基于AD9361補(bǔ)捉S模式訊號并通過MATLAB及Simulink來開發(fā)譯碼訊息的算法

基于AD9361補(bǔ)捉S模式訊號并通過MATLAB及Simulink來開發(fā)譯碼訊息的算法推動(dòng)現(xiàn)代化空中交通管制全球逐漸導(dǎo)入ADS-B由民航機(jī)所發(fā)送出來的自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視廣播(ADS-B)，提供容易取得的無線電訊號，可用來展示基于與XilinxZynx-7000AllProgrammableSoC連接的AD9361的快速原型建構(gòu)流程。民航機(jī)使用ADS-B傳送器向空中交通管制者(AirTrafficControllers)報(bào)告它們的位置、速度、高度及飛機(jī)標(biāo)識符，其飛行數(shù)據(jù)格式是定義于國際民航組織(ICAO)的S模式擴(kuò)展電文(ModeSExtendedSquitter)標(biāo)準(zhǔn)中。目前ADS-B正在全球各地導(dǎo)入中，以推進(jìn)空中交通管制及防撞系統(tǒng)的現(xiàn)代化。除了歐洲已正式采用外，美國也正在逐步普及中。S模式擴(kuò)展電文標(biāo)準(zhǔn)提供RF傳送格式與編碼數(shù)據(jù)字段的細(xì)節(jié)，而轉(zhuǎn)發(fā)器(Transponder)的傳送具有以下的特性：．傳送頻率：1090MHz

．調(diào)變：脈沖位置調(diào)變(PPM)

．?dāng)?shù)據(jù)速率：1Mbit/s

．訊息長度：56微秒(μs)或112μs

．24位CRC檢查總和(Checksum)RF收發(fā)器AD9361能涵蓋整個(gè)調(diào)諧頻率(TuningFrequency)及帶寬，而收到的I/Q取樣值，可透過多種的軟件或嵌入式平臺選項(xiàng)，來加以偵測及解碼。本文將討論如何使用基于AD9361的接收平臺，來補(bǔ)捉這些S模式訊號，然后再透過MATLAB及Simulink來開發(fā)能夠譯碼這些訊息的算法。此算法的最終開發(fā)目標(biāo)，在于能將解決方案布局到ZynqSoC平臺上，例如Avnet的PicoZedSDR模塊化系統(tǒng)(SoM)?？朔拇筇魬?zhàn)助S模式接收/譯碼訊息S模式訊息短為56μs，長則可達(dá)112μs。短訊息包含訊息類型、飛機(jī)標(biāo)識符、以及一循環(huán)冗余檢測(CRC)檢查總和，長訊息則還包含高度、位置、速度及飛行狀態(tài)。但不論是何者，S模式傳送都是以8μs前置訊號(Preamble)為開始，接收器可使用此前置訊號的式樣(PreamblePattern)得知有效訊息正要被傳送，此前置訊號式樣還可協(xié)助接收器判斷訊息的位何時(shí)開始。相關(guān)細(xì)節(jié)請參考圖1。

圖1S模式訊息的架構(gòu)

S模式的波形相當(dāng)簡單，但要成功地接收及譯碼被傳送的訊息，還是有一些挑戰(zhàn)須要克服。一、接收環(huán)境通常包含非常短且穿插長閑置期間(IdlePeriod)的訊息，而當(dāng)發(fā)射訊息的飛機(jī)與接收器的距離很遠(yuǎn)時(shí)，接收到的訊號還可能會相當(dāng)?shù)匚⑷?。由于舊(Legacy)波形也是以1090MHz來傳送，因此接收器必須利用前置訊號，在擁塞的頻帶中辨識出高與低振幅的S模式傳送。二、在每一個(gè)1μs的位期間內(nèi)，位有兩種可能的式樣。邏輯1為第一個(gè)1/2μs為ON，而第二個(gè)1/2μs為OFF。邏輯0則是第一個(gè)1/2μs為OFF，而第二個(gè)1/2μs為ON。由于位是以時(shí)基式樣(Time-basedPatterns)來進(jìn)行判定，接收器必須使用前置訊號來正確地找出訊息位開始時(shí)的I/Q取樣。三、S模式訊息是由八十八個(gè)信息位及二十四個(gè)檢查總和位所組成。接收器必須能清除緩存器、判定位、計(jì)算檢查總和、并在正確的時(shí)間點(diǎn)讀取檢查總和緩存器。時(shí)序控制對于接收器的正常動(dòng)作而言是必要的。四、對于嵌入式設(shè)計(jì)來說，譯碼處理必須以一個(gè)取樣接一個(gè)取樣的方式來進(jìn)行。將大量的批處理用數(shù)據(jù)儲存起來，對于嵌入式系統(tǒng)而言，并非切合實(shí)際的接收器設(shè)計(jì)。將AD9361這類功能強(qiáng)大的RF前端，與MATLAB這類技術(shù)運(yùn)算語言加以結(jié)合，能減化偵測及譯碼這些傳送數(shù)據(jù)的相關(guān)問題。MATLAB及SignalProcessingToolbox所提供的功能，可用來辨識同步式樣(SyncPattern)、計(jì)算噪聲基準(zhǔn)(NoiseFloor)、判定位以及計(jì)算檢查總和。MATLAB中的條件型(Conditional)及執(zhí)行控制(ExecutionControl)功能，可簡化控制邏輯。測試數(shù)據(jù)的取得相當(dāng)容易，包括從二進(jìn)制或文字格式的檔案，或是也可使用AD9361SDR平臺直接串流入MATLAB。最后，MATLAB的解譯特性(InterpretedNature)有助于與數(shù)據(jù)之間的互動(dòng)、嘗試不同的方法，以及以互動(dòng)方式開發(fā)出解決方案。MATLAB中S模式接收器算法模型化與驗(yàn)證設(shè)計(jì)接收器算法的第一步，是取得一些資源數(shù)據(jù)(SourceData)。由于目前許多飛機(jī)都配備有S模式的轉(zhuǎn)發(fā)器，因此可以只調(diào)整接收器到1090MHz的廣播頻率，即可接收到本地傳送。舉例來說，可以使用ZynqSDR快速原型平臺。ADI提供的MATLABSystemＯbject，可以透過以太網(wǎng)