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快速通往量產的四個法式模范:應用基于模子的設計開發軟件界說無線電

宣布時間:2016年02月29日 14:02    宣布者:eechina
要害詞: 軟件界說無線電 , SDR
第三部門—應用硬件在環驗證S形式旌旗燈號解碼算法

作者:Di Pu和Andrei Cozma

簡介


在MATLAB或Simulink中完成旌旗燈號處置賞罰算法以后,切合邏輯的下一步是應用從現實要應用的SDR硬件平臺取得的真實數據驗證算法的功效。首先是應用從系統取得的不合輸入數據集來驗證算法。這樣做有助于驗證算法的功效,但不克不及保證算法在其它情形條件下也能像預期那樣使命,也不克不及一定關于SDR系統模擬前端和數字模塊的不合設置,算法的行動和性能會若何。為了驗證所有這些方面,假設能讓算法在線運轉以吸收實時數據作為輸入,而且調劑SDR系統設置以完成最好性能,將是異常有利益的。本系列文章的這一部門談論辯說ADI公司供應的軟件工具,其支持MATLAB和Simulink模子與FMCOMMSx SDR平臺直接互動;此外還會詮釋若何應用這些工具驗證第二部門所述的ADS-B模子2。2

MATLAB和Simulink IIO系統工具

ADI公司供應了完全的軟件基础行動措施來支持MATLAB和Simulink模子與FMCOMMSx SDR平臺(其毗連到運轉LinuxFPGA/SoC系統)實時互動。這之以是能夠,有賴于IIO System Object 3(系統工具),它設計用于經由歷程TCP/IP與硬件系統交流數據,從而發送(吸收)數據至(自)目的,控制目的的設置,并監測RSSI等不合目的參數。圖1顯示了該軟件基础行動措施的基礎架構和系統組件之間的數據流。

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圖1. 軟件基础行動措施框圖

IIO系統工具基于MathWorks系統工具尺度4,其地下了數據和控制接口,MATLAB/Simulink模子經由歷程這些接口與基于IIO的系統通訊。這些接口在一個裝備文件中指定,配件文件將系統工具接口鏈接到IIO數據通道或IIO屬性。這樣便可完成通用型IIO系統工具,只需修改裝備文件,它便能合營任何IIO平臺使命。ADI GitHub庫5供應了一些平臺的裝備文件和示例,包羅AD-FMCOMMS2-EBZ/AD-FMCOMMS3-EBZ/AD-FMCOMMS4- EBZ/AD-FMCOMMS5-EBZ SDR板和高速數據網絡板AD-FMCDAQ2-EBZ。IIO系統工具與目的之間的通訊是經由歷程libiio服務器/客戶端基础行動措施來完成。服務器運轉于Linux下的嵌入式目的上,治理目的與當地/遠程客戶端之間的實時數據交流。libiio庫是硬件低層細節的籠統,供應了簡樸但完全的編程接口,可用于綁定種種語言(C、C++、C#、Python)的高等項目。

本文接上去將經由歷程一些現實例子詮釋若何應用IIO系統工具來驗證ADS-B MATLAB和Simulink模子。一個毗連到ZedBoard7且運轉Analog Devices Linux刊行版的AD-FMCOMMS3-EBZ SDR平臺6用作SDR硬件平臺,以驗證ADS-B旌旗燈號檢測與解碼算法能否正常使命,如圖2所示。

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圖2. ADS-B算法驗證的硬件設置

應用IIO系統工具驗證MATLAB ADS-B算法

為了應用從AD-FMCOMMS3-EBZ SDR平臺取得的實時數據驗證MATLAB ADS-B解碼算法,開發了一個MATLAB腳原來推行以下操作:

    憑證用戶輸入盤算地球帶
    建設并裝備IIO系統工具
    經由歷程IIO系統工具裝備AD-FMCOMMS3-EBZ模擬前端和數字模塊
    應用IIO系統工具從SDR平臺吸收數據幀
    檢測并解碼ADS-B數據
    顯示解碼的ADS-B信息

構建IIO系統工具以后,必須應用SDR系統的IP地址、目的裝備稱謂、輸入/輸入通道的年夜小和數目對其阻拦裝備。圖3給出了一個建設并裝備MATLAB IIO系統工具的例子。

