《電子技術(shù)應(yīng)用》
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航管二次雷達(dá)射頻切換單元FPGA實(shí)現(xiàn)
伍遠(yuǎn)超 舒 濤 黃立星
摘要: 為適應(yīng)中國(guó)民航對(duì)單脈沖二次雷達(dá)的雙機(jī)熱備份功能要求,采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA),,并使用硬件描述語(yǔ)言對(duì)可擦除可編程邏輯器件(EPLD)進(jìn)行編程控制,,以實(shí)現(xiàn)單脈沖二次雷達(dá)切換單元的主要功能:響應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)的切換命令,當(dāng)設(shè)備故障時(shí)自動(dòng)或者手動(dòng)地切換到非故障機(jī)柜,,使雷達(dá)連續(xù)地輸出航跡數(shù)據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列的運(yùn)用增強(qiáng)了射頻切換單元控制的靈活性與可靠性,大大提高系統(tǒng)的檢測(cè)性能與處理性能,。
Abstract:
Key words :

引言
    二次雷達(dá)也叫做空管雷達(dá)信標(biāo)系統(tǒng)(Air TrafficControl Radar Beacon System,ATCRBS),。它最初是在空戰(zhàn)中為了使雷達(dá)分辨出敵我雙方的飛機(jī)而發(fā)展的敵我識(shí)別系統(tǒng),,當(dāng)把這個(gè)系統(tǒng)的基本原理和部件經(jīng)過(guò)發(fā)展后用于民航的空中交通管制后,就成了二次雷達(dá)系統(tǒng),。二次雷達(dá)是在地面站和目標(biāo)應(yīng)答器的合作下,,采用問(wèn)答方式工作,它必須經(jīng)過(guò)兩次有源輻射電磁波信號(hào)才能完成應(yīng)有的功能,。
    單脈沖二次雷達(dá)是按照雷達(dá)方位角度定位體制的不同而定義的,,有別于常規(guī)的二次監(jiān)視雷達(dá)。常規(guī)二次監(jiān)視雷達(dá)實(shí)現(xiàn)一個(gè)目標(biāo)定位需要利用雷達(dá)定向主波瓣中對(duì)這個(gè)目標(biāo)的所有應(yīng)答,而單脈沖二次雷達(dá)理論上只需要利用一次詢問(wèn)的應(yīng)答即能準(zhǔn)確定位,。單脈沖技術(shù)應(yīng)用于二次雷達(dá),,使對(duì)目標(biāo)的測(cè)量可以方便的基于多個(gè)波束,有效地增加了數(shù)據(jù)冗余度,,提高了角度測(cè)量的精度,。對(duì)應(yīng)答處理而言,單脈沖技術(shù)的應(yīng)用,,大大提高了在混疊或交織情況下對(duì)應(yīng)答碼的解碼能力,,使單脈沖二次雷達(dá)與常規(guī)二次雷達(dá)相比實(shí)現(xiàn)了一次質(zhì)的飛躍。
    國(guó)內(nèi)自主研發(fā)航管二次雷達(dá)在近10年間才開(kāi)始,,落后于國(guó)外20世紀(jì)80年代就發(fā)展起來(lái)的二次雷達(dá)系統(tǒng)?,F(xiàn)今國(guó)內(nèi)主要民用機(jī)場(chǎng)使用的二次雷達(dá)大多使用的是國(guó)外設(shè)備。如美國(guó)Raytheon二次雷達(dá),,意大利Alenia二次雷達(dá),,日本東芝雷達(dá)。在中央大力提倡國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的政策下,,國(guó)內(nèi)的一些廠家也緊跟國(guó)外技術(shù)開(kāi)始研發(fā)屬于中國(guó)的二次雷達(dá)及其終端顯示系統(tǒng),。
    民航航管系統(tǒng)的基本要求是安全、迅速和有秩序地將乘客和貨物從某一地點(diǎn)空運(yùn)到另一指定地點(diǎn),??罩薪煌ü苤凭褪菫檫_(dá)到此目的而建立的重要服務(wù)體系。為了滿足民航系統(tǒng)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)可靠性的要求,,雷達(dá)的設(shè)計(jì)采用了雙通道熱備份設(shè)計(jì),,目的是在當(dāng)前通道故障的
情況下,保證航跡輸出的連續(xù)性,,雙通道之間的切換單元在監(jiān)控計(jì)算機(jī)命令下迅速切換,。

1 射頻切換系統(tǒng)組成
   
單脈沖二次雷達(dá)應(yīng)答信號(hào)處理的基本流程如圖1所示。


    在射頻切換系統(tǒng)中,,切換控制板接收監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)出的切換命令,,當(dāng)確認(rèn)要求進(jìn)行切換時(shí),通過(guò)切換控制板向切換開(kāi)關(guān)發(fā)出切換信號(hào),,實(shí)現(xiàn)對(duì)三路射頻信號(hào)與兩個(gè)通道間的切換,,三路(∑,△,,Ω)開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)一致,,即同時(shí)工作在A通道或同時(shí)工作在B通道,三路開(kāi)關(guān)的狀態(tài)隨時(shí)通過(guò)控制電纜以TTL差分方式送給數(shù)據(jù)處理,。根據(jù)二次雷達(dá)的技術(shù)指標(biāo),,射頻開(kāi)關(guān)的耐峰值功率大于2.5 kW,,耐平均功率大于20 W。
在設(shè)計(jì)中,,選擇了射頻開(kāi)關(guān)TN6K31,,該開(kāi)關(guān)有足夠的頻寬和線性,確保信號(hào)不失真,,插入損耗小于0.3 dB,,通道隔離度大于70 dB,滿足雷達(dá)系統(tǒng)的指標(biāo),。
    射頻切換系統(tǒng)中切換控制單元的原理如圖2所示,。


