WANG Kai，F(xiàn)AN Zhiyong，ZHOU Dexin*

(1.Aeronautical Automation College，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China; 2.Engineering Techniques Training Center，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China)

Onboard DME Jitter Frequency Signal Generator Design and Implementation Based on FPGA*

WANG Kai1，F(xiàn)AN Zhiyong2，ZHOU Dexin1*

(1.Aeronautical Automation College，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China; 2.Engineering Techniques Training Center，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China)

The Distance Measuring Equipment is one of the essential onboard navigation systems．Identification of reply pulse，which adopts a strobe frequency principle，is the kernel of DME distance measuring．The jitter frequency signal generator is the most important circuit to implement strobe frequency．Based on FPGA，an onboard DME jitter frequency signal generator circuit is designed and implemented．The circuit consists of a random number generator，variable frequency divider，etcetera．Testing shows the circuit operates with stable performance and high reliability．

distance measuring equipment;jitter frequency signal;pseudo random sequence;variable frequency divider

機(jī)載測(cè)距機(jī)(DME)系統(tǒng)是現(xiàn)代飛機(jī)上必不可少的重要導(dǎo)航設(shè)備，它利用二次雷達(dá)的方式，即詢問－應(yīng)答式方法來測(cè)量飛機(jī)到達(dá)地面臺(tái)的斜距［1］。DME測(cè)距的核心問題是如何從眾多的地面臺(tái)脈沖中提取出對(duì)于本機(jī)詢問的應(yīng)答脈沖，現(xiàn)代DME采取閃頻原理來實(shí)現(xiàn)應(yīng)答脈沖的識(shí)別。

抖頻信號(hào)產(chǎn)生器是實(shí)現(xiàn)閃頻原理的關(guān)鍵電路，它的主要功能是產(chǎn)生重復(fù)頻率圍繞某平均值隨機(jī)抖動(dòng)的脈沖，同時(shí)根據(jù)DME測(cè)距的工作狀態(tài)，這個(gè)脈沖重復(fù)頻率的平均值一般為22．5 Hz或90 Hz［2］。傳統(tǒng)的DME抖頻信號(hào)產(chǎn)生器使用單結(jié)晶體管電路實(shí)現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且不能適應(yīng)現(xiàn)代DME數(shù)字化的需求［3］?？删幊踢壿嬈骷云鋬?yōu)異的靈活性和實(shí)用性，在機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備設(shè)計(jì)中被大量使用［4－5］。傳統(tǒng)的基于單結(jié)晶體管的抖頻信號(hào)發(fā)生器，其平均脈沖重復(fù)頻率設(shè)計(jì)完成后就是固定值，無法進(jìn)行更改，而基于FPGA等可編程邏輯器件來設(shè)計(jì)DME抖頻信號(hào)發(fā)生器，可以靈活地更改其脈沖重復(fù)頻率，適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合。本文通過設(shè)計(jì)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、可變分頻器等電路，并結(jié)合DME對(duì)抖頻信號(hào)特性的需求，基于FPGA設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了機(jī)載DME抖頻信號(hào)產(chǎn)生器，同時(shí)使用Altera公司的QuartusⅡ軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)仿真，并在其CycloneⅡ系列的EP2C35F484C6芯片上實(shí)現(xiàn)了硬件測(cè)試。

1　抖頻信號(hào)產(chǎn)生器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于FPGA的抖頻信號(hào)產(chǎn)生器主要由4個(gè)模塊組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

隨機(jī)數(shù)發(fā)生器根據(jù)偽隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生算法，輸出一個(gè)圍繞某一平均值變化的隨機(jī)數(shù)給可變分頻器作為分頻比，可變分頻器的輸出經(jīng)過固定4分頻電路進(jìn)行4分頻后輸出，可變分頻器的輸出以及4分頻電路的輸出通過2選1數(shù)據(jù)選擇器電路選擇后作為最終的抖頻信號(hào)輸出。

圖1　抖頻信號(hào)產(chǎn)生器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

輸出信號(hào)為產(chǎn)生的抖頻信號(hào)，根據(jù)所選擇的工作模式不同，其脈沖重復(fù)頻率的平均值分別為22．5 Hz (跟蹤及記憶模式)和90 Hz(搜索及預(yù)跟蹤模式)。

