推动现代化空中交通管制 全球逐渐导入ADS-B
由民航机所发送出来的自动相关监视广播(ADS-B),提供容易取得的无线电讯号,可用来展示基于与Xilinx Zynx-7000 All Programmable SoC连接的AD9361的快速原型建构流程。
民航机使用ADS-B传送器向空中交通管制者(Air Traffic Controllers)报告它们的位置、速度、高度及飞机标识符,其飞行数据格式是定义于国际民航组织(ICAO)的S模式扩展电文(Mode S Extended Squitter)标准中。目前ADS-B正在全球各地导入中,以推进空中交通管制及防撞系统的现代化。除了欧洲已正式采用外,美国也正在逐步普及中。
S模式扩展电文标准提供RF传送格式与编码数据字段的细节,而转发器(Transponder)的传送具有以下的特性:
.传送频率:1090MHz
.调变:脉冲位置调变(PPM)
.数据速率:1Mbit/s
.讯息长度:56微秒(μs)或112μs
.24位CRC检查总和(Checksum)
RF收发器AD9361能涵盖整个调谐频率(Tuning Frequency)及带宽,而收到的I/Q取样值,可透过多种的软件或嵌入式平台选项,来加以侦测及解碼。
本文将讨论如何使用基于AD9361的接收平台,来补捉这些S模式讯号,然后再透过MATLAB及Simulink来开发能够译码这些讯息的算法。此算法的最终开发目标,在于能将解决方案布局到Zynq SoC平台上,例如Avnet的PicoZed SDR模块化系统(SoM)。
克服四大挑战 助S模式接收/译码讯息S模式讯息短为56μs,长则可达112μs。短讯息包含讯息类型、飞机标识符、以及一循环冗余检测(CRC)检查总和,长讯息则还包含高度、位置、速度及飞行状态。但不论是何者,S模式传送都是以8μs前置讯号(Preamble)为开始,接收器可使用此前置讯号的式样(Preamble Pattern)得知有效讯息正要被传送,此前置讯号式样还可协助接收器判断讯息的位何时开始。相关细节请参考图1。
图1 S模式讯息的架构
S模式的波形相当简单,但要成功地接收及译码被传送的讯息,还是有一些挑战须要克服。
一、接收环境通常包含非常短且穿插长闲置期间(Idle Period)的讯息,而当发射讯息的飞机与接收器的距离很远时,接收到的讯号还可能会相当地微弱。
由于旧(Legacy)波形也是以1090MHz来传送,因此接收器必须利用前置讯号,在拥塞的频带中辨识出高与低振幅的S模式传送。
二、在每一个1μs的位期间内,位有两种可能的式样。逻辑1为第一个1/2μs为ON,而第二个1/2μs为OFF。逻辑0则是第一个1/2μs为OFF,而第二个1/2μs为ON。由于位是以时基式样(TIme-based Patterns)来进行判定,接收器必须使用前置讯号来正确地找出讯息位开始时的I/Q取样。
三、S模式讯息是由八十八个信息位及二十四个检查总和位所组成。接收器必须能清除缓存器、判定位、计算检查总和、并在正确的时间点读取检查总和缓存器。时序控制对于接收器的正常动作而言是必要的。
四、对于嵌入式设计来说,译码处理必须以一个取样接一个取样的方式来进行。将大量的批处理用数据储存起来,对于嵌入式系统而言,并非切合实际的接收器设计。
将AD9361这类功能强大的RF前端,与MATLAB这类技术运算语言加以结合,能减化侦测及译码这些传送数据的相关问题。MATLAB及Signal Processing Toolbox所提供的功能,可用来辨识同步式样(Sync Pattern)、计算噪声基准 (Noise Floor)、判定位以及计算检查总和。MATLAB中的条件型(CondiTIonal)及执行控制(ExecuTIon Control)功能,可简化控制逻辑。测试数据的取得相当容易,包括从二进制或文字格式的档案,或是也可使用AD9361SDR平台直接串流入MATLAB。最后,MATLAB的解译特性(Interpreted Nature)有助于与数据之间的互动、尝试不同的方法,以及以互动方式开发出解决方案。
MATLAB中S模式接收器算法模型化与验证
设计接收器算法的第一步,是取得一些资源数据(Source Data)。由于目前许多飞机都配备有S模式的转发器,因此可以只调整接收器到1090MHz的广播频率,即可接收到本地传送。举例来说,可以使用Zynq SDR快速原型平台。
ADI提供的MATLAB System Object,可以透过以太网络从FMCOMMS平台接收资料。
System Object能够让用户可以选择谐调频率以及取样率、使用无线电硬件收集接收取样值、并且可以将接收到的取样值直接带入MATLAB的工作区中以作为MATLAB变量。
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