第三部分—利用硬件在環(huán)驗(yàn)證S模式信號(hào)解碼算法

簡(jiǎn)介
在MATLAB或Simulink?中實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理算法之后，合乎邏輯的下一步是利用從實(shí)際要使用的SDR硬件平臺(tái)獲得的真實(shí)數(shù)據(jù)驗(yàn)證算法的功能。首先是利用從系統(tǒng)獲得的不同輸入數(shù)據(jù)集來驗(yàn)證算法。這樣做有助于驗(yàn)證算法的功能，但不能保證算法在其它環(huán)境條件下也能像預(yù)期那樣工作，也不能確定對(duì)于SDR系統(tǒng)模擬前端和數(shù)字模塊的不同設(shè)置，算法的行為和性能會(huì)如何。為了驗(yàn)證所有這些方面，如果能讓算法在線運(yùn)行以接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)作為輸入，并且調(diào)整SDR系統(tǒng)設(shè)置以實(shí)現(xiàn)最佳性能，將是非常有好處的。本系列文章的這一部分討論ADI公司提供的軟件工具，其支持MATLAB和Simulink模型與FMCOMMSx SDR平臺(tái)直接互動(dòng)；此外還會(huì)說明如何利用這些工具驗(yàn)證第二部分所述的ADS-B模型。

MATLAB和Simulink IIO系統(tǒng)對(duì)象
ADI公司提供了完整的軟件基礎(chǔ)設(shè)施來支持MATLAB和Simulink模型與FMCOMMSx SDR平臺(tái)（其連接到運(yùn)行Linux的FPGA/SoC系統(tǒng)）實(shí)時(shí)互動(dòng)。這之所以可能，有賴于IIO System Object?3（系統(tǒng)對(duì)象），它設(shè)計(jì)用于通過TCP/IP與硬件系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，從而發(fā)送（接收）數(shù)據(jù)至（自）目標(biāo)，控制目標(biāo)的設(shè)置，并監(jiān)測(cè)RSSI等不同目標(biāo)參數(shù)。圖1顯示了該軟件基礎(chǔ)設(shè)施的基本架構(gòu)以及系統(tǒng)組件之間的數(shù)據(jù)流。

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圖1. 軟件基礎(chǔ)設(shè)施框圖

IIO系統(tǒng)對(duì)象基于MathWorks系統(tǒng)對(duì)象規(guī)范4，其公開了數(shù)據(jù)和控制接口，MATLAB/Simulink模型通過這些接口與基于IIO的系統(tǒng)通信。這些接口在一個(gè)配置文件中指定，配件文件將系統(tǒng)對(duì)象接口鏈接到IIO數(shù)據(jù)通道或IIO屬性。這樣便可實(shí)現(xiàn)通用型IIO系統(tǒng)對(duì)象，只需修改配置文件，它便能配合任何IIO平臺(tái)工作。ADI GitHub庫(kù)5提供了一些平臺(tái)的配置文件和示例，包括AD-FMCOMMS2-EBZ/AD-FMCOMMS3-EBZ/AD-FMCOMMS4- EBZ/AD-FMCOMMS5-EBZ SDR板和高速數(shù)據(jù)采集板AD-FMCDAQ2-EBZ。IIO系統(tǒng)對(duì)象與目標(biāo)之間的通信是通過libiio服務(wù)器/客戶端基礎(chǔ)設(shè)施來完成。服務(wù)器運(yùn)行于Linux下的嵌入式目標(biāo)上，管理目標(biāo)與本地/遠(yuǎn)程客戶端之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。libiio庫(kù)是硬件低層細(xì)節(jié)的抽象，提供了簡(jiǎn)單但完整的編程接口，可用于綁定各種語(yǔ)言（C、C++、C#、Python）的高級(jí)項(xiàng)目。

本文接下來將通過一些實(shí)際例子說明如何利用IIO系統(tǒng)對(duì)象來驗(yàn)證ADS-B MATLAB和Simulink模型。一個(gè)連接到ZedBoard7且運(yùn)行Analog Devices Linux發(fā)行版的AD-FMCOMMS3-EBZ SDR平臺(tái)6用作SDR硬件平臺(tái)，以驗(yàn)證ADS-B信號(hào)檢測(cè)與解碼算法是否正常工作，如圖2所示。

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圖2. ADS-B算法驗(yàn)證的硬件設(shè)置