2　偽隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生的方法

隨機(jī)數(shù)發(fā)生器用于產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，并把該隨機(jī)數(shù)作為可變分頻器的分頻比，這樣就可以通過可變分頻器將固定頻率的輸入脈沖分頻后得到重復(fù)頻率隨機(jī)變化的脈沖。

2．1m序列發(fā)生器

假設(shè)一組碼序列u(t)，對(duì)于任一時(shí)刻t，碼元取值為1或0完全是隨機(jī)的，兩種狀態(tài)的概率都為50%。這種碼元取值完全無規(guī)律的碼序列即隨機(jī)碼序列。隨機(jī)碼為非周期性碼序列，不存在任何編碼規(guī)則，因此不能被復(fù)制，也無法使用數(shù)字電路產(chǎn)生。實(shí)際應(yīng)用中，常采用具有隨機(jī)序列良好相關(guān)特性的周期性序列，稱之為偽隨機(jī)序列［6－7］。由于DME設(shè)計(jì)中要求不同的DME應(yīng)該產(chǎn)生各自相互獨(dú)立的隨機(jī)詢問脈沖，因此隨機(jī)數(shù)發(fā)生器應(yīng)能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生的多種各不相關(guān)的偽隨機(jī)序列，GOLD編碼方法解決了產(chǎn)生多種各不相關(guān)的偽隨機(jī)序列的解決方案。

偽隨機(jī)序列一般采用“多級(jí)反饋移位寄存器”的裝置來產(chǎn)生，如圖2所示為一個(gè)“4級(jí)反饋移位寄存器”，其中包括4級(jí)移位寄存器和模2加法反饋電路。

圖2　四級(jí)反饋移位寄存器

若用移位標(biāo)識(shí)符x的i次方表示從移位寄存器的第i級(jí)的輸出，以Ci=0表示第i級(jí)輸出沒有接到模2加法器去，Ci=1表示第i級(jí)輸出已接到模2加法器去，此時(shí)r級(jí)移位寄存器的反饋連接方式可用一個(gè)多項(xiàng)式F(x)表示:

F(x)稱為電路的特征多項(xiàng)式。對(duì)于圖2的反饋移位寄存器，其特征多項(xiàng)式為F(x)=1+x3+x4。多級(jí)反饋移位寄存器產(chǎn)生周期最長的二進(jìn)制碼序列稱為m序列，r級(jí)移位寄存器產(chǎn)生的m序列碼長為N=2r－1，因此圖2的偽隨機(jī)序列碼長為15［8－9］。

2．2隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

如果直接使用m序列作為抖頻信號(hào)源的分頻比，其可用的m序列數(shù)是不夠的，例如12級(jí)反饋移位寄存器僅能構(gòu)成144種不同的m序列，而15級(jí)的反饋移位寄存器也僅能構(gòu)成1 800種不同的m序列。為了實(shí)現(xiàn)DME設(shè)備間詢問信號(hào)的最小相關(guān)性，本設(shè)計(jì)的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器在m序列的基礎(chǔ)上使用了GOLD編碼方法，如圖3所示為本設(shè)計(jì)生成偽隨機(jī)序列的原理框圖［10］。

圖3　GOLD碼產(chǎn)生原理框圖

使用兩組各有兩個(gè)12級(jí)反饋移位寄存器構(gòu)成的m序列發(fā)生器，分別產(chǎn)生序列S1和S2。12位m序列的碼長為N=212－1=4 095，12級(jí)m序列發(fā)生器的反饋系數(shù)為10 123、11 417、12 515、13 505、14 127、15 053［11］，這里選擇10 123作為S1序列的反饋系數(shù)，因此其生成多項(xiàng)式為:

選擇11417作為S2序列的反饋系數(shù)，其生成多項(xiàng)式為:

由于此時(shí)S2序列的輸出是選擇第2個(gè)移位寄存器中某兩個(gè)存儲(chǔ)單元的輸出進(jìn)行模2相加后在輸出，由此得到一個(gè)與S2序列平移等價(jià)的m序列，再將其與S1序列進(jìn)行模2相加，最后的輸出便可產(chǎn)生結(jié)構(gòu)不同的GOLD碼。由于S2序列的碼元共有4 095位，因此可以有4 095種平移等價(jià)序列，便可能產(chǎn)生4 095種m序列，再考慮12級(jí)m序列有144種不同結(jié)構(gòu)，因此可用的m序列數(shù)對(duì)于DME來說綽綽有余。

