推動現代化空中交通管制　全球逐漸導入ADS-B

由民航機所發送出來的自動相關監視廣播(ADS-B)，提供容易取得的無線電訊號，可用來展示基于與Xilinx Zynx-7000 All Programmable SoC連接的AD9361的快速原型建構流程。

民航機使用ADS-B傳送器向空中交通管制者(Air Traffic Controllers)報告它們的位置、速度、高度及飛機標識符，其飛行數據格式是定義于國際民航組織(ICAO)的S模式擴展電文(Mode S Extended Squitter)標準中。目前ADS-B正在全球各地導入中，以推進空中交通管制及防撞系統的現代化。除了歐洲已正式采用外，美國也正在逐步普及中。

S模式擴展電文標準提供RF傳送格式與編碼數據字段的細節，而轉發器(Transponder)的傳送具有以下的特性：

．傳送頻率：1090MHz
．調變：脈沖位置調變(PPM)
．數據速率：1Mbit/s
．訊息長度：56微秒(μs)或112μs
．24位CRC檢查總和(Checksum)

RF收發器AD9361能涵蓋整個調諧頻率(Tuning Frequency)及帶寬，而收到的I/Q取樣值，可透過多種的軟件或嵌入式平臺選項，來加以偵測及解碼。

本文將討論如何使用基于AD9361的接收平臺，來補捉這些S模式訊號，然后再透過MATLAB及Simulink來開發能夠譯碼這些訊息的算法。此算法的最終開發目標，在于能將解決方案布局到Zynq SoC平臺上，例如Avnet的PicoZed SDR模塊化系統(SoM)。

克服四大挑戰　助S模式接收/譯碼訊息

S模式訊息短為56μs，長則可達112μs。短訊息包含訊息類型、飛機標識符、以及一循環冗余檢測(CRC)檢查總和，長訊息則還包含高度、位置、速度及飛行狀態。但不論是何者，S模式傳送都是以8μs前置訊號(Preamble)為開始，接收器可使用此前置訊號的式樣(Preamble Pattern)得知有效訊息正要被傳送，此前置訊號式樣還可協助接收器判斷訊息的位何時開始。相關細節請參考圖1。

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圖1　S模式訊息的架構

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S模式的波形相當簡單，但要成功地接收及譯碼被傳送的訊息，還是有一些挑戰須要克服。

一、接收環境通常包含非常短且穿插長閑置期間(Idle Period)的訊息，而當發射訊息的飛機與接收器的距離很遠時，接收到的訊號還可能會相當地微弱。

由于舊(Legacy)波形也是以1090MHz來傳送，因此接收器必須利用前置訊號，在擁塞的頻帶中辨識出高與低振幅的S模式傳送。

二、在每一個1μs的位期間內，位有兩種可能的式樣。邏輯1為第一個1/2μs為ON，而第二個1/2μs為OFF。邏輯0則是第一個1/2μs為OFF，而第二個1/2μs為ON。由于位是以時基式樣(Time-based Patterns)來進行判定，接收器必須使用前置訊號來正確地找出訊息位開始時的I/Q取樣。

三、S模式訊息是由八十八個信息位及二十四個檢查總和位所組成。接收器必須能清除緩存器、判定位、計算檢查總和、并在正確的時間點讀取檢查總和緩存器。時序控制對于接收器的正常動作而言是必要的。

四、對于嵌入式設計來說，譯碼處理必須以一個取樣接一個取樣的方式來進行。將大量的批處理用數據儲存起來，對于嵌入式系統而言，并非切合實際的接收器設計。

將AD9361這類功能強大的RF前端，與MATLAB這類技術運算語言加以結合，能減化偵測及譯碼這些傳送數據的相關問題。MATLAB及Signal Processing Toolbox所提供的功能，可用來辨識同步式樣(Sync Pattern)、計算噪聲基準 (Noise Floor)、判定位以及計算檢查總和。MATLAB中的條件型(Conditional)及執行控制(Execution Control)功能，可簡化控制邏輯。測試數據的取得相當容易，包括從二進制或文字格式的檔案，或是也可使用AD9361SDR平臺直接串流入MATLAB。最后，MATLAB的解譯特性(Interpreted Nature)有助于與數據之間的互動、嘗試不同的方法，以及以互動方式開發出解決方案。

MATLAB中S模式接收器算法模型化與驗證

設計接收器算法的第一步，是取得一些資源數據(Source Data)。由于目前許多飛機都配備有S模式的轉發器，因此可以只調整接收器到1090MHz的廣播頻率，即可接收到本地傳送。舉例來說，可以使用Zynq SDR快速原型平臺。

ADI提供的MATLAB System Ｏbject，可以透過以太網絡從FMCOMMS平臺接收資料。

System Object能夠讓用戶可以選擇諧調頻率以及取樣率、使用無線電硬件收集接收取樣值、并且可以將接收到的取樣值直接帶入MATLAB的工作區中以作為MATLAB變量。