利用IIO系統(tǒng)對(duì)象驗(yàn)證MATLAB ADS-B算法
為了利用從AD-FMCOMMS3-EBZ SDR平臺(tái)獲得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驗(yàn)證MATLAB ADS-B解碼算法，開發(fā)了一個(gè)MATLAB腳本來執(zhí)行如下操作：

根據(jù)用戶輸入計(jì)算地球帶

創(chuàng)建并配置IIO系統(tǒng)對(duì)象

通過IIO系統(tǒng)對(duì)象配置AD-FMCOMMS3-EBZ模擬前端和數(shù)字模塊

利用IIO系統(tǒng)對(duì)象從SDR平臺(tái)接收數(shù)據(jù)幀

檢測(cè)并解碼ADS-B數(shù)據(jù)

顯示解碼的ADS-B信息

構(gòu)建IIO系統(tǒng)對(duì)象之后，必須利用SDR系統(tǒng)的IP地址、目標(biāo)設(shè)備名稱、輸入/輸出通道的大小和數(shù)目對(duì)其進(jìn)行配置。圖3給出了一個(gè)創(chuàng)建并配置MATLAB IIO系統(tǒng)對(duì)象的例子。

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圖3. MATLAB IIO系統(tǒng)對(duì)象的創(chuàng)建和配置

然后，利用IIO系統(tǒng)對(duì)象設(shè)置AD9361屬性并接收ADS-B信號(hào)。AD9361屬性基于以下考量而設(shè)置：

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圖4. MATLAB libiio設(shè)置AD9361屬性

利用基于AD9361的平臺(tái)，采樣速率相當(dāng)容易確定。發(fā)送數(shù)據(jù)速率一般等于接收數(shù)據(jù)速率，最終取決于基帶算法。本例中，解碼算法是針對(duì)12.5 MSPS的采樣速率而設(shè)計(jì)，AD9361采樣速率據(jù)此設(shè)置。這樣，接收到的樣本便可直接應(yīng)用于解碼算法，無需其它抽取或插值操作。

RF帶寬控制設(shè)置AD9361 RX模擬基帶低通濾波器的帶寬，以提供抗混疊和帶外信號(hào)抑制。為了成功解調(diào)收到的信號(hào)，系統(tǒng)必須最大程度地提高信噪比 (SNR)。因此，在滿足平坦度和帶外抑制要求的同時(shí)，RF帶寬必須設(shè)置得盡可能窄，以使帶內(nèi)噪聲和雜散信號(hào)電平最小。如果RF帶寬設(shè)置得較寬，ADC線性動(dòng)態(tài)范圍就會(huì)因?yàn)轭~外的噪聲而縮小。同樣，ADC無雜散動(dòng)態(tài)范圍也會(huì)因?yàn)檩^低的帶外信號(hào)抑制而縮小，導(dǎo)致接收器的整體動(dòng)態(tài)范圍縮小。因此，將RF帶寬設(shè)置為最優(yōu)值對(duì)于接收所需的帶內(nèi)信號(hào)并抑制帶外信號(hào)非常重要。通過觀察接收信號(hào)的頻譜，我們發(fā)現(xiàn)4 MHz是一個(gè)合適的RF帶寬值。

除了通過RF帶寬屬性設(shè)置AD9361的模擬濾波器之外，我們還可以通過IIO系統(tǒng)對(duì)象使能AD9361的數(shù)字FIR濾波器以改善解碼性能，如圖5所示。根據(jù)ADS-B信號(hào)的頻譜特性，我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)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，我們就能進(jìn)一步聚焦于目標(biāo)帶寬。

圖5. 通過libiio使能AD9361的適當(dāng)FIR濾波器

Adsb.ftr文件包含F(xiàn)IR濾波器的系數(shù)，該FIR濾波器利用ADI公司AD9361濾波器向?qū)ATLAB應(yīng)用程序設(shè)計(jì)8。此工具不僅能完成通用低通濾波器設(shè)計(jì)，還能為信號(hào)路徑中的其它級(jí)提供幅度和相位均衡。

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圖6. 利用MATLAB AD9361濾波器向?qū)гO(shè)計(jì)的用于ADS-B信號(hào)的FIR濾波器

