方 成

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西西安 710068)

1 引 言

DME(Distance Measuring Equipment)即距離測(cè)量設(shè)備，在上個(gè)世紀(jì)中期發(fā)展成為區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)[1-3]。DME系統(tǒng)由地面設(shè)備與空中設(shè)備對(duì)應(yīng)組成，其通信方式采用射頻雙脈沖信號(hào)，功能是為空中飛行器提供相對(duì)于導(dǎo)航臺(tái)的距離[1-3]。DME空中設(shè)備發(fā)出詢(xún)問(wèn)信號(hào)，地面設(shè)備捕獲到符合標(biāo)準(zhǔn)格式的詢(xún)問(wèn)信號(hào)后，啟動(dòng)譯碼流程，并對(duì)當(dāng)前詢(xún)問(wèn)的飛機(jī)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，空中設(shè)備通過(guò)一發(fā)一收信號(hào)在時(shí)間上的差，計(jì)算出與導(dǎo)航臺(tái)的距離。捕獲是DME地面設(shè)備的重要功能組成部分，傳統(tǒng)的DME地面設(shè)備中，捕獲單元采用離散元器件搭建，線路板體積大，維護(hù)成本高。為了發(fā)展小型化與后續(xù)可擴(kuò)展應(yīng)用，本文提出一種基于可編程器件的集成化處理方法。

2 詢(xún)問(wèn)信號(hào)捕獲原理

捕獲功能是依據(jù)DME信號(hào)特征所設(shè)計(jì)，DME空中設(shè)備選用鐘形脈沖作為標(biāo)準(zhǔn)格式的詢(xún)問(wèn)信號(hào)，如圖1所示。鐘形脈沖以cos2規(guī)律變化，可把信號(hào)帶寬壓縮在1MHz內(nèi)[1-4]。其脈沖上升沿時(shí)間為2.5μs±0.5μs，脈沖半幅寬度為3.5μs±0.5μs，下降沿時(shí)間為2.5μs±0.5μs。

圖1 詢(xún)問(wèn)信號(hào)曲線圖Fig.1 Interrogating signal

捕獲首先是確定詢(xún)問(wèn)信號(hào)的幅值，根據(jù)幅值計(jì)算出信號(hào)的半幅點(diǎn)，從而得到信號(hào)半幅度點(diǎn)寬度。當(dāng)計(jì)算出雙脈沖半幅度點(diǎn)寬度符合3.5μs±0.5μs，進(jìn)而根據(jù)靈敏度門(mén)限、回波抑制門(mén)限判斷是否為當(dāng)前飛機(jī)發(fā)來(lái)的詢(xún)問(wèn)信號(hào)，從而產(chǎn)生觸發(fā)雙脈沖，啟動(dòng)后續(xù)譯碼應(yīng)答程序。若半幅度點(diǎn)寬度不符合，直接舍棄，不再進(jìn)行后續(xù)處理。

3 傳統(tǒng)詢(xún)問(wèn)信號(hào)捕獲實(shí)現(xiàn)

早期的DME地面設(shè)備為實(shí)現(xiàn)捕獲功能采用分離器件設(shè)計(jì)，如圖2所示。其組成器件多，硬件體積大。主要功能包括運(yùn)算放大、2.7μs延遲、-3dB衰減、峰值監(jiān)測(cè)、50%比較和觸發(fā)比較等。

圖2 傳統(tǒng)捕獲單元組成框圖Fig.2 Composition diagram of traditional capture unit

地面設(shè)備是由多個(gè)功能單元組成的機(jī)柜式系統(tǒng)，各單元通過(guò)總線接口板完成信號(hào)傳輸。捕獲單元的控制信號(hào)以及參數(shù)設(shè)置由總線接口板輸出的總線信號(hào)決定。

詢(xún)問(wèn)信號(hào)經(jīng)過(guò)前端混頻檢波輸出后，與來(lái)自控制器的使能脈沖同時(shí)送至運(yùn)算放大電路。使能脈沖控制運(yùn)算放大電路是否接收當(dāng)前輸入的檢波信號(hào)，其目的是抑制回波信號(hào)和發(fā)射應(yīng)答信號(hào)串入系統(tǒng)引起誤觸發(fā)。