GOLD碼產(chǎn)生之后，在其后接入一個(gè)16 bit串入并出的移位寄存器，并以后級(jí)可變分頻器的輸出作為其并行輸出鎖存信號(hào)，這樣就可以產(chǎn)生16 bit隨機(jī)數(shù)。隨機(jī)數(shù)發(fā)生器不需要任何外加的控制信號(hào)，而是在后級(jí)可變分頻器每次分頻計(jì)數(shù)滿時(shí)產(chǎn)生溢出信號(hào)，以此溢出信號(hào)作為16 bit串入并出的移位寄存器的并行輸出鎖存信號(hào)，從而更新分頻比。

3　分頻器設(shè)計(jì)

3．1可變分頻器

可變分頻器根據(jù)輸入的分頻比，將輸入時(shí)鐘分頻輸出。系統(tǒng)采用輸入時(shí)鐘為100 MHz，根據(jù)DME設(shè)計(jì)需求，需要產(chǎn)生平均值為90 Hz的隨機(jī)脈沖輸出。如果輸出頻率為固定的90 Hz，則分頻比

16位隨機(jī)數(shù)的表示范圍為0～65535，如果表示為有符號(hào)數(shù)，則為－32 768～32 767。如果以90 Hz分頻比作為中間值，再疊加上16位隨機(jī)數(shù)，則其分頻比為1 111 111－32 768≤N≤1 111 111+32 767，即1 078 343≤N≤1 143 878。由此分頻比得到抖頻脈沖的脈沖重復(fù)頻率fo范圍為

實(shí)現(xiàn)時(shí)，設(shè)置一最小分頻比，最小分頻比通過系統(tǒng)工作時(shí)鐘頻率100 MHz除以抖頻脈沖重復(fù)頻率的平均值90 Hz，再減去16 bit有符號(hào)數(shù)最小值的絕對(duì)值32 768獲得。這樣，最小分頻比加上輸入的16 bit隨機(jī)數(shù)分頻比，將結(jié)果作為輸入時(shí)鐘的分頻比，即可實(shí)現(xiàn)抖頻輸出。

3．2固定4分頻電路和2選1電路設(shè)計(jì)

DME處于搜索或預(yù)跟蹤狀態(tài)時(shí)，其詢問頻率的平均值為90 Hz，而當(dāng)其工作于跟蹤或記憶狀態(tài)時(shí)，詢問頻率降低為原來的，即22．5 Hz。因此需要通過一個(gè)固定的4分頻電路，來實(shí)現(xiàn)將平均頻率為90 Hz的抖頻信號(hào)變?yōu)槠骄l率為22．5 Hz的隨機(jī)脈沖。固定的4分頻電路使用一個(gè)2 bit二進(jìn)制計(jì)數(shù)器即可實(shí)現(xiàn)。

4　系統(tǒng)仿真及測(cè)試

將設(shè)計(jì)好的抖頻信號(hào)發(fā)生器在QuartusⅡ9．0中進(jìn)行仿真，芯片選用Altera公司的CycloneⅡ系列的EP2C35F484C6，其仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖5　脈沖重復(fù)頻率平均值為22．5 Hz的抖頻信號(hào)

圖4中，平均值為90 Hz的信號(hào)周期分別為11．011 6 ms、11．105 6 ms、11．203 8 ms、10．921 8 ms;圖5中，平均值為22．5 Hz的信號(hào)周期分別為44．806 2 ms、44．643 ms、44．300 4 ms、44．485 4 ms。

從仿真結(jié)果可以看出，該設(shè)計(jì)的抖頻信號(hào)發(fā)生器可以實(shí)現(xiàn)脈沖重復(fù)頻率平均值為90 Hz及22．5 Hz的抖頻信號(hào)輸出，滿足DME測(cè)距電路中對(duì)抖頻信號(hào)輸出的要求。

