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设计开发软件界说无线电之应用MATLAB和Simulink阻拦S形式检测息争码

宣布时间:2015年12月04日 15:12    宣布者:designapp
要害词: 软件界说无线电 , 形式检测 , 解码
自动相关监视广播波形

能被检测息争码的无线旌旗暗记无处不在。应用当今的软件界说无线电(SDR)硬件,像ADI公司的集成RF捷变收发器AD9361/AD9364等,很容易接入这些旌旗暗记。商业航空器的自动相关监视广播(ADS-B)传输供应了一个现成的无线旌旗暗记,应用它可演示基于AD9361和Xilinx  Zynq-7000 All Programmable SoC快速原型开发流程。 商业航空器应用ADS-B发射机向空中交通管制员申报其职位、速率、高度和航空器ID。国际夷易近用航空组织(ICAO) S形式超长电文尺度界说了飞翔数据名堂。ADS-B正在向全球推行,以便构建现代化空中交通管制和避碰系统。 它已被欧洲接纳,美国正在徐徐引入。

S形式超长电文尺度详细划定了RF传输名堂和编码数据字段。 应对器传输具有以下特点:

·发射频率: 1090 MHz
·调制: 脉冲职位调制(PPM)
·数据速率: 1 Mbps
·新闻长度: 56 μs或112 μs
·24位CRC校验和

调谐频率和带宽完全在AD9361 RF收发器的才干规模以内,收到的I/Q样本可应用多种软件或嵌入式平台选项阻拦检测息争码。
本文将议论辩说若何应用一个基于AD9361的吸收机平台来捕捉这些S形式旌旗暗记,然后应用MATLAB和Simulink开发一个能够解码新闻的算法。 该算法的事实目的是将该处置赏罚赏罚妄图部署到Zynq SoC平台上,例如Avnet PicoZed SDR系统化模块(SOM)。

吸收机设计寻衅

S形式新闻有短(56 μs)和长(112 μs)两种。 短新闻网罗新闻类型、航空器识别号和循环冗余校验(CRC)和。 长新闻则还网罗高度、职位、速率和飞翔状态信息。 岂论何种情形,S形式传输均从一个8 μs前同步码泉源。 吸收机经由历程此前同步码一定一条有用新闻正在传输,此前同步码还能赞助吸收机一定新闻位从甚么时间泉源。 概略参见图1。  


图1. S形式新闻结构

S形式波形相当质朴,但要告成吸收并解码新闻,仍有若干寻衅须要处置赏罚赏罚。

1.吸收情形通常是长时间余暇中交织着异常短的新闻;假定发射旌旗暗记的航空器距离吸收机很远,收到的旌旗暗记能够异常弱。 传统波形也会以1090 MHz的频率发射。 吸收机须要应用前同步码在拥堵的频段中识别高和低两个幅度的S形式传输。

2.在1 μs位距离内,列位的能够形式有两种。 前0.5μs为ON且后0.5μs为OFF,体现逻辑1。 前0.5 μs为OFF且后0.5μs为ON,体现逻辑0。 位剖断的凭证是基于时间的形式,是以,吸收机须要应用前同步码准确找出新闻位开真个I/Q样本。

3.S形式新闻由88个信息位和24个校验和位组成。 吸收机须要能够在准确的时间扫除存放器、作出位剖断、盘算校验和并读取校验和存放器。 为使吸收机准确使命,必须对时序阻拦控制。

4.关于嵌入式设计,解码历程必须逐一样本阻拦。 存储年夜量数据再阻拦批处置赏罚赏罚的吸收机设计,对嵌入式系统来讲是不现实的。
AD9361等强年夜的RF前端与MATLAB之类的科技盘算语言相联络,可年夜年夜简化与此类传输的检测息争码相关的效果。 MATLAB和旌旗暗记处置赏罚赏罚工具箱中的函数可用来识别同步形式,盘算噪底,作出位剖断,和盘算校验和。 MATLAB中的条件和推行控制函数可简化控制逻辑。 应用AD9361 SDR平台很容易会见测试数据,岂论是从二进制或文本文件读取,照样以流形式直接输入MATLAB。 最后,MATLAB是诠释性语言,是以很容易与数据阻拦交互,考试考试不合的措施,以交互要领开发处置赏罚赏罚妄图。
在MATLAB中建模并验证S形式吸收机算法

对下述内容和MATLAB源代码感兴趣的读者,可在Analog Devices GitHub库中找到相关文件。 入门级函数为
ad9361_ModeS.m,同时供应了此函数挪用的文件。

