使用MATLAB和Simulink進行模式S檢測和解碼

作者：Mike Donovan, Andrei Cozma, and Di Pu

可檢測和解碼的無線信號無處不在，使用當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。 ?1,2商用飛機的自動相關(guān)監(jiān)視廣播 （ADS-B） 傳輸提供現(xiàn)成的無線信號，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。 商用飛機使用 ADS-B 發(fā)射器向空中交通管制員報告其位置、速度、高度和飛機 ID。??3飛行數(shù)據(jù)格式在國際民用航空組織 （ICAO） 的模式 S 擴展 Squitter 規(guī)范中定義。4ADS-B正在世界各地推出，以實現(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模式擴展分離器標準提供了RF傳輸格式和編碼數(shù)據(jù)字段的詳細信息。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選項檢測和解碼接收到的I/Q樣本。

在本文中，我們將討論如何使用基于AD9361的接收器平臺捕獲這些S模式信號，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)最終目標是將解決方案部署到Zynq SoC平臺上，例如安富利的PicoZed? SDR模塊系統(tǒng)（SOM）。

接收器設(shè)計挑戰(zhàn)

S模式消息為短（56 μs）或長（112 μs）。短消息包含消息類型、飛機標識號和循環(huán)冗余校驗 （CRC） 校驗和。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開始。有關(guān)詳細信息，請參見圖 1。5

圖1.模式 S 消息的結(jié)構(gòu)。

S模式波形相當簡單，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間，當發(fā)射飛機距離接收器很遠時，接收的信號可能非常微弱。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 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 1/2 μs 內(nèi)導(dǎo)通。由于位決策是基于基于時間的模式做出的，因此接收器需要使用前導(dǎo)碼來準確找到消息位開始的I/Q采樣。

模式 S 消息由 88 個信息位和 24 個校驗和位組成。接收器需要能夠清除寄存器、做出位決策、計算校驗和并在正確的時間讀取校驗和寄存器。接收器需要定時控制才能正常工作。

對于嵌入式設(shè)計，解碼過程必須逐個樣本地工作。存儲大量數(shù)據(jù)以進行批處理并不是嵌入式系統(tǒng)的現(xiàn)實接收器設(shè)計。

AD9361等功能強大的RF前端與MATLAB等技術(shù)計算語言相結(jié)合，極大地簡化了與檢測和解碼這些傳輸相關(guān)的問題。MATLAB 和信號處理工具箱中的函數(shù)可用于識別同步模式、計算本底噪聲、做出位決策以及計算校驗和。MATLAB 中的條件和執(zhí)行控制功能簡化了控制邏輯。從二進制或文本文件訪問測試數(shù)據(jù)，或使用AD9361 SDR平臺直接流式傳輸?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 中對模式 S 接收器算法進行建模和驗證

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

設(shè)計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。ADI公司提供了一個MATLAB系統(tǒng)對象?，能夠通過以太網(wǎng)從FMCOMMS平臺接收數(shù)據(jù)。6System 對象允許用戶選擇調(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 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)。

在這個簡短的數(shù)據(jù)集中，有14個信號在本底噪聲之上脫穎而出。在這 14 個信號中，有兩個是 S 模式消息。其余的都是應(yīng)拒絕的遺留或雜散信號。放大到樣本編號 604000 附近的區(qū)域會顯示一條有效消息（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，通過檢查解碼位也需要良好的視力和很大的耐心。顯然，需要一個自動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：

計算本底噪聲和前導(dǎo)碼與 filter（） 函數(shù)在短時間窗口內(nèi)的相關(guān)性。在我們的解決方案中，我們使用 75 個樣本，相當于 6 μs。

當前導(dǎo)碼相關(guān)性超過本底噪聲一個顯著因素時，啟動邏輯以查找第一個消息位樣本。

這個閾值的選擇是主觀的。它應(yīng)該足夠小以檢測微弱信號，但又足夠大以防止大量誤報。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)生多個峰值。由于最佳匹配在前6 μs，因此存儲第一個峰值，開始搜索第一個消息位，并查看在接下來的3 μs中是否出現(xiàn)另一個更大的峰值。如果確實發(fā)生，請存儲新的峰值并重置搜索第一個消息位的開頭。