由于詢(xún)問(wèn)脈沖上升沿時(shí)間為2.5μs ，為了找到脈沖峰值進(jìn)而判斷半幅度值，峰值的提取時(shí)間至少應(yīng)遲后詢(xún)問(wèn)脈上升沿時(shí)間2.5μs，使用2.7μs延遲線把詢(xún)問(wèn)脈沖對(duì)延遲2.7μs(>2.5μs)后，得到當(dāng)前脈沖的峰值。

脈沖的峰值送入-3dB衰減電路以便得到半幅度值，產(chǎn)生半幅度檢測(cè)點(diǎn)，從而判斷脈沖寬度。同時(shí)所得峰值會(huì)被峰值監(jiān)測(cè)電路保持，保持時(shí)間受恢復(fù)時(shí)間單穩(wěn)電路控制?；謴?fù)時(shí)間單穩(wěn)電路的保持使能由以下條件決定：當(dāng)詢(xún)問(wèn)信號(hào)大于靈敏度門(mén)限時(shí)，或在回波抑制時(shí)間內(nèi)詢(xún)問(wèn)信號(hào)大于抗回波制約值時(shí)。其恢復(fù)時(shí)間由控制器決定。在單穩(wěn)輸出高電平期間，即使能時(shí)，當(dāng)前信號(hào)峰值保持；在單穩(wěn)輸出低電平期間，即恢復(fù)時(shí)間結(jié)束，峰值會(huì)被新到來(lái)的脈沖峰值刷新。

50%比較電路把延遲后的詢(xún)問(wèn)脈沖信號(hào)和它的半幅度值在50%比較電路里相比較，產(chǎn)生詢(xún)問(wèn)觸發(fā)脈沖對(duì)。觸發(fā)比較電路得到詢(xún)問(wèn)觸發(fā)脈沖對(duì)后，由恢復(fù)時(shí)間單穩(wěn)電路控制其當(dāng)前生成的觸發(fā)脈沖是否有效。

4 基于可編程器件詢(xún)問(wèn)信號(hào)捕獲實(shí)現(xiàn)

4.1 硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)采用FPGA與ADC作為主要功能器件來(lái)完成對(duì)詢(xún)問(wèn)信號(hào)的捕獲，不僅大幅減少元器件的使用，縮小硬件體積，還可提高可擴(kuò)展性與可靠性。如圖3所示，捕獲單元主要包含ADC電路、FPGA系統(tǒng)、接口電路和供電模塊。

圖3 基于可編程器件捕獲單元組成框圖Fig.3 Composition diagram of capture unit based on programmable device

詢(xún)問(wèn)信號(hào)周期為μs級(jí)，ADC選擇AD9246單通道14-bit，80MHz采用速率，F(xiàn)PGA選擇Virtex-4 LX平臺(tái)系列XC4VLX80，其包含80 640個(gè)邏輯單元。

捕獲單元中的FPGA，其端口輸出信號(hào)電平值為3.3V，機(jī)柜的總線接口板采用的信號(hào)電平值為5V，所以本文設(shè)計(jì)的接口電路采用電平轉(zhuǎn)換芯片來(lái)解決電平不一致問(wèn)題。

電源模塊為ADC提供1.8V，輸出端驅(qū)動(dòng)2.5V，為FPGA提供內(nèi)核1.2V，端口2.5V和3.3V，為電平轉(zhuǎn)換電路提供5V，15V和-15V電壓。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)捕獲原理，可將具體功能分為各個(gè)邏輯單元模塊：控制模塊、詢(xún)問(wèn)信號(hào)檢測(cè)模塊、抗回波模塊和靈敏度調(diào)節(jié)模塊?？刂颇K完成總線信號(hào)的輸入與各模塊輸出；詢(xún)問(wèn)信號(hào)檢測(cè)模塊完成輸入信號(hào)的半幅點(diǎn)計(jì)算與判斷，生成等寬度的觸發(fā)雙脈沖；抗回波模塊根據(jù)回波抑制時(shí)間和門(mén)限確定該觸發(fā)雙脈沖是否有效，若有效，靈敏度調(diào)節(jié)模塊會(huì)根據(jù)統(tǒng)計(jì)有效觸發(fā)雙脈沖數(shù)來(lái)判斷是否降低或者抬高當(dāng)前接收靈門(mén)限值。各模塊之間采用狀態(tài)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移。具體轉(zhuǎn)移流程如圖4所示。