多功能且高度可配置的AD9361收發(fā)器具有多種增益控制模式，適合很多不同的應(yīng)用。IIO系統(tǒng)對(duì)象的Gain Mode（增益模式）參數(shù)選擇可用模式之一：manual、slow_attack、hybrid和fast_attack。最常用的模式是manual、slow_attack和fast_attack。Manual增益控制模式允許基帶處理器 (BBP) 控制增益。Slow_attack模式主要用于慢速變化的信號(hào)，fast_attack模式主要用于"突發(fā)"開啟和關(guān)閉的波形。增益模式在很大程度上取決于接收信號(hào)的強(qiáng)度。如果信號(hào)太強(qiáng)或太弱，建議使用manual或slow_attack模式。否則，fast_attack是不錯(cuò)的選擇。ADS-B信號(hào)具有突發(fā)性，因此fast_ attack增益模式可實(shí)現(xiàn)最佳效果。這種波形要求使用fast_attack模式，因?yàn)槠浯嬖谇巴酱a，并且AGC需要以足夠快的速度響應(yīng)以便捕捉第一位。沒有信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)時(shí)間（增益斜坡下降所需的時(shí)間）與衰減時(shí)間（提高增益所需的時(shí)間）存在差異。目標(biāo)是快速調(diào)低增益，以便能在第一位看到一個(gè)有效的1，但不提高位時(shí)間之間的增益。

最后，根據(jù)您對(duì)TX_LO_FREQ和RX_LO_FREQ的設(shè)置，該模型有兩種使用方式：使用預(yù)先捕捉的數(shù)據(jù)（RF回送）和使用從空中獲得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

預(yù)先捕捉數(shù)據(jù)
這種情況下，我們利用AD-FMCOMMS3-EBZ發(fā)送和接收預(yù)先捕捉到的一些ADS-B信號(hào)。這些信號(hào)保存在一個(gè)名為"newModeS"的變量中。

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圖7. 利用預(yù)先捕捉的ADS-B信號(hào)定義輸入

這種情況要求TX_LO_FREQ = RX_LO_FREQ，它可以是AD-FMCOMMS3-EBZ支持的任意LO頻率值。預(yù)先捕捉的數(shù)據(jù)中有大量ADS-B有效數(shù)據(jù)，因此，這是驗(yàn)證硬件設(shè)置是否合適的好方法。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)
這種情況下，我們接收空中的實(shí)時(shí)ADS-B信號(hào)，而不是AD-FMCOMMS3-EBZ發(fā)送的信號(hào)。根據(jù)ADS-B規(guī)范，它以1090 MHz的中心頻率發(fā)送，因此，這種情況的要求是：

RX_LO_FREQ=1090 MHz，TX_LO_FREQ遠(yuǎn)離1090 MHz，以免產(chǎn)生干擾。

在接收側(cè)使用一根適當(dāng)?shù)?a target="_blank">天線，它能覆蓋1090 MHz頻段，例如ADS-B雙半波移動(dòng)天線9；使用調(diào)諧不佳或制作不良的天線會(huì)導(dǎo)致空中雷達(dá)探測(cè)距離不夠。

一切設(shè)置妥當(dāng)之后，使用如下命令便可運(yùn)行MATLAB模型：

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

其中，ip為FPGA板的IP地址，data source指定接收信號(hào)的數(shù)據(jù)源。目前，該模型支持"預(yù)先捕捉"的數(shù)據(jù)源和"實(shí)時(shí)"數(shù)據(jù)源。 Channel指定信號(hào)是利用AD-FMCOMMS3-EBZ的通道1還是通道2進(jìn)行接收。

例如，發(fā)出以下命令時(shí)，系統(tǒng)將通過通道2接收預(yù)先捕捉的數(shù)據(jù)：

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

在仿真結(jié)束時(shí)，您會(huì)得到兩個(gè)通道的RSSI值以及下表所示的結(jié)果：

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圖8. 仿真結(jié)束時(shí)顯示的結(jié)果表格

此結(jié)果表格顯示了仿真期間出現(xiàn)的航空器信息。借助適當(dāng)?shù)奶炀€，此模型利用AD-FMCOMMS3-EBZ能夠捕捉并解碼80英里范圍內(nèi)的航空器信號(hào)。S模式消息有兩類（56 μs和112 μs），因此，某些消息包含的信息比其它消息要多。

利用實(shí)際ADS-B信號(hào)測(cè)試此模型時(shí)，解碼能否成功，信號(hào)強(qiáng)度非常重要，務(wù)必把天線放在對(duì)準(zhǔn)航空器的良好位置上。接收信號(hào)強(qiáng)度可通過查看兩個(gè)通道的RSSI值來了解。例如，若通過通道2接收信號(hào)，通道2的RSSI應(yīng)顯著高于通道1的RSSI。通過查看頻譜分析儀，可以判斷是否存在有用數(shù)據(jù)。