    在射頻切換系統(tǒng)的控制電路中,選用Lattice公司的EPLD作為主處理芯片(ispLS11032E),,該芯片有64個(gè)I/O端,,8個(gè)指定輸入端,6 000個(gè)邏輯門,,192個(gè)寄存器,,最大時(shí)延小于等于12 ns,通過(guò)簡(jiǎn)單的5線接口,,即可用PC機(jī)對(duì)線路板上菊花鏈結(jié)構(gòu)的最多8個(gè)芯片進(jìn)行編程,。
    切換開(kāi)關(guān)工作原理為:A通道輸入選通控制脈沖時(shí),如當(dāng)前開(kāi)關(guān)工作在A通道,,則維持在A通道,,不作切換;如當(dāng)前開(kāi)關(guān)工作在B通道,,則切換到A通道,。同樣,B通道輸入選通控制脈沖時(shí),,如當(dāng)前開(kāi)關(guān)工作在B通道,,則維持在B通道,,不作切換,;如當(dāng)前開(kāi)關(guān)工作在A通道,則切換到B通道,。即同時(shí)工作在A通道或同時(shí)工作在B通道,,三路開(kāi)關(guān)的狀態(tài)隨時(shí)通過(guò)控制電纜以TTL差分方式送給數(shù)據(jù)處理。
    在射頻切換控制板中信號(hào)流程如下:監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)出的差分切換脈沖經(jīng)差分接收器接收后,,進(jìn)入可編程EPLD,,在EPLD內(nèi)利用硬件語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了對(duì)切換脈沖的濾波、脈沖判斷,、框架判斷等,,確認(rèn)該信號(hào)為計(jì)算機(jī)切換命令而不是外來(lái)干擾后,,發(fā)出切換信號(hào)到驅(qū)動(dòng)單元,切換信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)單元到開(kāi)關(guān)TN6K31的控制端,,實(shí)現(xiàn)切換動(dòng)作,。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的具體細(xì)節(jié)
2.1 信號(hào)濾波與毛刺抑制
   
二次雷達(dá)監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)出的通道切換信號(hào)是脈沖編碼信號(hào)。由于雷達(dá)工作電磁環(huán)境復(fù)雜,,所以在系統(tǒng)內(nèi)部要判斷該信號(hào)是否為于擾信號(hào),,在系統(tǒng)中首先進(jìn)行切換信號(hào)前、后沿的提取,,將切換信號(hào)輸入兩個(gè)寄存器,,加以門電路實(shí)現(xiàn),如圖3所示,。


    LE與TE分別切換信號(hào)的前沿與后沿,,在經(jīng)過(guò)一系列寄存器,使前沿與后沿分別用觸發(fā)器進(jìn)行延時(shí),,根據(jù)前沿與后沿間間隔可以判斷出脈沖的寬度,,對(duì)于不符合切換條件的毛刺與噪聲進(jìn)行抑制。
2.2 框架檢測(cè)
   
正常情況下,,監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)出的切換脈沖的兩個(gè)脈沖的間隔為20 ms,,在切換控制系統(tǒng)中使用的時(shí)鐘為8.276 MHz,因此,,一個(gè)切換命令的兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔就認(rèn)為兩個(gè)前沿間有167,,168或169個(gè)時(shí)鐘周期。在該系統(tǒng)中,,脈沖編碼的檢測(cè)是根據(jù)比較延時(shí)的前沿與非延時(shí)情況下的重合情況,,延時(shí)的前沿對(duì)應(yīng)于框架脈沖F1,非延時(shí)的前沿對(duì)應(yīng)脈沖F2,,F(xiàn)1相對(duì)于F2延時(shí)20ms,,由于F2相對(duì)于F1有三個(gè)時(shí)鐘脈沖的變化范圍,F(xiàn)2與F1的前沿延時(shí)167,,168或169個(gè)時(shí)鐘周期的任一個(gè)對(duì)齊,,都認(rèn)為是一個(gè)正確的框架??蚣軝z測(cè)示意如圖4所示,。



3 結(jié)語(yǔ)
   
雷達(dá)的發(fā)展和更新?lián)Q代不僅對(duì)雷達(dá)的性能提出了更高的要求,而且對(duì)實(shí)現(xiàn)的方式也提出了新的要求,。集成度高,、性能好、體積小已經(jīng)成為雷達(dá)設(shè)計(jì)的必然要求,。飛機(jī)密度的不斷增加,,對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的可靠性,,提出了更嚴(yán)格的要求,為了提高可靠性,,現(xiàn)代雷達(dá)使用雙機(jī)熱備份冗余設(shè)計(jì),,雙機(jī)中切換部分的可靠性關(guān)系到雷達(dá)的整體性能,用硬件設(shè)計(jì)語(yǔ)言編程EPLD方法處理二次雷達(dá)的切換信號(hào)具有很大的優(yōu)越性,。

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