圖4 狀態(tài)轉(zhuǎn)移示意圖Fig.4 Diagram of state transition

S0為等待詢(xún)問(wèn)信號(hào)狀態(tài)，當(dāng)有詢(xún)問(wèn)信號(hào)到來(lái)時(shí)，根據(jù)狀態(tài)S3輸出情況判斷是否進(jìn)入S1狀態(tài)；在S1 狀態(tài)下，判斷當(dāng)前詢(xún)問(wèn)脈沖的半幅寬度，若符合詢(xún)問(wèn)信號(hào)半幅寬度，進(jìn)入S2狀態(tài)，若不符合，反饋至S0，S0繼續(xù)等待直到新的詢(xún)問(wèn)信號(hào)到來(lái)；在S2狀態(tài)下，計(jì)數(shù)器根據(jù)時(shí)鐘，生成當(dāng)前輸入信號(hào)等寬度的觸發(fā)雙脈沖，脈沖寬度應(yīng)為3.5μs±0.5μs，進(jìn)入S3狀態(tài)；在S3狀態(tài)下，判斷回波抑制時(shí)間是否結(jié)束或者門(mén)限是否降低，若結(jié)束或者門(mén)限降低，觸發(fā)雙脈沖有效，進(jìn)入S1狀態(tài)，等待下個(gè)詢(xún)問(wèn)信號(hào)到來(lái)，同時(shí)把有效信號(hào)輸入到靈敏度調(diào)節(jié)模塊進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

5 驗(yàn)證與測(cè)試

5.1 測(cè)試方案

捕獲單元是整個(gè)地面設(shè)備中的一個(gè)組成部分，其功能驗(yàn)證與測(cè)試需要借助整機(jī)來(lái)完成。整機(jī)機(jī)柜可為本次功能驗(yàn)證測(cè)試提供必要的工作電源、高頻通道、測(cè)試接口，測(cè)試過(guò)程中參數(shù)設(shè)置由外部PC完成。標(biāo)準(zhǔn)格式的詢(xún)問(wèn)信號(hào)由空中模擬器產(chǎn)生，把通過(guò)高頻通道系統(tǒng)檢波后的詢(xún)問(wèn)信號(hào)，作為捕獲單元的輸入信號(hào)。捕獲單元中FPGA輸出的數(shù)字信號(hào)通過(guò)總線接口板進(jìn)入信號(hào)處理單元，信號(hào)處理單元完成數(shù)模轉(zhuǎn)換。測(cè)試連接如圖5所示。

本次驗(yàn)證測(cè)試所使用的測(cè)試儀器及設(shè)備信息見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試儀器及設(shè)備信息Tab.1 Test instrument and equipment information儀器設(shè)備設(shè)備信息數(shù)量用途DME地面機(jī)柜具備測(cè)試環(huán)境1提供測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)空中模擬器可輸出標(biāo)準(zhǔn)的射頻詢(xún)問(wèn)信號(hào)1提供詢(xún)問(wèn)信號(hào)示波器型號(hào):DPO4054500MHz,4CH,2.5GS/s1測(cè)量輸出觸發(fā)雙脈沖PC機(jī)操作系統(tǒng)Win7,內(nèi)存容量8G1參數(shù)設(shè)置

