利用MATLAB和Simulink進(jìn)行S模式檢測(cè)和解碼

自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視廣播波形

能被檢測(cè)和解碼的無線信號(hào)無處不在。利用當(dāng)今的軟件定義無線電 (SDR) 硬件，像ADI公司的集成RF捷變收發(fā)器 AD9361/AD9364 等，很容易接入這些信號(hào)?1,2。商業(yè)航空器的自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視廣播 (ADS-B) 傳輸提供了一個(gè)現(xiàn)成的無線信號(hào)，利用它可演示基于AD9361和Xilinx? Zynq?-7000 All Programmable SoC的快速原型開發(fā)流程。商業(yè)航空器利用ADS-B發(fā)射機(jī)向空中交通管制員報(bào)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(guī)范定義了飛行數(shù)據(jù)格式4。ADS-B正在向全世界推廣，以便構(gòu)建現(xiàn)代化空中交通管制和避碰系統(tǒng)。它已被歐洲采用，美國正在逐漸引入。

S模式超長電文標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了RF傳輸格式和編碼數(shù)據(jù)字段。應(yīng)答器傳輸具有如下特性：

發(fā)射頻率：1090 MHz

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)器的能力范圍之內(nèi)，收到的I/Q樣本可利用多種軟件或嵌入式平臺(tái)選項(xiàng)進(jìn)行檢測(cè)和解碼。

本文將討論如何利用一個(gè)基于AD9361的接收機(jī)平臺(tái)來捕捉這些S模式信號(hào)，然后利用MATLAB和Simulink開發(fā)一個(gè)能夠解碼消息的算法。該算法的最終目標(biāo)是將該解決方案部署到Zynq SoC平臺(tái)上，例如Avnet PicoZed? SDR系統(tǒng)化模塊 (SOM) 。

接收機(jī)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
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(shí)別號(hào)和循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC) 和。長消息則還包含高度、位置、速度和飛行狀態(tài)信息。無論何種情況，S模式傳輸均從一個(gè)8 μs前同步碼開始。接收機(jī)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(jī)確定消息位從何時(shí)開始。詳情參見圖15。

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圖1. S模式消息結(jié)構(gòu)

S模式波形相當(dāng)簡單，但要成功接收并解碼消息，仍有若干挑戰(zhàn)需要解決。

1、接收環(huán)境通常是長時(shí)間空閑中穿插著非常短的消息；如果發(fā)射信號(hào)的航空器距離接收機(jī)很遠(yuǎn)，收到的信號(hào)可能非常弱。傳統(tǒng)波形也會(huì)以1090 MHz的頻率發(fā)射。接收機(jī)需要利用前同步碼在擁堵的頻段中識(shí)別高和低兩個(gè)幅度的S模式傳輸。
2、在1 μs位間隔內(nèi)，各位的可能模式有兩種。前? μs為ON且后? μs為OFF，表示邏輯1。前? μs為OFF且后? μs為ON，表示邏輯0。位判定的依據(jù)是基于時(shí)間的模式，因此，接收機(jī)需要利用前同步碼準(zhǔn)確找出消息位開始的I/Q樣本。
3、S模式消息由88個(gè)信息位和24個(gè)校驗(yàn)和位組成。接收機(jī)需要能夠在正確的時(shí)間清除寄存器、作出位判定、計(jì)算校驗(yàn)和并讀取校驗(yàn)和寄存器。為使接收機(jī)正確工作，必須對(duì)時(shí)序進(jìn)行控制。
4、對(duì)于嵌入式設(shè)計(jì)，解碼過程必須逐個(gè)樣本進(jìn)行。存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)再進(jìn)行批處理的接收機(jī)設(shè)計(jì)，對(duì)嵌入式系統(tǒng)來說是不現(xiàn)實(shí)的。

AD9361等強(qiáng)大的RF前端與MATLAB?之類的科技計(jì)算語言相結(jié)合，可大大簡化與此類傳輸?shù)臋z測(cè)和解碼相關(guān)的問題。MATLAB和信號(hào)處理工具箱中的函數(shù)可用來識(shí)別同步模式，計(jì)算噪底，作出位判定，以及計(jì)算校驗(yàn)和。MATLAB中的條件和執(zhí)行控制函數(shù)可簡化控制邏輯。利用AD9361 SDR平臺(tái)很容易訪問測(cè)試數(shù)據(jù)，無論是從二進(jìn)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(shù)據(jù)進(jìn)行交互，嘗試不同的方法，以交互方式開發(fā)解決方案。

在MATLAB中建模并驗(yàn)證S模式接收機(jī)算法
對(duì)下述內(nèi)容和MATLAB源代碼感興趣的讀者，可在Analog Devices GitHub庫中找到相關(guān)文件。入門級(jí)函數(shù)為ad9361_ModeS.m，同時(shí)提供了此函數(shù)調(diào)用的?文件.