當出現(xiàn)最大峰值時，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峰值，但感興趣的峰值是幅度最大的峰值。第一個消息位的采樣發(fā)生在該峰值后2 μs。

圖7.計算本底噪聲和前導(dǎo)碼相關(guān)性。

對于每個單獨的位，對前 1/2 μs 和第二個 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。

在做出位決策時計算校驗和。這需要一些控制邏輯，用于在第一個位到達時重置CRC寄存器，計算88位的校驗和，然后清空最后24位的CRC寄存器。當接收位與校驗和匹配時，ADS-B 消息有效。

根據(jù)模式 S 標準解析消息位（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 位校驗和的十六進制字符，解碼過程的結(jié)果顯示飛機 ID、消息類型以及飛機速度、高度和位置。

MATLAB 提供了一種強大的數(shù)學(xué)和信號處理語言，可以相對輕松地解決這個問題。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)集上測試了幾種時序機制、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?shù)乜沼蝻w行的飛機信號上進行了測試，并且已根據(jù) airframes.org 和 flightaware.com 等來源對解碼消息進行了檢查。硬件和代碼性能非常好;我們已經(jīng)能夠解碼50英里外飛機的傳輸。

實施途徑

MATLAB 是在 PC 上測試設(shè)計理念和運行算法的絕佳環(huán)境，但如果最終目標是生成要在嵌入式平臺上使用的軟件或 HDL，尤其是像 Zynq SoC 這樣的平臺，那么 Simulink 是一個很好的解決方案。Simulink 非常適合對針對可編程器件所需的硬件特定細節(jié)進行建模。一個好的工作流程是使用 MATLAB 開發(fā)和驗證算法，然后將設(shè)計轉(zhuǎn)換為 Simulink，并繼續(xù)沿著開發(fā)路徑進行最終的硬件實現(xiàn)。

幸運的是，該算法的 MATLAB 代碼逐個樣本處理數(shù)據(jù)，因此轉(zhuǎn)換為 Simulink 相當簡單。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算。時序控制塊是使用 Stateflow 實現(xiàn)的，Stateflow 是一種狀態(tài)機工具，用于為解碼算法的其余部分生成定時、復(fù)位和控制信號。狀態(tài)流對于要將控制邏輯與數(shù)據(jù)流分離的模型非常有用。激活時序和觸發(fā)器后，名為 BitProcess 的塊獲取輸入 I/Q 樣本并計算數(shù)據(jù)位，CRC_Check塊計算校驗和。消息解析仍然在由此 Simulink 模型驅(qū)動的 MATLAB 腳本中進行。?

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 具有出色的定點支持，因此您可以構(gòu)建和測試設(shè)計的位真版本。各個塊允許您為模型中的數(shù)學(xué)運算設(shè)置字長和小數(shù)長度。用于計算前導(dǎo)碼相關(guān)性的數(shù)字濾波器模塊就是一個很好的例子（圖10）。您可以設(shè)置計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數(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.定點數(shù)據(jù)類型設(shè)置。

嵌入式設(shè)計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。狀態(tài)流為您提供了檢測和解碼模式 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：查找第一個消息位的開頭

位進程：啟用位處理

EmptyReg：清空校驗和寄存器，并將位與位處理的輸出進行比較

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

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的細節(jié)水平下工作的選擇。Simulink 具有數(shù)字濾波器、FFT 和數(shù)控振蕩器等高級模塊，可輕松構(gòu)建信號處理設(shè)計。如果需要對設(shè)計進行更精確的控制，可能是為了速度或面積優(yōu)化，工程師可以使用低級模塊，如單元延遲、邏輯運算符（例如 XOR）和開關(guān)。該模型中的 24 位校驗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 校驗和計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現(xiàn)代碼之間的差距。您可以將特定于硬件的詳細說明引入 Simulink 模型，運行模型，并驗證您所做的更改不會破壞解碼算法。

結(jié)論

Zynq SDR 快速原型制作平臺和 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)計理念進行原型設(shè)計。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。使用 MATLAB 的工程師可以快速嘗試多種設(shè)計理念，并最終確定出有前途的解決方案。如果設(shè)計的最終目標是嵌入式處理器，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，并最終生成用于對處理器進行編程的代碼。此工作流程減少了設(shè)計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