设计吸收机算法的第一步是会见一些源数据。 许多航空器现在都装备了S形式应对器,是以只需将吸收机调谐到1090 MHz的广播频率便可捕捉当地传输。 在我们的例子中,可以应用Zynq SDR快速原型开发平台。 ADI公司供应了一个MATLAB系统工具,它能经由历程以太网从FMCOMMS平台吸收数据。该系统工具允许用户选择调谐频率和采样速率,应用无线电硬件群集吸收样本,和将吸收样本作为MATLAB变量直接送入MATLAB使命空间。 所需代码异常少,几行代码便可设置MATLAB系统工具,再用几行代码设置FMCOMMS3,尚有几行代码用来捕捉I/Q样本并将其写入一个MATLAB变量。 代码示例如图2、图3和图4所示。


图2. 设置MATLAB系统工具的MATLAB代码示例


图3. 装备FMCOMMS3板的MATLAB代码示例


图4. 捕捉I/Q样本并将其写入Rx变量的MATLAB代码示例

我们应用了一些基于这些敕令的代码,以12.5 MHz的采样速率捕捉数个数据集。 选择12.5 MHz速率是为了供应足够的样原来使前同步码与第一个新闻位周详对齐,并经由历程求均值措施扫除用来作出位剖断的样本中的噪声。 捕捉一百万样本的效果如图5所示。


图5. 1090 MHz数据捕捉示例

在这个较短的数据集中,有14个旌旗暗记从噪底中凸显出来。 在这14个旌旗暗记中,有两个是S形式新闻。 其他是传统或杂散旌旗暗记,应予以屏弃。 镌汰年夜样本号604000相近的区域,可看到其中一个有用新闻(图6)。  


图6. 单个S形式新闻

在此图中,可以清晰看到前同步码,PPM调制惹起的位跃迁也很显着。 纵然面临云云清晰的旌旗暗记,经由历程目视检查解码列位也须要很好的目力和极年夜的耐心。 显着,须要一个自动化法式模范模范来解码这些新闻。 MATLAB异常合适于开发这类法式模范模范。

用于吸收息争码S形式新闻的MATLAB代码可概述以下:

1.应用filter()函数盘算一个短时间窗口上的噪底和前同步码相关性。 我们的处置赏罚赏罚妄图应用75个样本,相当于6 μs。

2.以后同步码相关性比噪底年夜一个相昔时夜的倍数时,启动寻觅第一新闻位样本的逻辑。
a.此阈值可主不雅不雅选择。 它应足够小,以便检测弱旌旗暗记,但又应足够年夜,以防泛起年夜量误报。 我们选择比噪底高10倍的值,这是一个能够捕捉年夜多数可解码新闻的公正阈值。

b.前同步码形式发生数个峰值。 最好婚配是第一个6 μs,是以存储第一峰值,泉源寻觅第一新闻位,并检查接上去的3 μs能否有一个更年夜的峰值。 若有,则存储新峰值,重新泉源寻觅第一新闻位。

c.找到最年夜峰值时,于2 μs厥后源解码新闻位。

d.图7显示了噪底(绿色)和将理想前同步码与输入数据相关的效果。 噪底上有多个峰值,但居心义的峰值是幅度最年夜的峰值。 第一新闻位样本涌现在该峰值后2 μs处。  


图7. 噪底和前同步码相关性的盘算

3.关于每位,将前0.5μs和后0.5μs的样本幅度划分求和。 哪个和较年夜决议该位是逻辑1照样逻辑0。

4.一边作出位剖断,一边盘算校验和。 当第一名到达时,须要某种控制逻辑来复位CRC存放器,盘算88位的校验和,然后在最后的24位时代清空CRC存放器。 若吸收位婚配校验和,则ADS-B新闻有用。

5.凭证S形式尺度剖析新闻位(参见图8)。  


图8. 解码后的S形式新闻

上图来自MATLAB敕令窗口,显示了从一百万样本数据集中告成解码的两条新闻。 图中给出了组成88位新闻和24位校验和的十六进制字符,解码历程的效果显示了航空器ID、新闻类型和航空器速率、高度和职位。

MATLAB供应了功效强年夜的数学和旌旗暗记处置赏罚赏罚语言,使我们能够相对轻松地处置赏罚赏罚此类效果。 用于处置赏罚赏罚数据样本并事实解码新闻的MATLAB代码很短,只需200行。 此外,MATLAB是诠释性语言,是以很容易以交互要领考试考试不合的设计头脑,快速一定可行的处置赏罚赏罚妄图。 我们对不合数据集测试了多种时序机制、阈值和噪声水平,事实取得一个知足的法式模范模范。

该MATLAB代码已针对当地空域飞翔的航空器收回的旌旗暗记阻拦了测试,解码的新闻也较量airframes.org和flight-aware.com等信息源阻拦了检查。 硬件和代码体现得异常好,我们曾经能够解码距离50英里的飞机收回的旌旗暗记。
        
