基于AD9361补捉S模式讯号并通过MATLAB及Simulink来开发译码讯息的算法

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。