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圖3. MATLAB IIO系統工具的建設和裝備

然后,應用IIO系統工具設置AD9361屬性并吸收ADS-B旌旗燈號。AD9361屬性基于以下考量而設置:

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圖4. MATLAB libiio設置AD9361屬性

應用基于AD9361的平臺,采樣速率相當容易一定。發送數據速率浅易即是吸收數據速率,終究取決于基帶算法。本例中,解碼算法是針對12.5 MSPS的采樣速率而設計,AD9361采樣速率據此設置。這樣,吸收到的樣本便可直接應用于解碼算法,無需其它抽取或插值操作。

RF帶寬控制設置AD9361 RX模擬基帶低通濾波器的帶寬,以供應抗混疊和帶外旌旗燈號榨取。為了樂成解調收到的旌旗燈號,系統必須最年夜水平地前進信噪比 (SNR)。是以,在知足平展度和帶外榨取請求的同時,RF帶寬必須設置得盡能夠窄,以使帶內噪聲和雜散旌旗燈號電平最小。假設RF帶寬設置得較寬,ADC線性靜態規模就會由于特此外噪聲而鐫汰。異樣,ADC無雜散靜態規模也會由于較低的帶外旌旗燈號榨取而鐫汰,招致吸收器的全體靜態規模鐫汰。是以,將RF帶寬設置為最優值關于吸收所需的帶內旌旗燈號并榨取帶外旌旗燈號異常主要。經由歷程不雅不雅察吸收旌旗燈號的頻譜,我們發現4 MHz是一個合適的RF帶寬值。

除經由歷程RF帶寬屬性設置AD9361的模擬濾波器以外,我們還可以經由歷程IIO系統工具使能AD9361的數字FIR濾波器以刷新解碼性能,如圖5所示。憑證ADS-B旌旗燈號的頻譜特點,我們設計一個數據速率為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,我們便可以進一步聚焦于目的帶寬。

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圖5. 經由歷程libiio使能AD9361的適當FIR濾波器

Adsb.ftr文件包羅FIR濾波器的系數,該FIR濾波器應用ADI公司AD9361濾波器向導MATLAB應用法式模范模范設計8。此工具不只能完成通用低通濾波器設計,還能為旌旗燈號途徑中的其它級供應幅度和相位平衡。

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圖6. 應用MATLAB AD9361濾波器向導設計的用于ADS-B旌旗燈號的FIR濾波器

多功效且高度可裝備的AD9361收發器具有多種增益控制形式,合適許多不合的應用。IIO系統工具的Gain Mode(增益形式)參數選擇可用形式之一:manual、slow_attack、hybrid和fast_attack。最經常应用的形式是manual、slow_attack和fast_attack。Manual增益控制形式允許基帶處置賞罰器 (BBP) 控制增益。Slow_attack形式主要用于慢速變換的旌旗燈號,fast_attack形式主要用于"突發"開啟和關閉的波形。增益形式在很年夜水平上取決于吸收旌旗燈號的強度。假設旌旗燈號太強或太弱,建議應用manual或slow_attack形式。否則,fast_attack是不錯的選擇。ADS-B旌旗燈號具有突發性,是以fast_ attack增益形式可完成最好效果。這類波形請求應用fast_attack形式,由于其存在前同步碼,而且AGC須要以足夠快的速率照應以便捕捉第一名。沒有旌旗燈號時,啟動時間(增益斜坡降低所需的時間)與衰減時間(前進增益所需的時間)存在差異。目的是快速調低增益,以便能在第一名看到一個有用的1,但不前進位時間之間的增益。

最后,憑證您對TX_LO_FREQ和RX_LO_FREQ的設置,該模子有兩種應用要領:應用事后捕捉的數據(RF回送)和應用從空中取得的實時數據。

事后捕捉數據

這類情形下,我們應用AD-FMCOMMS3-EBZ發送和吸收事后捕捉到的一些ADS-B旌旗燈號。這些旌旗燈號生涯在一個名為"newModeS"的變量中。

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圖7. 應用事后捕捉的ADS-B旌旗燈號界說輸入

這類情形請求TX_LO_FREQ = RX_LO_FREQ,它可以是AD-FMCOMMS3-EBZ支持的隨便任性LO頻率值。事后捕捉的數據中有年夜量ADS-B有用數據,是以,這是驗證硬件設置能否合適的好措施。

