使用硬件在環(huán)進(jìn)行模式S信號(hào)解碼算法驗(yàn)證

作者：Di Pu and Andrei Cozma

在 MATLAB 或 Simulink 中實(shí)現(xiàn)任何信號(hào)處理算法后，下一個(gè)自然步驟是使用從將要運(yùn)行的實(shí)際 SDR 硬件系統(tǒng)獲取的真實(shí)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證算法的功能。作為第一步，使用從系統(tǒng)捕獲的不同輸入數(shù)據(jù)集完成算法的驗(yàn)證。這有助于驗(yàn)證算法的功能，但不能保證算法在用于進(jìn)行數(shù)據(jù)捕獲的環(huán)境條件以外的環(huán)境條件下按預(yù)期執(zhí)行，也不能保證SDR系統(tǒng)的模擬前端和數(shù)字模塊的不同設(shè)置的行為和性能。為了驗(yàn)證所有這些方面，如果算法可以在線運(yùn)行以接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)作為輸入并調(diào)整SDR系統(tǒng)的設(shè)置以獲得最佳性能，則非常有益。本系列文章的這一部分討論了ADI公司提供的軟件工具，這些工具允許MATLAB和Simulink模型與FMCOMMSx SDR平臺(tái)進(jìn)行直接交互，并展示了如何使用這些工具驗(yàn)證本系列文章第2部分中介紹的ADS-B模型。

MATLAB 和 Simulink IIO 系統(tǒng)對(duì)象

ADI公司提供完整的軟件基礎(chǔ)設(shè)施，使MATLAB和Simulink模型能夠與連接到運(yùn)行Linux的FPGA/SoC系統(tǒng)的FMCOMMSx SDR平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。這是可能的，因?yàn)镮IO系統(tǒng)對(duì)象?3旨在通過 TCP/IP 與硬件系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，以便將數(shù)據(jù)流式傳輸?shù)侥繕?biāo)和從目標(biāo)流式傳輸數(shù)據(jù)、控制目標(biāo)的設(shè)置并監(jiān)視不同的目標(biāo)參數(shù)（如 RSSI）。圖 1 顯示了軟件基礎(chǔ)架構(gòu)的高級(jí)架構(gòu)以及系統(tǒng)中組件之間的數(shù)據(jù)流。

圖1.軟件基礎(chǔ)設(shè)施框圖。

IIO 系統(tǒng)對(duì)象基于 MathWorks 系統(tǒng)對(duì)象規(guī)范4并公開數(shù)據(jù)和控制接口，MATLAB/Simulink 模型通過這些接口與基于 IIO 的平臺(tái)進(jìn)行通信。這些接口在配置文件中指定，該文件將系統(tǒng)對(duì)象接口鏈接到 IIO 數(shù)據(jù)通道或 IIO 屬性。這使得IIO系統(tǒng)對(duì)象的實(shí)現(xiàn)具有通用性，允許它僅通過修改配置文件即可與任何IIO平臺(tái)一起使用。ADI GitHub 存儲(chǔ)庫中提供了配置文件和示例的一些平臺(tái)5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AD-FMCDAQ2-EBZ板。IIO系統(tǒng)對(duì)象和目標(biāo)之間的通信是通過libiio服務(wù)器/客戶端基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)完成的。服務(wù)器在 Linux 下的嵌入式目標(biāo)上運(yùn)行，并管理目標(biāo)與本地和遠(yuǎn)程客戶端之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。libiio庫抽象了硬件的低級(jí)細(xì)節(jié)，并提供了一個(gè)簡(jiǎn)單而完整的編程接口，可用于具有各種語言綁定（C，C++，C#，Python）的高級(jí)項(xiàng)目。

本文的下一部分提供了有關(guān)如何使用 IIO 系統(tǒng)對(duì)象驗(yàn)證 ADS-B MATLAB 和 Simulink 模型的真實(shí)示例。AD-FMCOMMS3-EBZ SDR平臺(tái)6連接到 ZedBoard7運(yùn)行ADI公司的Linux發(fā)行版用作SDR硬件系統(tǒng)，用于驗(yàn)證ADS-B信號(hào)檢測(cè)和解碼算法的操作，如圖2所示。

