引 言

　　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,?？展苋藛T利用雷達(dá)為已被識別的航空器提供管制服務(wù)，可以從雷達(dá)屏幕上看到飛機(jī)的信息參數(shù),。在航管體系中,，常規(guī)模式及S模式技術(shù)用于監(jiān)視功能，建立在獨(dú)立編址,，選擇詢問的基礎(chǔ)之上,，信息交換是通過將上行詢問內(nèi)容和下行應(yīng)答內(nèi)容進(jìn)行脈沖編碼實(shí)現(xiàn)。編碼器是整個雷達(dá)的中心,，用于產(chǎn)生整機(jī)同步信號和詢問信號,。因此，具有高優(yōu)良性能詢問機(jī)編碼器脈沖編碼信號處理技術(shù)至關(guān)重要,。同時對雷達(dá)信號處理的實(shí)時性提出了嚴(yán)格的要求,，在毫秒級的時間內(nèi)完成對應(yīng)答信號的處理，完成目標(biāo)識別,，給出目標(biāo)飛行器的信息參數(shù)；同時在設(shè)備體積,、功耗方面的嚴(yán)格要求使信號處理設(shè)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(guān)技術(shù)是當(dāng)代微電子技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物,，FPGA是一種多用途,、高密度的可重復(fù)編程邏輯門陣列。與傳統(tǒng)技術(shù)相比,，F(xiàn)PGA不僅具有設(shè)計方便,，靈活和校驗(yàn)快等特點(diǎn),，可以大大縮減研發(fā)時間，減少設(shè)計費(fèi)用,，降低設(shè)計風(fēng)險,；同時將：FPGA技術(shù)、微控制器,、雷達(dá)顯控界面結(jié)合的系統(tǒng)應(yīng)用于設(shè)計高性能的雷達(dá)信號處理機(jī),，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(shè)計的靈活性上都能適應(yīng)現(xiàn)代雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的要求,。

　　1 航管二次雷達(dá)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(dá)地面站收發(fā)系統(tǒng)由編碼器、詢問器,、接收機(jī)三部分組成,。如圖1所示，編碼器是整個雷達(dá)的中心,，它有三個作用：

　　(1)產(chǎn)生整機(jī)的同步脈沖,。它可以工作于外同步和內(nèi)同步兩種方式。當(dāng)同步脈沖工作于內(nèi)同步,，即當(dāng)二次雷達(dá)獨(dú)立工作時,，產(chǎn)生重復(fù)頻率f=150～450 Hz的整機(jī)同步信號S0。當(dāng)二次雷達(dá)和一次雷達(dá)配合工作時,，由一次雷達(dá)提供整機(jī)同步觸發(fā)信號,，即外同步時，二次雷達(dá)的重復(fù)頻率f2和一次雷達(dá)的重復(fù)頻率 f1有以下的關(guān)系：

　?、佼?dāng)150 Hz≤f2≤450 Hz時,，f2=f1；

　?、诋?dāng)450 Hz

　　③當(dāng)900 Hz

　　民航規(guī)定f2≤450 Hz,。重復(fù)頻率的選擇取決于作用距離的大小。

　　(2)產(chǎn)生各種詢問模式,。

　　發(fā)射機(jī)在詢問脈沖的調(diào)制下,，產(chǎn)生1 030 MHz的射頻脈沖，經(jīng)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(jìn)入和通道，P2進(jìn)入差通道,。接收機(jī)在將1 090 MHz的射頻應(yīng)答信號轉(zhuǎn)換成視頻信號,，送至終端裝置進(jìn)行處理。

　　1．2 編碼器同步信號S0產(chǎn)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(yīng)答天線增益,；Prmin為應(yīng)答器接收機(jī)靈敏度,；Pr為地面發(fā)射機(jī)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(yīng)答器饋線增益,。

　　詢問周期對應(yīng)S0同步信號周期。結(jié)合實(shí)際工程的參數(shù),，按照上面公式計算出詢問時間每1μs對應(yīng)的詢問距離為150 m的比例,。由人工航線監(jiān)視的二次雷達(dá)的作用距離為450 km時，對應(yīng)詢問周期為3．5 ms,；為370 km左右時,，對應(yīng)詢問周期為2．5 ms。機(jī)場終端區(qū)域Ⅲ監(jiān)視用的作用距離為140 km時,，對應(yīng)詢問周期為0．000 9 ms,。