實時數據

這類情形下,我們吸收空中的實時ADS-B旌旗燈號,而不是AD-FMCOMMS3-EBZ發送的旌旗燈號。憑證ADS-B尺度,它以1090 MHz的中央頻率發送,是以,這類情形的請求是:

    RX_LO_FREQ=1090 MHz,TX_LO_FREQ遠離1090 MHz,以阻拦發生攪擾。

在吸收側應用一根適當的天線,它能籠罩1090 MHz頻段,例如ADS-B雙半波移動天線9;應用調諧不佳或制造不良的天線會招致空中雷達探測距離不夠。

一切設置穩當以后,應用以下敕令便可運轉MATLAB模子:

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

其中,ip為FPGA板的IP地址,data source指定吸收旌旗燈號的數據源。現在,該模子支持"事后捕捉"的數據源和"實時"數據源。 Channel指定旌旗燈號是應用AD-FMCOMMS3-EBZ的通道1照樣通道2阻拦吸收。

例如,收回以下敕令時,系統將經由歷程通道2吸收事后捕捉的數據:

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

仿真阻拦時,您會取得兩個通道的RSSI值和下表所示的效果:

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圖8. 仿真阻拦時顯示的效果表格

尔效果表格顯示了仿真時代泛起的航空器信息。借助適當的天線,此模子應用AD-FMCOMMS3-EBZ能夠捕捉并解碼80英里規模內的航空器旌旗燈號。S形式新聞有兩類(56 μs和112 μs),是以,某些新聞包羅的信息比其它新聞要多。

應用現實ADS-B旌旗燈號測試此模子時,解碼能否樂成,旌旗燈號強度異常主要,務必把天線放在瞄準航空器的優勝職位上。吸收旌旗燈號強度可經由歷程檢查兩個通道的RSSI值來明確。例如,若經由歷程通道2吸收旌旗燈號,通道2的RSSI應顯著高于通道1的RSSI。經由歷程檢查頻譜剖析儀,可以斷定能否存在有用數據。

RF旌旗燈號質量


任何RF旌旗燈號都須要一個質量目的。例如,關于QPSK等旌旗燈號,我們有誤差矢量幅度 (EVM)。關于ADS-B旌旗燈號,檢查脫離器輸入還缺乏以取得準確新聞,如圖8所示。我們須要一個目的來界說ADS-B/脈沖職位調制的質量,以便斷定哪一種設置更好。

ModeS_BitDecode4.m函數中有一個變量diffVals,它便可以用作這樣的目的。此變量是一個112 × 1矢量。關于一條S形式新聞中的每個解碼位,它都邑顯示該位距離閾值有多遠。也就是說,每個解碼位相關于準確斷定有若干裕量。不言而喻,一個位的裕量越年夜,解碼效果的信托度就越高。此外一方面,若裕量很小,則意味著斷定處于邊緣區,解碼位很有能夠是弱點的。

下面兩幅圖較量了有和沒有FIR濾波器兩種情形下從ADS-B吸收器取得的diffVals值。重视y軸,我們發現,應用FIR濾波器時,岂论處于最高點、最低點照樣勻稱值,diffVals都較年夜。可是,當沒有FIR濾波器時,幾個位的diffVals都異常靠近0,意味著解碼效果能夠不準確。是以,我們可以得出結論,應用適當的FIR濾波器可刷新解碼的旌旗燈號質量。

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圖9. 應用FIR濾波器時從ADS-B吸收器取得的diffVals值

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圖10. 無FIR濾波器時從ADS-B吸收器取得的diffVals值

接納IIO系統工具的MATLAB ADS-B算法可從ADI GitHub庫下載10。10

應用IIO系統工具驗證Simulink ADS-B算法

Simulink模子基于本系列文章第二部門簡介的模子2。解碼器息爭碼模塊直接來自該模子,我們增添了Simulink IIO系統工具以睜開旌旗燈號吸收和硬件在環仿真。

原始模子以采樣時間 = 1且幀年夜小 = 1的設置使命。可是,Simulink IIO系統工具以緩沖形式使命,它會積累若干樣本,然落先行處置賞罰。為了讓原始模子合營系統工具使命,我們在其間增添了兩個模塊:扫除緩沖以使幀年夜小 = 1,轉換速率以使采樣時間 = 1。這樣,原始模子便可保持穩固。