圖2.用于 ADS-B 算法驗(yàn)證的硬件設(shè)置。

使用 IIO 系統(tǒng)對(duì)象進(jìn)行 MATLAB ADS-B 算法驗(yàn)證

為了利用從AD-FMCOMMS3-EBZ SDR平臺(tái)獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驗(yàn)證MATLAB ADS-B解碼算法操作，我們開發(fā)了一個(gè)MATLAB腳本來執(zhí)行以下操作：

根據(jù)用戶輸入計(jì)算地球區(qū)域

創(chuàng)建和配置 IIO 系統(tǒng)對(duì)象

通過IIO系統(tǒng)對(duì)象配置AD-FMCOMMS3-EBZ模擬前端和數(shù)字模塊

使用 IIO 系統(tǒng)對(duì)象從 SDR 平臺(tái)接收數(shù)據(jù)幀

檢測(cè)和解碼 ADS-B 數(shù)據(jù)

顯示解碼的 ADS-B 信息

構(gòu)造 IIO 系統(tǒng)對(duì)象后，必須使用 SDR 系統(tǒng)的 IP 地址、目標(biāo)設(shè)備名稱以及輸入/輸出通道大小和編號(hào)對(duì)其進(jìn)行配置。圖 3 提供了有關(guān)如何創(chuàng)建和配置 MATLAB IIO 系統(tǒng)對(duì)象的示例。

圖3.MATLAB IIO 系統(tǒng)對(duì)象創(chuàng)建和配置。

然后使用IIO系統(tǒng)對(duì)象設(shè)置AD9361的屬性并接收ADS-B信號(hào)。AD9361的屬性基于以下考慮因素進(jìn)行設(shè)置：

圖4.MATLAB libiio設(shè)置AD9361的屬性。

基于AD9361的平臺(tái)的采樣速率非常簡(jiǎn)單。發(fā)射數(shù)據(jù)速率通常等于RX數(shù)據(jù)速率，最終取決于基帶算法。在本例中，由于解碼算法設(shè)計(jì)為12.5 MSPS采樣速率，因此AD9361的數(shù)據(jù)速率設(shè)置得相應(yīng)。通過這樣做，接收到的樣本可以直接應(yīng)用于解碼算法，而無需任何額外的抽取或插入操作。

RF帶寬控制設(shè)置AD9361的RX模擬基帶低通濾波器的帶寬，以提供抗混疊和帶外信號(hào)抑制。為了成功解調(diào)接收到的信號(hào)，系統(tǒng)必須最大化信噪比（SNR）。為此，需要將RF帶寬設(shè)置得盡可能窄，同時(shí)滿足平坦度和帶外抑制規(guī)格，以最大限度地降低帶內(nèi)噪聲和雜散信號(hào)電平。如果RF帶寬設(shè)置得比需要的寬，ADC的線性動(dòng)態(tài)范圍將因額外的噪聲而減小。同樣，ADC的無雜散動(dòng)態(tài)范圍也會(huì)減小，因?yàn)閹庑盘?hào)抑制較低，導(dǎo)致接收器整體動(dòng)態(tài)范圍減小。因此，將RF帶寬設(shè)置為最佳值對(duì)于接收所需的帶內(nèi)信號(hào)和抑制帶外信號(hào)至關(guān)重要。通過觀察接收信號(hào)的頻譜，我們發(fā)現(xiàn)4 MHz是RF帶寬的合適值。

除了通過RF帶寬屬性設(shè)置AD9361的模擬濾波器外，我們還可以通過IIO系統(tǒng)對(duì)象在AD9361上啟用數(shù)字FIR濾波器來提高解碼性能，如圖5所示。根據(jù)ADS-B信號(hào)的頻譜特性，設(shè)計(jì)了一種數(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，我們可以進(jìn)一步關(guān)注感興趣的帶寬。

圖5.通過 libiio 在 AD9361 上啟用正確的 FIR 濾波器。

Adsb.ftr是一個(gè)包含使用ADI公司AD9361濾波器向?qū)ATLAB應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的FIR濾波器系數(shù)的文件。8該工具不僅提供通用低通濾波器設(shè)計(jì)，還為信號(hào)路徑中的其他級(jí)提供幅度和相位均衡。