RF信號(hào)質(zhì)量
任何RF信號(hào)都需要一個(gè)質(zhì)量指標(biāo)。例如，對(duì)于QPSK等信號(hào)，我們有誤差矢量幅度 (EVM)。對(duì)于ADS-B信號(hào)，查看分隔器輸出還不足以獲得正確消息，如圖8所示。我們需要一個(gè)指標(biāo)來定義ADS-B/脈沖位置調(diào)制的質(zhì)量，以便判斷哪種設(shè)置更好。

ModeS_BitDecode4.m函數(shù)中有一個(gè)變量diffVals，它就可以用作這樣的指標(biāo)。此變量是一個(gè)112 × 1矢量。對(duì)于一條S模式消息中的每個(gè)解碼位，它都會(huì)顯示該位距離閾值有多遠(yuǎn)。也就是說，每個(gè)解碼位相對(duì)于正確判斷有多少裕量。顯而易見，一個(gè)位的裕量越大，解碼結(jié)果的置信度就越高。另一方面，若裕量很小，則意味著判斷處于邊緣區(qū)，解碼位很有可能是錯(cuò)誤的。

下面兩幅圖比較了有和沒有FIR濾波器兩種情況下從ADS-B接收器獲得的diffVals值。注意y軸，我們發(fā)現(xiàn)，使用FIR濾波器時(shí)，無論處于最高點(diǎn)、最低點(diǎn)還是平均值，diffVals都較大。然而，當(dāng)沒有FIR濾波器時(shí)，幾個(gè)位的diffVals都非常接近0，意味著解碼結(jié)果可能不正確。因此，我們可以得出結(jié)論，使用適當(dāng)?shù)腇IR濾波器可改善解碼的信號(hào)質(zhì)量。

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圖9. 使用FIR濾波器時(shí)從ADS-B接收器獲得的diffVals值

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圖10. 無FIR濾波器時(shí)從ADS-B接收器獲得的diffVals值

采用IIO系統(tǒng)對(duì)象的MATLAB ADS-B算法可從ADI GitHub庫(kù)下載10。

利用IIO系統(tǒng)對(duì)象驗(yàn)證Simulink ADS-B算法
Simulink模型基于本系列文章第二部分介紹的模型2。解碼器和解碼模塊直接來自該模型，我們?cè)黾恿薙imulink IIO系統(tǒng)對(duì)象以開展信號(hào)接收和硬件在環(huán)仿真。

原始模型以采樣時(shí)間 = 1且?guī)笮?= 1的設(shè)置工作。然而，Simulink IIO系統(tǒng)對(duì)象以緩沖模式工作，它會(huì)積累若干樣本，然后進(jìn)行處理。為了讓原始模型配合系統(tǒng)對(duì)象工作，我們?cè)谄溟g增加了兩個(gè)模塊：解除緩沖以使幀大小 = 1，轉(zhuǎn)換速率以使采樣時(shí)間 = 1。這樣，原始模型便可保持不變。

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圖11. Simulink模型捕捉和解碼ADS-B信號(hào)

Simulink IIO系統(tǒng)對(duì)象設(shè)置如下。與MATLAB實(shí)例相同，它創(chuàng)建一個(gè)系統(tǒng)對(duì)象，然后定義與此系統(tǒng)對(duì)象相關(guān)的IP地址、設(shè)備名稱、輸入/輸出通道數(shù)目和大小。

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圖12. Simulink IIO系統(tǒng)對(duì)象

與IIO系統(tǒng)對(duì)象相對(duì)應(yīng)，此Simulink模塊的輸入輸出端口通過對(duì)象模塊的屬性對(duì)話框以及目標(biāo)ADI SDR平臺(tái)特定的配置文件來定義。輸入和輸出端口按數(shù)據(jù)和控制端口分類。數(shù)據(jù)端口以幀處理模式發(fā)送（接收）連續(xù)數(shù)據(jù)緩沖至（自）目標(biāo)系統(tǒng)，而控制端口則用于配置和監(jiān)控不同的目標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)。數(shù)據(jù)端口的數(shù)目和大小通過該模塊的配置對(duì)話框進(jìn)行配置，而控制端口則在配置文件中定義。AD9361屬性設(shè)置所依據(jù)的因素與MATLAB模型所述相同。MATLAB模型運(yùn)用的所有理論和方法在這里都適用。