　　1．3 編碼器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　圖2所示為編碼器信號處理框圖。它采用雷達(dá)顯控界面,、微處理器和FPGA芯片相結(jié)合的信號處理系統(tǒng),。對于編碼器的設(shè)計主要實(shí)現(xiàn)上述三個功能(見1．1小節(jié))，采用IPcore技術(shù)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(chǎn)生各模塊所需的時鐘,，依據(jù)詢問命令產(chǎn)生同步編碼信號S0。由此編碼產(chǎn)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(jìn)行實(shí)時測量,；射頻組件可對編碼信號進(jìn)行測試并產(chǎn)生線性檢波信號，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)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(guān)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(nèi)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(guān)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)?，它們之間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(zhuǎn)脈沖，用其攜帶發(fā)射數(shù)據(jù),。P6的最后24位為飛機(jī)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(zhuǎn)”信號,，提供給S模式應(yīng)答器作為始終同步，從而對后續(xù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對應(yīng)解碼,；同步相位反轉(zhuǎn)脈沖也用作應(yīng)答信號發(fā)射的時鐘參考,。詢問機(jī)通過計算同步相位反轉(zhuǎn)脈沖的發(fā)射與接收到的第一個應(yīng)答脈沖之間的時間間隔來測量飛機(jī)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(chǎn)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(jìn)的循環(huán)冗余(CRC)編碼來計算,，其多項(xiàng)式如下：

　　奇偶性在發(fā)射端計算，并與24個比特位飛機(jī)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(xiàng)式G(x)有助于錯誤探測和糾正，可以利用移位寄存器來實(shí)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(jié)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(jī)地址相加再乘以G(x)。

　　3 編碼器設(shè)計流程

　　編碼器的FPGA設(shè)計流程圖如圖5所示,。首先提取雷達(dá)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(jié)合S0產(chǎn)生原理和雷達(dá)詢問距離理論,，用計數(shù)分頻編碼產(chǎn)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(chǎn)生周期性的6種單模式(見表1)詢問信號；并且產(chǎn)生對應(yīng)的周期性提取信號,，結(jié)合交替模式產(chǎn)生相應(yīng)的編碼信號,。

　　若是S模式詢問,，設(shè)計流程是：首先產(chǎn)生S模式的前導(dǎo)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(diào)用XCV600E內(nèi)部的雙口RAM IPcore模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,，對s模式最后24 b的飛機(jī)地址數(shù)據(jù)位進(jìn)行奇偶地址校驗(yàn)編碼，校驗(yàn)規(guī)則如圖4所示,。之后再對校驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行DPSK調(diào)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(chǎn)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(chǎn)生，由雷達(dá)顯控界面人工操作改變,，對應(yīng)二次雷達(dá)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(dāng)S0的周期為3．5 ms時，其仿真結(jié)果如圖6所示,。XCV600E的FPGA時鐘為40 MHz,，產(chǎn)生周期性的S0信號。采用計數(shù)4倍,、8倍,、1O倍分頻產(chǎn)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(chǎn)生,；其次是三三交替詢問模式的產(chǎn)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(jìn)行觸發(fā),，在第一個S0周期內(nèi)產(chǎn)生詢問模式mode_1,，第二個S0周期內(nèi)產(chǎn)生詢問模式mode_2，第三個S0周期內(nèi)產(chǎn)生詢問模式mode_3 A,，第四個S0周期內(nèi)產(chǎn)生詢問模式mode_1,。按此規(guī)律周期性的產(chǎn)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(jī)產(chǎn)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(chǎn)生方式類似,。

　　4．2 S模式CRC校驗(yàn)編碼和譯碼仿真波形

　　依據(jù)S模式詢問機(jī)編碼器的P5位奇偶地址校驗(yàn)的多項(xiàng)式電路規(guī)則(見圖4),，應(yīng)用Matlab軟件建立24個D觸發(fā)器組成的移位寄存器進(jìn)行仿真。如圖7所示,，仿真結(jié)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(jī)地址(初次獲得飛機(jī)地址是由“全呼詢問”獲得該校驗(yàn)是“點(diǎn)名詢問”方式),；encode為校驗(yàn)輸出,，其序列為 “11111111101101010011010100100000000101101010000100110000”；然后把encode作為輸入按照應(yīng)答器解碼電路進(jìn)行譯碼,，譯碼結(jié)果為decode,。由此發(fā)現(xiàn)譯碼結(jié)果與原始輸入數(shù)據(jù)相同，保證了校驗(yàn)編碼設(shè)計的正確性,。

　　5 結(jié) 語

　　利用FPGA的高速運(yùn)算能力和IPcore技術(shù)設(shè)計高性能的二次雷達(dá)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(yīng)性和可控性,，而且解決了雷達(dá)信號的實(shí)時性問題,，完成了多種復(fù)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(jìn)一步節(jié)約了資源。同時利用“軟件顯控界面+FPGA+MCU”結(jié)合的架構(gòu)技術(shù)使之更容易成為微型系統(tǒng),。