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圖11. Simulink模子捕捉息爭碼ADS-B旌旗燈號

Simulink IIO系統工具設置以下。與MATLAB實例類似,它建設一個系統工具,然后界說與此系統工具相關的IP地址、裝備稱謂、輸入/輸入通道數目和年夜小。

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圖12. Simulink IIO系統工具

與IIO系統工具相對應,此Simulink模塊的輸入輸入端口經由歷程工具模塊的屬性對話框和目的ADI SDR平臺特定的裝備文件來界說。輸入和輸入端口按數據和控制端口分類。數據端口以幀處置賞罰形式發送(吸收)一連數據緩沖至(自)目的系統,而控制端口則用于裝備和監控不合的目的系統參數。數據端口的數目和年夜小經由歷程該模塊的裝備對話框阻拦裝備,而控制端口則在裝備文件中界說。AD9361屬性設置所憑證的因素與MATLAB模子所述類似。MATLAB模子應用的所有現實和措施在這里都適用。

憑證您對TX_LO_FREQ和RX_LO_FREQ的設置,Simulink模子有兩種運轉形式:應用事后捕捉的數據"DataIn"和應用實時數據。以事后捕捉的數據為例,在仿真阻拦時,我們可以在敕令窗口中看到以下效果:

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圖13. 應用事后捕捉數據的仿真阻拦時在敕令窗口中顯示的效果

這里的效果以文本名堂顯示,而不像在MATLAB模子中以表格形式顯示。

接納IIO系統工具的Simulink ADS-B模子可從ADI GitHub庫下載11。11

結論


本文談論辯說了應用ADI公司供應的libiio基础行動措施阻拦的硬件在環仿真。接納這類基础行動措施,便可應用現實旌旗燈號和硬件驗證MATLAB和Simulink ADS-B旌旗燈號檢測與解碼算法。屬性設置高度依附于應用和波形,合適一個波形的設置著實不用定合適此外一個波形。這是要害的一步,可確保SDR系統的模擬前端和數字模塊針對目的算法和波形調諧穩當,而且算法足夠魯棒,關于不合情形條件下取得的現實數據,它都能像預期的那樣處置賞罰。有了經由驗證的算法以后,便可泉源下一步,即應用MathWorks代碼自動天生工具將算法轉換為HDL和C代碼,并將此代碼集成到現實SDR系統的可編程邏輯和軟件當中。本系列文章的下一部門將詮釋若何天生代碼并將其部署惠臨盆硬件中,還談判談該平臺在機場應用現實ADS-B旌旗燈號運轉所取得的效果。這樣便簡介完了SDR系統從原型開發惠臨盆的所有法式模范。

參考文獻

1Andrei Cozma、Di Pu和Tom Hill。"Dialogue/china/archives/49-09/four-step-sdr-01.html" target="_blank">快速通往量產的四個法式模范:應用基于模子的設計開發軟件界說無線電—第一部門"。模擬對話,第49卷第3期,2015年。      

2Mike Donovan、Andrei Cozma和Di Pu。"" 模擬對話时时彩,第49卷第3期,2015年。

      

时时彩3ADI公司。""。

      

4MathWorks。"?"

      

5ADI公司,""。GitHub庫

      

6ADI公司。。

      

7。

      

时时彩8ADI公司。。

      

9。

      

10。

      

11。



申謝
謝謝MathWorks公司的Mike Donovan,他贊助開發了本文所用的MATLAB和Simulink ADS-B旌旗燈號檢測與解碼算法。

作者

Di Pu [di.pu@analog.com]是ADI公司系統建模應用工程師,擔任支持軟件界說無線電平臺和系統的設計與開發。她與MathWorks親近協作處置賞罰雙方合營客戶的難題。加入ADI公司之前,她于2007年取得南京理工年夜學 (NJUST) 電氣工程學士學位,于2009年和2013年劃分取得伍斯特理工學院 (WPI) 電氣工程碩士學位和博士學位。她是WPI 2013年博士論文Sigma Xi研究獎取得者。

Andrei Cozma[andrei.cozma@analog.com]是ADI公司工程設計司理,擔任支持系統級參考設計的設計與開發。他具有工業自動化與信息手艺學士學位及電子與電信博士學位。他加入過電機控制、工業自動化、軟件界說無線電和電信等不合行業領域的項目設計與開發。
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