根據(jù)您對(duì)TX_LO_FREQ和RX_LO_FREQ的設(shè)置，Simulink模型有兩種運(yùn)行模式：使用預(yù)先捕捉的數(shù)據(jù)"DataIn"和使用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。以預(yù)先捕捉的數(shù)據(jù)為例，在仿真結(jié)束時(shí)，我們可以在命令窗口中看到如下結(jié)果：

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圖13. 使用預(yù)先捕捉數(shù)據(jù)的仿真結(jié)束時(shí)在命令窗口中顯示的結(jié)果

這里的結(jié)果以文本格式顯示，而不像在MATLAB模型中以表格形式顯示。

采用IIO系統(tǒng)對(duì)象的Simulink ADS-B模型可從ADI GitHub庫(kù)下載11。11

結(jié)論
本文討論了利用ADI公司提供的libiio基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行的硬件在環(huán)仿真。采用這種基礎(chǔ)設(shè)施，便可利用實(shí)際信號(hào)和硬件驗(yàn)證MATLAB和Simulink ADS-B信號(hào)檢測(cè)與解碼算法。屬性設(shè)置高度依賴于應(yīng)用和波形，適合一個(gè)波形的設(shè)置并不一定適合另一個(gè)波形。這是關(guān)鍵的一步，可確保SDR系統(tǒng)的模擬前端和數(shù)字模塊針對(duì)目標(biāo)算法和波形調(diào)諧妥當(dāng)，并且算法足夠魯棒，對(duì)于不同環(huán)境條件下獲得的實(shí)際數(shù)據(jù)，它都能像預(yù)期的那樣處理。有了經(jīng)過驗(yàn)證的算法之后，便可開始下一步，即利用MathWorks代碼自動(dòng)生成工具將算法轉(zhuǎn)換為HDL和C代碼，并將此代碼集成到實(shí)際SDR系統(tǒng)的可編程邏輯和軟件當(dāng)中。本系列文章的下一部分將說明如何生成代碼并將其部署到生產(chǎn)硬件中，還會(huì)談?wù)勗撈脚_(tái)在機(jī)場(chǎng)利用實(shí)際ADS-B信號(hào)運(yùn)行所獲得的結(jié)果。這樣便介紹完了SDR系統(tǒng)從原型開發(fā)到生產(chǎn)的所有步驟。

參考文獻(xiàn)

1Andrei Cozma、Di Pu和Tom Hill。"快速通往量產(chǎn)的四個(gè)步驟：利用基于模型的設(shè)計(jì)開發(fā)軟件定義無線電—第一部分"。模擬對(duì)話，第49卷第3期，2015年。

2Mike Donovan、Andrei Cozma和Di Pu。"快速通往量 產(chǎn)的四個(gè)步驟：利用基于模型的設(shè)計(jì)開發(fā)軟件定義無線電—第二部分"?模擬對(duì)話，第49卷第3期，2015年。

3ADI公司。"IIO系統(tǒng)對(duì)象"。

4MathWorks。"什么是系統(tǒng)對(duì)象？"

5ADI公司，"Mathworks_tools"。GitHub庫(kù)

6ADI公司。AD-FMCOMMS3-EBZ用戶指南。

7ZedBoard。

8ADI公司。MATLAB AD9361濾波器設(shè)計(jì)向?qū)А?/p>

9。

10采用IIO系統(tǒng)對(duì)象源代碼的MATLAB ADS-B算法。

11采用IIO系統(tǒng)對(duì)象源代碼的Simulink ADS-B模型。

作者
Di Pu [di.pu@analog.com]是ADI公司系統(tǒng)建模應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)支持軟件定義無線電平臺(tái)和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。她與MathWorks密切合作解決雙方共同客戶的難題。加入ADI公司之前，她于2007年獲得南京理工大學(xué) (NJUST) 電氣工程學(xué)士學(xué)位，于2009年和2013年分別獲得伍斯特理工學(xué)院 (WPI) 電氣工程碩士學(xué)位和博士學(xué)位。她是WPI 2013年博士論文Sigma Xi研究獎(jiǎng)獲得者。

Andrei Cozma[andrei.cozma@analog.com]是ADI公司工程設(shè)計(jì)經(jīng)理，負(fù)責(zé)支持系統(tǒng)級(jí)參考設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。他擁有工業(yè)自動(dòng)化與信息技術(shù)學(xué)士學(xué)位及電子與電信博士學(xué)位。他參與過電機(jī)控制、工業(yè)自動(dòng)化、軟件定義無線電和電信等不同行業(yè)領(lǐng)域的項(xiàng)目設(shè)計(jì)與開發(fā)。