎(chǔ)設(shè)施進行的硬件在環(huán)仿真。采用這種基礎(chǔ)設(shè)施，便可利用實際信號和硬件驗證MATLAB和Simulink ADS-B信號檢測與解碼算法。屬性設(shè)置高度依賴于應(yīng)用和波形，適合一個波形的設(shè)置并不一定適合另一個波形。這是關(guān)鍵的一步，可確保SDR系統(tǒng)的模擬前端和數(shù)字模塊針對目標算法和波形調(diào)諧妥當，并且算法足夠魯棒，對于不同環(huán)境條件下獲得的實際數(shù)據(jù)，它都能像預期的那樣處理。有了經(jīng)過驗證的算法之后，便可開始下一步，即利用MathWorks代碼自動生成工具將算法轉(zhuǎn)換為HDL和C代碼，并將此代碼集成到實際SDR系統(tǒng)的可編程邏輯和軟件當中。本系列文章的下一部分將說明如何生成代碼并將其部署到生產(chǎn)硬件中，還會談?wù)勗撈脚_在機場利用實際ADS-B信號運行所獲得的結(jié)果。這樣便介紹完了SDR系統(tǒng)從原型開發(fā)到生產(chǎn)的所有步驟。
參考文獻
1Andrei Cozma、Di Pu和Tom Hill。"快速通往量產(chǎn)的四個步驟：利用基于模型的設(shè)計開發(fā)軟件定義無線電—第一部分"。模擬對話，第49卷第3期，2015年。
2Mike Donovan、Andrei Cozma和Di Pu。"快速通往量 產(chǎn)的四個步驟：利用基于模型的設(shè)計開發(fā)軟件定義無線電—第二部分"?模擬對話，第49卷第3期，2015年。
3ADI公司。"IIO系統(tǒng)對象"。
4MathWorks。"什么是系統(tǒng)對象？"
5ADI公司，"Mathworks_tools"。GitHub庫
6ADI公司。AD-FMCOMMS3-EBZ用戶指南。
7ZedBoard。
8ADI公司。MATLAB AD9361濾波器設(shè)計向?qū)А?/p>
9。
10采用IIO系統(tǒng)對象源代碼的MATLAB ADS-B算法。
11采用IIO系統(tǒng)對象源代碼的Simulink ADS-B模型。
作者
Di Pu [di.pu@analog.com]是ADI公司系統(tǒng)建模應(yīng)用工程師，負責支持軟件定義無線電平臺和系統(tǒng)的設(shè)計與開發(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 (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。
Andrei Cozma[andrei.cozma@analog.com]是ADI公司工程設(shè)計經(jīng)理，負責支持系統(tǒng)級參考設(shè)計的設(shè)計與開發(fā)。他擁有工業(yè)自動化與信息技術(shù)學士學位及電子與電信博士學位。他參與過電機控制、工業(yè)自動化、軟件定義無線電和電信等不同行業(yè)領(lǐng)域的項目設(shè)計與開發(fā)。
工商網(wǎng)監(jiān)
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