圖6.使用 MATLAB AD9361 濾波器向?qū)?ADS-B 信號(hào)設(shè)計(jì)的 FIR 濾波器。

多功能、高度可配置的AD9361收發(fā)器具有多種增益控制模式，可用于各種應(yīng)用。IIO 系統(tǒng)對(duì)象的增益模式參數(shù)選擇一種可用模式：手動(dòng)、slow_attack、混合和fast_attack。最常用的模式是手動(dòng)、slow_attack和fast_attack。手動(dòng)增益控制模式允許基帶處理器（BBP）控制增益。Slow_attack模式用于緩慢變化的信號(hào)，而fast_attack模式用于“突發(fā)”打開和關(guān)閉的波形。增益模式在很大程度上取決于接收信號(hào)的強(qiáng)度。如果信號(hào)太強(qiáng)或太弱，建議使用手動(dòng)模式或slow_attack。否則，fast_attack是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。在ADS-B的情況下，由于這些信號(hào)的突發(fā)性質(zhì)，fast_attack增益模式可提供最佳結(jié)果。Fast_attack模式是該波形的要求，因?yàn)榇嬖谇皩?dǎo)碼，并且AGC需要足夠快的反應(yīng)，以便捕獲第一個(gè)比特。在沒有信號(hào)的情況下，攻擊時(shí)間（降低增益所需的時(shí)間）和衰減時(shí)間（增加增益所需的時(shí)間）之間存在差異。目標(biāo)是快速調(diào)低增益，以便在第一個(gè)位上可以看到有效的“1”，但不增加位之間的增益。

最后，根據(jù)您設(shè)置TX_LO_FREQ和RX_LO_FREQ的方式，有兩種使用此模型的方法：使用預(yù)先捕獲的數(shù)據(jù)（RF 環(huán)回）和使用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

預(yù)捕獲的數(shù)據(jù)

在這種情況下，我們正在使用 AD-FMCOMMS3-EBZ 發(fā)送和接收一些預(yù)先捕獲的 ADS-B 信號(hào)。這些信號(hào)保存在一個(gè)名為“newModeS”的變量中。

圖7.使用預(yù)先捕獲的 ADS-B 信號(hào)定義輸入。

這種情況的要求是使TX_LO_FREQ = RX_LO_FREQ，它可以是AD-FMCOMMS3-EBZ支持的任何LO頻率值。由于預(yù)捕獲數(shù)據(jù)的性質(zhì)，其中有大量 ADS-B 有效數(shù)據(jù)，因此這是驗(yàn)證硬件設(shè)置是否合適的好方法。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

在這種情況下，我們通過空中接收實(shí)時(shí)ADS-B信號(hào)，而不是AD-FMCOMMS3-EBZ傳輸?shù)男盘?hào).根據(jù)ADS-B規(guī)范，它是在1090 MHz的中心頻率下傳輸?shù)?，因此這種情況的要求是：

RX_LO_FREQ=1090 MHz，TX_LO_FREQ遠(yuǎn)離1090 MHz以避免干擾。

在接收器側(cè)使用能夠覆蓋 1090 MHz 頻段的適當(dāng)天線，例如 ADS-B 雙 1/2 波移動(dòng)天線9;使用調(diào)諧不良或制作不良的天線將導(dǎo)致您的空中雷達(dá)范圍不足。

正確設(shè)置好所有內(nèi)容后，為了運(yùn)行 MATLAB 模型，只需使用以下命令：

[rssi1，rssi2]=ad9361_ModeS（'ip'，'data source'，channel）;

其中 ip 是 FPGA 板的 IP 地址，數(shù)據(jù)源指定接收信號(hào)的數(shù)據(jù)源。目前，此模型支持“預(yù)捕獲”和“實(shí)時(shí)”數(shù)據(jù)源。通道指定是使用 AD-FMCOMMS3-EBZ 的通道 1 還是通道 2 接收信號(hào)。

