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隨著航空事業(yè)的發(fā)展，空中流量的增加使空中交通管理系統(tǒng)的作用顯得非常重要。空管人員利用雷達為已被識別的航空器提供管制服務，可以從雷達屏幕上看到飛機的信息參數(shù)。在航管體系中，常規(guī)模式及S模式技術用于監(jiān)視功能，建立在獨立編址，選擇詢問的基礎之上，信息交換是通過將上行詢問內容和下行應答內容進行脈沖編碼實現(xiàn)。編碼器是整個雷達的中心，用于產生整機同步信號和詢問信號。因此，具有高優(yōu)良性能詢問機編碼器脈沖編碼信號處理技術至關重要。同時對雷達信號處理的實時性提出了嚴格的要求，在毫秒級的時間內完成對應答信號的處理，完成目標識別，給出目標飛行器的信息參數(shù)；同時在設備體積、功耗方面的嚴格要求使信號處理設備必須向小型化、智能化、可編程的趨勢發(fā)展，又要求信號處理系統(tǒng)具有高可靠性和系統(tǒng)升級的需要。 現(xiàn)場可編程邏輯器件及其相關技術是當代微電子技術迅速發(fā)展的產物，FPGA是一種多用途、高密度的可重復編程邏輯門陣列。與傳統(tǒng)技術相比，F(xiàn)PGA不僅具有設計方便，靈活和校驗快等特點，可以大大縮減研發(fā)時間，減少設計費用，降低設計風險；同時將：FPGA技術、微控制器、雷達顯控界面結合的系統(tǒng)應用于設計高性能的雷達信號處理機，可提高系統(tǒng)集成度，減小電路規(guī)模，從而提高可靠性，無論在速度、體積方面，還是在設計的靈活性上都能適應現(xiàn)代雷達信號處理系統(tǒng)的要求。 1 航管二次雷達地面詢問編碼器的工作原理 1．1 編碼器功能描述 航管二次雷達地面站收發(fā)系統(tǒng)由編碼器、詢問器、接收機三部分組成。如圖1所示，編碼器是整個雷達的中心，它有三個作用： (1)產生整機的同步脈沖。它可以工作于外同步和內同步兩種方式。當同步脈沖工作于內同步，即當二次雷達獨立工作時，產生重復頻率f=150～450 Hz的整機同步信號S0。當二次雷達和一次雷達配合工作時，由一次雷達提供整機同步觸發(fā)信號，即外同步時，二次雷達的重復頻率f2和一次雷達的重復頻率 f1有以下的關系： ①當150 Hz≤f2≤450 Hz時，f2=f1； ②當450 Hz③當900 Hz民航規(guī)定f2≤450 Hz。重復頻率的選擇取決于作用距離的大小。 (2)產生各種詢問模式。 發(fā)射機在詢問脈沖的調制下，產生1 030 MHz的射頻脈沖，經三端環(huán)形器送到天線。天線在同步脈沖的控制下，將P1，P3進入和通道，P2進入差通道。接收機在將1 090 MHz的射頻應答信號轉換成視頻信號，送至終端裝置進行處理。 1．2 編碼器同步信號S0產生原理 式中：Rlmax為最大詢問距離；λI為詢問射頻波長；GI為詢問天線增益；GR為應答天線增益；Prmin為應答器接收機靈敏度；Pr為地面發(fā)射機的發(fā)射功率；LI為三端環(huán)形器和饋線系統(tǒng)損耗；LR為應答器饋線增益。 詢問周期對應S0同步信號周期。結合實際工程的參數(shù)，按照上面公式計算出詢問時間每1μs對應的詢問距離為150 m的比例。由人工航線監(jiān)視的二次雷達的作用距離為450 km時，對應詢問周期為3．5 ms；為370 km左右時，對應詢問周期為2．5 ms。機場終端區(qū)域Ⅲ監(jiān)視用的作用距離為140 km時，對應詢問周期為0．000 9 ms。 1．