設(shè)計(jì)接收機(jī)算法的第一步是訪問一些源數(shù)據(jù)。許多航空器現(xiàn)在都配備了S模式應(yīng)答器，因而只需將接收機(jī)調(diào)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(fā)平臺(tái)。ADI公司提供了一個(gè)MATLAB系統(tǒng)對(duì)象?，它能通過以太網(wǎng)從FMCOMMS平臺(tái)接收數(shù)據(jù)6。該系統(tǒng)對(duì)象允許用戶選擇調(diào)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(shè)置MATLAB系統(tǒng)對(duì)象，再用幾行代碼設(shè)置FMCOMMS3，還有幾行代碼用來捕獲I/Q樣本并將其寫入一個(gè)MATLAB變量。代碼示例如圖2、圖3和圖4所示。

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圖2. 設(shè)置MATLAB系統(tǒng)對(duì)象的MATLAB代碼示例

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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(shù)個(gè)數(shù)據(jù)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(gè)消息位精密對(duì)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(jié)果如圖5所示。

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圖5. 1090 MHz數(shù)據(jù)捕捉示例

在這個(gè)較短的數(shù)據(jù)集中，有14個(gè)信號(hào)從噪底中凸顯出來。在這14個(gè)信號(hào)中，有兩個(gè)是S模式消息。其余是傳統(tǒng)或雜散信號(hào)，應(yīng)予以拋棄。放大樣本號(hào)604000附近的區(qū)域，可看到其中一個(gè)有效消息（圖6）。

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圖6. 單個(gè)S模式消息

在此圖中，可以清楚看到前同步碼，PPM調(diào)制引起的位躍遷也很明顯。即使面對(duì)如此清晰的信號(hào)，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(gè)自動(dòng)化程序來解碼這些消息。MATLAB非常適合于開發(fā)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：
1.利用filter () 函數(shù)計(jì)算一個(gè)短時(shí)間窗口上的噪底和前同步碼相關(guān)性。我們的解決方案使用75個(gè)樣本，相當(dāng)于6 μs。
2.當(dāng)前同步碼相關(guān)性比噪底大一個(gè)相當(dāng)大的倍數(shù)時(shí)，啟動(dòng)尋找第一消息位樣本的邏輯。
a.此閾值可主觀選擇。它應(yīng)足夠小，以便檢測(cè)弱信號(hào)，但又應(yīng)足夠大，以防出現(xiàn)大量誤報(bào)。我們選擇比噪底高10倍的值，這是一個(gè)能夠捕捉大多數(shù)可解碼消息的合理閾值。
b.前同步碼模式產(chǎn)生數(shù)個(gè)峰值。最佳匹配是第一個(gè)6 μs，因此存儲(chǔ)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(gè)更大的峰值。若有，則存儲(chǔ)新峰值，重新開始尋找第一消息位。
c.找到最大峰值時(shí)，于2 μs后開始解碼消息位。
d.圖7顯示了噪底（綠色）以及將理想前同步碼與輸入數(shù)據(jù)相關(guān)的結(jié)果。噪底上有多個(gè)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(xiàn)在該峰值后2 μs處。

圖7. 噪底和前同步碼相關(guān)性的計(jì)算

3.對(duì)于每一位，將前? μs和后? μs的樣本幅度分別求和。哪一個(gè)和較大決定該位是邏輯1還是邏輯0。
4.一邊作出位判定，一邊計(jì)算校驗(yàn)和。當(dāng)?shù)谝晃坏竭_(dá)時(shí)，需要某種控制邏輯來復(fù)位CRC寄存器，計(jì)算88位的校驗(yàn)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(yàn)和，則ADS-B消息有效。
5.根據(jù)S模式標(biāo)準(zhǔn)解析消息位（參見圖8）。

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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(shù)據(jù)集中成功解碼的兩條消息。圖中給出了構(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(qiáng)大的數(shù)學(xué)和信號(hào)處理語言，使我們能夠相對(duì)輕松地解決此類問題。用于處理數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)思想，快速確定可行的解決方案。我們對(duì)不同數(shù)據(jù)集測(cè)試了多種時(shí)序機(jī)制、閾值和噪聲水平，最終獲得一個(gè)滿意的程序。

該MATLAB代碼已針對(duì)本地空域飛行的航空器發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行了測(cè)試，解碼的消息也對(duì)照?airframes.org?和flightaware.com. 等信息源進(jìn)行了檢查。硬件和代碼表現(xiàn)得非常好，我們已經(jīng)能夠解碼距離50英里的飛機(jī)發(fā)出的信號(hào)。