5　結(jié)論

本文對(duì)機(jī)載DME中抖頻信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，使用m序列構(gòu)成的GOLD碼發(fā)生器并結(jié)合可變分頻器實(shí)現(xiàn)了抖頻信號(hào)的產(chǎn)生，編寫了Verilog代碼，在QuartusⅡ9．0中仿真通過。同時(shí)，使用Altera的CycloneⅡ系列的EP2C35F484C6芯片進(jìn)行了硬件測(cè)試，仿真及測(cè)試結(jié)果表明，抖頻信號(hào)發(fā)生器達(dá)到了DME電路對(duì)其的設(shè)計(jì)需求。本文研究的基于FPGA的抖頻信號(hào)發(fā)生器可實(shí)現(xiàn)DME設(shè)備的全面數(shù)字化，提出的基于GOLD編碼理論的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方法不失一般性，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

［1］ARINC Characteristic 709－8，Airborne Distance Measuring Equipment［S］．

［2］Rockwell，Collins，Inc．DME－700 Component Maintenance Manual［S］．Cedar Rapids，2005．

［3］姜樹法，張國俊．一種帶頻率抖動(dòng)功能的振蕩器電路的設(shè)計(jì)［J］．微電子學(xué)，2013，43(4):529－536．

［4］周德新，金志威，王鵬，等．基于SystemVerilog的SRAM控制器IP核驗(yàn)證［J］．電子器件，2012，35(5):619－622．

［5］樊智勇，王凱，周德新．基于FPGA的機(jī)載音頻管理系統(tǒng)通信測(cè)試卡設(shè)計(jì)［J］．計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2008，16(6):781－784．

［6］韓春，蔣德富，張芳玲．基于FPGA的寬帶噪聲發(fā)生器的設(shè)計(jì)［J］．電子測(cè)量技術(shù)，2013，36(12):53－55．

［7］張福洪，陳剛，羅晚會(huì)．一種直接序列擴(kuò)頻發(fā)射機(jī)的Verilog實(shí)現(xiàn)［J］．電子器件，2010，33(6):777－780．

［8］呂虹，段穎妮，管必聰．一種非線性最大長度偽隨機(jī)序列發(fā)生器的設(shè)計(jì)［J］．電子器件，2008，31(3):898－900．

［9］張海峰，段穎妮，呂虹．一種非線性最大長度偽隨機(jī)序列發(fā)生器的設(shè)計(jì)［J］．電子器件，2006，29(1):176－182．

［10］蔣強(qiáng)．GOLD碼相關(guān)性及可編程實(shí)現(xiàn)［J］．測(cè)控自動(dòng)化，2012，28(2):136－137．

［11］祁傳達(dá)，陶有德，陳越奮．m－序列的生成多項(xiàng)式計(jì)數(shù)［J］．?dāng)?shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)，2008，38(2):59－63．

［12］周殿鳳，康素成，王俊華．基于FPGA的任意數(shù)值分頻器的設(shè)計(jì)［J］．信息化研究，2010，36(2):59－61．

王凱(1982－)，男，漢族，貴州安順人，講師，工學(xué)碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)載電子設(shè)備檢測(cè)與維修技術(shù)、航空電子系統(tǒng)仿真及驗(yàn)證，kaiw921@163．com;

周德新(1954－)，女，漢族，天津人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橹悄軝z測(cè)與智能控制，dxzhou@cauc．edu．cn。

EEACC:614010．3969/j．issn．1005－9490．2015．01．020

基于FPGA的機(jī)載DME抖頻信號(hào)產(chǎn)生器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)*

王凱1，樊智勇2，周德新1*
(1.中國民航大學(xué)航空自動(dòng)化學(xué)院，天津300300;2.中國民航大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津300300)

機(jī)載測(cè)距機(jī)系統(tǒng)是現(xiàn)代飛機(jī)上必不可少的重要導(dǎo)航設(shè)備，DME測(cè)距的核心是采取閃頻原理來實(shí)現(xiàn)應(yīng)答脈沖的識(shí)別，抖頻信號(hào)產(chǎn)生器是實(shí)現(xiàn)閃頻原理的關(guān)鍵電路?；贔PGA設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了機(jī)載DME抖頻信號(hào)產(chǎn)生器電路，該電路主要包括隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、可變分頻器等模塊。經(jīng)測(cè)試表明，電路性能穩(wěn)定，工作可靠。

測(cè)距機(jī);抖頻信號(hào);偽隨機(jī)序列;可變分頻器

TN965

A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:1005－9490(2015)01－0089－04

2014－01－12修改日期:2014－03－16

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61179044);國家973計(jì)劃項(xiàng)目(2014CB744904);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(ZXH2011C013)