3 編碼器系統(tǒng)結構 圖2所示為編碼器信號處理框圖。它采用雷達顯控界面、微處理器和FPGA芯片相結合的信號處理系統(tǒng)。對于編碼器的設計主要實現(xiàn)上述三個功能(見1．1小節(jié))，采用IPcore技術提取界面下傳數(shù)據(jù)采集和微處理器命令，采用分頻電路產生各模塊所需的時鐘，依據(jù)詢問命令產生同步編碼信號S0。由此編碼產生常規(guī)模式及其交替模式，S模式的詢問信號。可用數(shù)字示波器進行實時測量；射頻組件可對編碼信號進行測試并產生線性檢波信號，經A／D轉換后，送入 IPcore采集數(shù)字信號，并上傳至界面定性顯示波形。 2 編碼器的詢問信號格式 2．1 常規(guī)模式 按照國際民航組織的規(guī)定有六種常規(guī)詢問模式，分別稱為1，2，3／A，B，C，D模式，各種模式的P1與P2，P1與P3之間的時間關系如表1所示。 其中，1，2兩種模式專用于軍用識別詢問；3／A模式用于軍用和民用識別詢問；C模式用于高度詢問；D模式作為備用詢問模式，其詢問內容目前還在商議之中。這些詢問模式，由間隔不同的脈沖對組成，其時間關系如表1所示。其中，第一個脈沖稱為P1；第二個脈沖稱為P2；第三個脈沖稱為P3。脈沖P1， P2，P3格式為脈寬(O．8±O．1)μs，上升沿在1～5 μs之間，延遲在0．2～5μs之間。脈沖P1和P3都是通過詢問通道傳輸?shù)模鼈冎g允許不同的時間間隔。 2．2 S模式詢問信號格式 圖3表示S模式詢問格式。前兩個脈沖P1和P2的脈寬為0．8μs，間隔為2．0μs。在P2脈沖后是一個長脈沖P6，它的持續(xù)期為其脈寬，取16． 25μs或者30．25μs，其中有許多相位為反轉脈沖，用其攜帶發(fā)射數(shù)據(jù)。P6的最后24位為飛機地址，是通過全呼詢問獲得的。其中，第一個反相位于脈沖前沿后1．25μs，即P5為“同步相位反轉”信號，提供給S模式應答器作為始終同步，從而對后續(xù)的數(shù)據(jù)進行對應解碼；同步相位反轉脈沖也用作應答信號發(fā)射的時鐘參考。詢問機通過計算同步相位反轉脈沖的發(fā)射與接收到的第一個應答脈沖之間的時間間隔來測量飛機的距離。數(shù)據(jù)通過DPSK信號來發(fā)射反相位置的間隔為0．25μs，從而產生4 MHz的數(shù)據(jù)比特率。根據(jù)要求，整個發(fā)射數(shù)據(jù)的比特為56 b或者112 b。 2．3 S模式奇偶與地址 S模式P6數(shù)據(jù)位的最后奇偶24 b信息通過改進的循環(huán)冗余(CRC)編碼來計算，其多項式如下： 奇偶性在發(fā)射端計算，并與24個比特位飛機地址加入到信息中。在接收端，奇偶性再次被計算，并與信號中的奇偶和地址信息做比較，這樣可以確定信息是否發(fā)送無誤。多項式G(x)有助于錯誤探測和糾正，可以利用移位寄存器來實現(xiàn)，其電路如圖4所示。前32個比特位(或長S模式的88個比特位)無修改地發(fā)送，但在其發(fā)送時，會在移位寄存器反饋端乘以G(x)。對于最后循環(huán)反饋端探測信息的最后24 b會被斷開，并由24 b地址比特位代替。其結果就是信息的最后24 b包含了24 b的奇偶區(qū)域，并與飛機地址相加再乘以G(x)。 3 編碼器設計流程 編碼器的FPGA設計流程圖如圖5所示。首先提取雷達控制界面的控制命令，判斷出詢問模式和詢問方式(詢問交替方式)。結合S0產生原理和雷達詢問距離理論，用計數(shù)分頻編碼產生S0同步信號。 