实验蹊径

MATLAB是一个精彩的情形,可让用户在PC上测试设计头脑并运转算法,但假定事实目的是发生要用在嵌入式平台(例如Zynq SoC)上的软件或HDL,那么Simulink是一个不错的处置赏罚赏罚妄图。 Simulink异常合适针对可编程器件的硬件细化建模使命。 一个很好的使命流程是先用MATLAB开发并验证算法,然后将设计转换成Simulink,沿着开发蹊径向前推动,直至取得事实硬件完成妄图。

幸运的是,该算法的MATLAB代码是逐一样当地处置赏罚赏罚数据,是以可以相当轻松地转换为Simulink。 与200行MATLAB代码相比,Simulink模子很容易显示和形貌(参见图9)。  


图9. S形式检测息争码算法的Simulink模子

在图9中,可以看到解码的第一步是盘算噪底和前同步码相关性。 这些盘算应用数字滤波器模块。 时序控制模块应用Stateflow?完成,后者是一个状态机工具,用于为解码算法的其它部门发生时序、复位和控制旌旗暗记。 关于想要将控制逻辑与数据流脱离的模子,Stateflow异常有用。 一旦激活时序和触发旌旗暗记,名为BitProcess的模块便会吸收I/Q输入样本并盘算数据位,然后CRC_Check模块盘算校验和。 新闻剖析依然发生在由该Simulink模子驱动的MATLAB剧本中。

深刻不雅不雅察该模子,可以看到令Simulink合适嵌入式开发的几个特点,特殊是针对Zynq SoC将设妄图分为多个功效,和发生HDL代码和C代码。

1.Simulink具有精彩的定点支持才干,用户可以构建并测试设计的位真(bit-true)版本。 各个模块允许用户设置模子中数学运算的字长和小数长度。 用于盘算前同步码相关性的数字滤波器模块就是一个很好的例子(图10)。 用户可以设置盘算的舍入形式和溢出行动(关于HDL中的数学运算,Floor和Wrap是最质朴的选择)。 此外,用户可以为产物和滤波器的累加器操作指定不合的字长和小数精度(图11)。 用户可以应用映照到吸收机ADC的字长选择,而且应用硬件乘法器,例如Zynq SoC的DSP48分片外部的18位× 25位乘法器。  


图10. 用于前同步码相关性的Simulink数字滤波器模块,12位数据类型


图11. 定点数据类型设置

2.嵌入式设计经常具有多种使命形式和条件推行算法。 Stateflow特殊善于治理这些控制旌旗暗记。 Stateflow以可视化要领泛起S形式新闻检测息争码所需的控制逻辑。 不才面的图12中,可以看到逻辑中的以下状态:
a.SyncSearch: 寻觅捕捉样本中的前同步码
b.WaitForT0: 寻觅第一个新闻位的泉源
c.BitProcess: 启用位处置赏罚赏罚
d.EmptyReg: 清空校验和存放器并将这些位与位处置赏罚赏罚输入阻拦较量

当检测息争码算法在不合状态间流转时,Stateflow模块发生相关旌旗暗记以启用位处置赏罚赏罚,复位位剖断计数器和校验和存放器,和在S形式新闻阻拦时读出校验和位。  


图12. 解码S形式新闻的Stateflow流程图

3.Simulink模块库中既有高度归纳综合的模块,也有异常细腻的模块,工程师可以凭证须要选择应用。 数字滤波器、FFT和数控振荡器等是高等模块,应用这些模块很容易构建旌旗暗记处置赏罚赏罚设计。 假定须要更准确地控制设计,例如针对速率或面积阻拦优化,工程师可以应用单元延迟、逻辑运算符(如XOR)和开关等低级模块。 该模块中的24位校验和就是应用这些低级模块构建的反映移位存放器(图13)。  


图13. 用于S形式校验和盘算的反映移位存放器

该Simulink模子是用于检测息争码S形式新闻的MATLAB算法的硬件化版本。 Simulink是一个很有用的工具,填补了MATLAB中编写的行动算法与嵌入式硬件的实现代码之间的空缺。 您可以将针对硬件的细化使命引入Simulink模子,运转模子,验证您所做的厘革没有破损解码算法。

结论

Zynq SDR快速原型开发平台和MathWorks软件的联络,为通讯工程师供应了一种全新且无邪的要领来将无线吸收机设计理念快速酿成原型。 AD9361/AD9364捷变宽带RF收发器的高度可编程才干和性能,加上硬件与MATLAB情形之间的质朴毗连,让年夜量不合且滑稽的无线旌旗暗记可以为工程师所用。 应用MATLAB的工程师可以快速考试考试种种设计头脑并一定有前途的处置赏罚赏罚妄图。 假定设计的事实目的是嵌入式处置赏罚赏罚器,工程师可以经由历程Simulink工具应用硬件相关主意优化设计,事实取得用于对处置赏罚赏罚编程的代码。 这类使命流程可降低无线吸收机设计对工程师手艺的请求,延伸从看法就职务原型的开发周期。
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