例如，以下命令接收通道 2 上預(yù)先捕獲的數(shù)據(jù)：

[rssi1，rssi2]=ad9361_ModeS（'192.168.10.2'，'pre-captured'，2）;

在仿真結(jié)束時(shí)，您將獲得兩個(gè)通道上的RSSI值，以及如下所示的結(jié)果表：

圖8.模擬結(jié)束時(shí)顯示的結(jié)果表。

此結(jié)果表顯示了模擬期間出現(xiàn)的飛機(jī)的信息。通過適當(dāng)?shù)奶炀€，該型號(hào)能夠使用 AD-FMCOMMS3-EBZ 捕獲和解碼 80 英里范圍內(nèi)的飛機(jī)信號(hào)。由于有兩種類型的S模式消息（56 μs或112 μs），因此某些消息包含的信息比另一種消息多。

當(dāng)使用真實(shí)世界的ADS-B信號(hào)試用此模型時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度對(duì)于成功解碼非常重要，因此請(qǐng)確保將天線放置在飛機(jī)的良好視線位置。通過查看兩個(gè)通道上的RSSI值，可以看到接收到的信號(hào)強(qiáng)度。例如，如果在通道2上接收信號(hào)，則通道2的RSSI應(yīng)明顯高于通道1的RSSI。您可以通過查看頻譜分析儀來判斷是否有任何有用的數(shù)據(jù)。

射頻信號(hào)質(zhì)量

對(duì)于任何RF信號(hào)，都需要有一個(gè)質(zhì)量指標(biāo)。例如，對(duì)于像QPSK這樣的信號(hào)，我們有誤差矢量幅度（EVM）。對(duì)于 ADS-B 信號(hào)，僅查看切片器的輸出以獲取正確的消息是不夠的，如圖 8 所示。我們需要一個(gè)指標(biāo)來定義ADS-B/脈沖位置調(diào)制的質(zhì)量，以便我們可以判斷一種設(shè)置是否優(yōu)于另一種設(shè)置。

在 ModeS_BitDecode4.m 函數(shù)中，有一個(gè)變量 diffVals，可以用作這樣的度量。此變量是 112 × 1 向量。它顯示一個(gè)模式S消息中的每個(gè)解碼位，它離閾值有多遠(yuǎn)。換句話說，每個(gè)解碼位相對(duì)于正確決策有多少裕量。很明顯，位的余量越大，解碼結(jié)果就越可信。另一方面，如果裕量較低，則表示決策在邊界區(qū)域，因此很可能是解碼位錯(cuò)誤。

以下兩個(gè)圖比較了從帶和不帶FIR濾波器的ADS-B接收器獲得的差異值。通過查看 y 軸，我們發(fā)現(xiàn)使用 FIR 濾波器，無論它是在最高點(diǎn)、最低點(diǎn)還是平均值，diffVals 都更大。但是，當(dāng)沒有FIR濾波器時(shí)，幾個(gè)位的差異非常接近0，這意味著解碼結(jié)果可能是錯(cuò)誤的。因此，我們能夠驗(yàn)證使用適當(dāng)?shù)腇IR濾波器可以提高解碼的信號(hào)質(zhì)量。

圖9.從帶有FIR濾波器的ADS-B接收器獲得的差異值。

圖 10.從不帶FIR濾波器的ADS-B接收器獲得的差異值。

使用 IIO 系統(tǒng)對(duì)象的 MATLAB ADS-B 算法可以從 ADI GitHub 存儲(chǔ)庫下載。10

使用 IIO 系統(tǒng)對(duì)象進(jìn)行 ADS-B 算法驗(yàn)證

Simulink 模型基于本系列文章第 2 部分中介紹的模型。2檢測(cè)器和解碼部分直接來自該模型，我們添加了 Simulink IIO 系統(tǒng)對(duì)象，用于在環(huán)路仿真中進(jìn)行信號(hào)接收和硬件仿真。