若是常規(guī)模式，在S0同步信號沿觸發(fā)下，按照軟件控制界面不同的控制命令，分別編碼產生周期性的6種單模式(見表1)詢問信號；并且產生對應的周期性提取信號，結合交替模式產生相應的編碼信號。 若是S模式詢問，設計流程是：首先產生S模式的前導脈沖P1，P2和數(shù)據(jù)位同步信號P5，然后判斷是短S模式(P5數(shù)據(jù)位56 b)，還是長S模式(P6數(shù)據(jù)位112 b)，再調用XCV600E內部的雙口RAM IPcore模塊進行數(shù)據(jù)采集，對s模式最后24 b的飛機地址數(shù)據(jù)位進行奇偶地址校驗編碼，校驗規(guī)則如圖4所示。之后再對校驗結果進行DPSK調制編碼，然后按照S模式的信號格式，在數(shù)據(jù)同步位信號P5 (見圖3)控制下，產生S模式詢問信號。 4 詢問信號的仿真波形 4．1 常規(guī)模式1：1：1交替詢問信號的仿真波形 首先是同步觸發(fā)信號S0的產生，由雷達顯控界面人工操作改變，對應二次雷達監(jiān)視的范圍不同而具有不同的周期。一般S0的周期有2．5 ms，3．5 ms，0．000 9 ms 。 當S0的周期為3．5 ms時，其仿真結果如圖6所示。XCV600E的FPGA時鐘為40 MHz，產生周期性的S0信號。采用計數(shù)4倍、8倍、1O倍分頻產生各模塊所需的時鐘。如果改變S0的周期，可用類似的方法產生；其次是三三交替詢問模式的產生。如圖6所示，在詢問控制界面中，任選6種常規(guī)模式中的3種。在同步編碼信號S0的上升沿進行觸發(fā)，在第一個S0周期內產生詢問模式mode_1，第二個S0周期內產生詢問模式mode_2，第三個S0周期內產生詢問模式mode_3 A，第四個S0周期內產生詢問模式mode_1。按此規(guī)律周期性的產生即為三三交替詢問模式。其中，S1_revert，S2_revert， S3_revert是循環(huán)狀態(tài)機產生的周期性提取信號，分別周期性提取mode 1，mode 2，mode 3 A的編碼信號，其他單模式的編碼產生方式類似。 4．2 S模式CRC校驗編碼和譯碼仿真波形 依據(jù)S模式詢問機編碼器的P5位奇偶地址校驗的多項式電路規(guī)則(見圖4)，應用Matlab軟件建立24個D觸發(fā)器組成的移位寄存器進行仿真。如圖7所示，仿真結果中以P5。為56 b為例，data為原始的P6數(shù)據(jù)信號，data為 “11111111101101010011010100100000011011111101001100001000”序列。其中，最后24 b表示飛機地址(初次獲得飛機地址是由“全呼詢問”獲得該校驗是“點名詢問”方式)；encode為校驗輸出，其序列為 “11111111101101010011010100100000000101101010000100110000”；然后把encode作為輸入按照應答器解碼電路進行譯碼，譯碼結果為decode。由此發(fā)現(xiàn)譯碼結果與原始輸入數(shù)據(jù)相同，保證了校驗編碼設計的正確性。 5 結 語 利用FPGA的高速運算能力和IPcore技術設計高性能的二次雷達地面詢問編碼器，不但在數(shù)據(jù)采集、信號編碼時具有自適應性和可控性，而且解決了雷達信號的實時性問題，完成了多種復雜信號處理的單片F(xiàn)P-GA集成，有效地解決了小電路板尺寸與大存儲空間的矛盾，從而提高了系統(tǒng)的集成性，進一步節(jié)約了資源。同時利用“軟件顯控界面+FPGA+MCU”結合的架構技術使之更容易成為微型系統(tǒng)。 |
