实施路径 - 利用MATLAB和Simulink进行S模式检测和解码

实施路径
对下述内容和Simulink模型感兴趣的读者，可在Analog Devices GitHub库中找到相关文件：

https://github.com/analogdevicesinc/MathWorks_tools/tree/master/hil_mode...

MATLAB是一个出色的环境，可让用户在PC上测试设计思想并运行算法，但如果最终目标是产生要用在嵌入式平台（例如Zynq SoC）上的软件或HDL，那么Simulink是一个不错的解决方案。Simulink非常适合针对可编程器件的硬件细化建模工作。一个很好的工作流程是先用MATLAB开发并验证算法，然后将设计转换成Simulink，沿着开发路径向前推进，直至获得最终硬件实现方案。

幸运的是，该算法的MATLAB代码是逐个样本地处理数据，因此可以相当轻松地转换为Simulink。与200行MATLAB代码相比，Simulink模型很容易显示和描述（参见图9）。

 

图9. S模式检测和解码算法的Simulink模型

在图9中，可以看到解码的第一步是计算噪底和前同步码相关性。这些计算使用数字滤波器模块。时序控制模块利用Stateflow®实现，后者是一个状态机工具，用于为解码算法的其它部分产生时序、复位和控制信号。对于想要将控制逻辑与数据流分开的模型，Stateflow非常有用。一旦激活时序和触发信号，名为BitProcess的模块便会接受I/Q输入样本并计算数据位，然后CRC_Check模块计算校验和。消息解析仍然发生在由该Simulink模型驱动的MATLAB脚本中。

深入观察该模型，可以看到令Simulink适合嵌入式开发的几个特性，尤其是针对Zynq SoC将设计划分为多个功能，以及产生HDL代码和C代码。

1.Simulink具有出色的定点支持能力，用户可以构建并测试设计的位真 (bit-true) 版本。各个模块允许用户设置模型中数学运算的字长和小数长度。用于计算前同步码相关性的数字滤波器模块就是一个很好的例子（图10）。用户可以设置计算的舍入模式和溢出行为（对于HDL中的数学运算，Floor和Wrap是最简单的选择）。此外，用户可以为产品和滤波器的累加器操作指定不同的字长和小数精度（图11）。用户可以使用映射到接收机ADC的字长选择，并且利用硬件乘法器，例如Zynq SoC的DSP48分片内部的18位× 25位乘法器。

 

图10. 用于前同步码相关性的Simulink数字滤波器模块，12位数据类型

 

图11. 定点数据类型设置

2.嵌入式设计常常具有多种工作模式和条件执行算法。Stateflow特别善于管理这些控制信号。Stateflow以可视化方式呈现S模式消息检测和解码所需的控制逻辑。在下面的图12中，可以看到逻辑中的如下状态：

SyncSearch：寻找捕获样本中的前同步码

WaitForT0：寻找第一个消息位的开始

BitProcess：启用位处理

EmptyReg：清空校验和寄存器并将这些位与位处理输出进行比较

当检测和解码算法在不同状态间流转时，Stateflow模块产生相关信号以启用位处理，复位位判定计数器和校验和寄存器，以及在S模式消息结束时读出校验和位。

 

图12. 解码S模式消息的Stateflow流程图

3.Simulink模块库中既有高度概括的模块，也有非常精细的模块，工程师可以根据需要选择使用。数字滤波器、FFT和数控振荡器等是高级模块，利用这些模块很容易构建信号处理设计。如果需要更精确地控制设计，例如针对速度或面积进行优化，工程师可以使用单位延迟、逻辑运算符（如XOR）和开关等低级模块。该模块中的24位校验和便是利用这些低级模块构建的反馈移位寄存器（图13）。

 

图13. 用于S模式校验和计算的反馈移位寄存器

该Simulink模型是用于检测和解码S模式消息的MATLAB算法的硬件化版本。Simulink是一个很有用的工具，填补了MATLAB中编写的行为算法与嵌入式硬件的实现代码之间的空白。您可以将针对硬件的细化工作引入Simulink模型，运行模型，验证您所做的变更没有破坏解码算法。

结论
Zynq SDR快速原型开发平台和MathWorks软件的结合，为通信工程师提供了一种全新且灵活的方式来将无线接收机设计理念快速变成原型。AD9361/AD9364捷变宽带RF收发器的高度可编程能力和性能，加上硬件与MATLAB环境之间的简单连接，让大量不同且有趣的无线信号可以为工程师所用。使用MATLAB的工程师可以快速尝试各种设计思想并确定有前途的解决方案。如果设计的最终目标是嵌入式处理器，工程师可以通过Simulink工具利用硬件相关主意优化设计，最终获得用于对处理编程的代码。这种工作流程可降低无线接收机设计对工程师技能的要求，缩短从概念到工作原型的开发周期。

在本系列的下一篇文章中，我们将介绍如何使用硬件在环 (HIL) 仿真来验证接收机设计，用目标收发器捕获信号，同时在Simulink中的主机上执行该信号处理系统的一个模型进行验证。

参考文献
1AD9361.Analog Devices。

2AD9364. Analog Devices。

3960-1164 MHz，美国国家电信和信息管理局。

4S模式服务和超长电文的技术规定，国际民用航空组织。

5监视和避碰系统，航空电信第IV卷，国际民用航空组织。

6Di Pu，Andrei Cozma和Tom Hill，“快速通往量产的四个步骤：利用基于模型的设计开发软件定义无线电”， Analog Dialogue第49卷。

源代码和模型链接
MATLAB S模式解码算法： https://github.com/analogdevicesinc/MathWorks_tools/blob/master/hil_mode...

Simulink S模式解码模型： https://github.com/analogdevicesinc/MathWorks_tools/tree/master/hil_mode...

致谢
感谢MathWorks公司的Mike Mulligan，他为本文示例提供了一些MATLAB代码。

作者
Mike Donovan [[e-mail]] i是MathWorks公司应用工程部门经理。他拥有巴克内尔大学电气工程学士学位和康涅狄克大学电气工程硕士学位。加入MathWorks之前，Mike开发过雷达和卫星通信系统，并在宽带电信行业工作过。

Andrei Cozma [[e-mail]]是ADI公司工程设计经理，负责支持系统级参考设计的设计与开发。他拥有工业自动化与信息技术学士学位及电子与电信博士学位。他参与过电机控制、工业自动化、软件定义无线电和电信等不同行业领域的项目设计与开发。

Di Pu [[e-mail]]是ADI公司系统建模应用工程师，负责支持软件定义无线电平台和系统的设计与开发。她与MathWorks密切合作解决双方共同客户的难题。加入ADI公司之前，她于2007年获得南京理工大学 (NJUST) 电气工程学士学位，于2009年和2013年分别获得伍斯特理工学院 (WPI) 电气工程硕士学位和博士学位。她是WPI 2013年博士论文Sigma Xi研究奖获得者。