原始模型的采樣時(shí)間 = 1，幀大小 = 1。但是，Simulink IIO 系統(tǒng)對(duì)象在緩沖模式下工作 - 它累積大量樣本，然后對(duì)其進(jìn)行處理。為了使原始模型與系統(tǒng)對(duì)象一起使用，我們?cè)谒鼈冎g添加了兩個(gè)塊：取消緩沖以使幀大小= 1和速率轉(zhuǎn)換以使采樣時(shí)間= 1。通過這樣做，我們可以保持原始模型完好無損。

圖 11.用于捕獲和解碼 ADS-B 信號(hào)的 Simulink 模型。

Simulink IIO 系統(tǒng)對(duì)象設(shè)置如下。與 MATLAB 類似，它創(chuàng)建一個(gè)系統(tǒng)對(duì)象，然后定義與此系統(tǒng)對(duì)象相關(guān)的 IP 地址、設(shè)備名稱和輸入/輸出通道數(shù)量和大小。

圖 12.Simulink IIO 系統(tǒng)對(duì)象。

與IIO系統(tǒng)對(duì)象對(duì)應(yīng)的Simulink模塊的輸入和輸出端口通過對(duì)象模塊的屬性對(duì)話框以及特定于目標(biāo)ADI SDR平臺(tái)的配置文件進(jìn)行定義。輸入和輸出端口分為數(shù)據(jù)端口和控制端口。數(shù)據(jù)端口用于以基于幀的處理模式接收/發(fā)送連續(xù)數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，而控制端口用于配置和監(jiān)控不同的目標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)。數(shù)據(jù)端口的數(shù)量和大小從塊的配置對(duì)話框中配置，而控制端口在配置文件中定義。AD9361的屬性根據(jù)MATLAB模型中引入的相同因素進(jìn)行設(shè)置。MATLAB 模型中采用的所有理論和方法都可以在這里應(yīng)用。

根據(jù)您設(shè)置TX_LO_FREQ和RX_LO_FREQ的方式，此 Simulink 模型可以在兩種模式下運(yùn)行：使用預(yù)先捕獲的數(shù)據(jù)“DataIn”和使用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。以預(yù)先捕獲的數(shù)據(jù)為例，在模擬結(jié)束時(shí)，我們可以在命令窗口中看到以下結(jié)果。

圖 13.使用預(yù)先捕獲的數(shù)據(jù)在模擬結(jié)束時(shí)在命令窗口中生成結(jié)果。

此處的結(jié)果以文本格式顯示，而不是 MATLAB 模型中顯示的結(jié)果表。

使用 IIO System Object 的 Simulink ADS-B 模型可從 ADI GitHub 存儲(chǔ)庫下載。

結(jié)論

本文討論了使用ADI公司提供的libiio基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行硬件在環(huán)仿真。使用此基礎(chǔ)設(shè)施，用于 ADS-B 信號(hào)檢測(cè)和解碼的 MATLAB 和 Simulink 算法可以使用真實(shí)信號(hào)和真實(shí)硬件進(jìn)行驗(yàn)證。由于屬性設(shè)置非常依賴于應(yīng)用程序和波形，因此適用于一個(gè)波形的方法不適用于另一個(gè)波形。這是確保SDR系統(tǒng)的模擬前端和數(shù)字模塊針對(duì)目標(biāo)算法和波形進(jìn)行適當(dāng)調(diào)諧的關(guān)鍵步驟，并且算法足夠魯棒，并且可以處理在不同環(huán)境條件下獲取的真實(shí)數(shù)據(jù)，并按預(yù)期工作。有了經(jīng)過驗(yàn)證的算法，現(xiàn)在是時(shí)候進(jìn)入下一步了，其中包括使用 MathWorks 的自動(dòng)代碼生成工具將算法轉(zhuǎn)換為 HDL 和 C 代碼，并將該代碼集成到實(shí)際 SDR 系統(tǒng)的可編程邏輯和軟件中。本系列文章的下一部分將展示如何生成代碼并將其部署到生產(chǎn)硬件中，并將討論在機(jī)場(chǎng)使用真實(shí)世界的 ADS-B 信號(hào)操作平臺(tái)所獲得的結(jié)果。這將完成將SDR系統(tǒng)從原型設(shè)計(jì)一直到生產(chǎn)所需的步驟。

審核編輯：郭婷