5.2 功能測(cè)試

捕獲單元功能測(cè)試：PC機(jī)控制空中模擬器產(chǎn)生幅度為-12dBm的詢(xún)問(wèn)信號(hào)，將其輸入到DME 地面臺(tái)高頻通道系統(tǒng)。此時(shí)輸入的射頻詢(xún)問(wèn)脈沖信號(hào)幅度較強(qiáng)，代表飛機(jī)距地面臺(tái)的距離較近。用示波器測(cè)量輸出觸發(fā)脈沖，測(cè)量結(jié)果如圖6所示，半幅點(diǎn)脈寬為3.53μs。

圖6 生成的觸發(fā)雙脈沖波形圖Fig.6 Generated trigger double pulse

實(shí)際工作中，高頻通道系統(tǒng)輸入的詢(xún)問(wèn)脈沖動(dòng)態(tài)范圍為-92dBm～-12dBm，捕獲單元可捕獲的詢(xún)問(wèn)脈沖速率為950對(duì)脈沖每秒至2 700對(duì)脈沖每秒?，F(xiàn)以10dB為步進(jìn)值，PC機(jī)設(shè)置空中模擬器的詢(xún)問(wèn)信號(hào)發(fā)射速率為950對(duì)脈沖每秒，進(jìn)行整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)輸出觸發(fā)脈沖寬度的測(cè)量，每步進(jìn)值測(cè)試20組數(shù)據(jù)，并依據(jù)貝塞爾公式計(jì)算其實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差，測(cè)試結(jié)果及其測(cè)量不確定度見(jiàn)表2和表3。測(cè)試結(jié)果表明：在輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，捕獲后輸出觸發(fā)脈沖寬度均符合3.5μs±0.5μs的設(shè)計(jì)要求。

PC設(shè)置空中模擬器的詢(xún)問(wèn)信號(hào)發(fā)射速率為2700對(duì)脈沖每秒，脈沖電平-92dBm，在示波器上可以看到生成的觸發(fā)雙脈沖；將詢(xún)問(wèn)信號(hào)發(fā)射速率設(shè)置為2750對(duì)脈沖每秒，脈沖電平繼續(xù)保持-92dBm時(shí)，示波器上的觸發(fā)雙脈沖消失；將詢(xún)問(wèn)信號(hào)發(fā)射速率保持為2750對(duì)脈沖每秒，其中2700對(duì)脈沖電平增加為-90dBm，50對(duì)脈沖電平保持為-92dBm，示波器上又可以看到生成的觸發(fā)雙脈沖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：當(dāng)發(fā)射速率超過(guò)捕獲單元接收最大值時(shí)，靈敏度開(kāi)始下降，若發(fā)射速率增加50對(duì)脈沖每秒，則靈敏度下降2dB，因此靈敏度控制得以實(shí)現(xiàn)。

PC機(jī)設(shè)置回波抑制固定延遲為56μs的門(mén)信號(hào)，在此門(mén)信號(hào)持續(xù)時(shí)間內(nèi)，捕獲使能和輸出觸發(fā)脈沖使能均為“低電平”，在示波器上無(wú)觸發(fā)脈沖輸出；當(dāng)56μs門(mén)信號(hào)結(jié)束后，捕獲使能和輸出觸發(fā)脈沖使能變?yōu)椤案唠娖健保藭r(shí)示波器上可以看到觸發(fā)脈沖輸出信號(hào)，說(shuō)明回波抑制得以實(shí)現(xiàn)。

5.3 數(shù)據(jù)分析

測(cè)量結(jié)果的不確定度采取如下測(cè)量模型進(jìn)行評(píng)定，測(cè)量模型如式(1)所示

Y=t

(1)

式中：Y——觸發(fā)脈沖寬度值；t——示波器測(cè)量的脈沖寬度值。

不確定度來(lái)源：

示波器不準(zhǔn)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1；

測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2。

標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定：

1)示波器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1。標(biāo)準(zhǔn)器是DPO4054型數(shù)字示波器，按照說(shuō)明書(shū)給出的技術(shù)指標(biāo)，在3.5μs時(shí)間讀數(shù)處(水平時(shí)基2μs/div)的最大允許誤差如式(2)所示

±(0.002%×讀數(shù)+0.05div×水平時(shí)基)

(2)

2)測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2。在重復(fù)測(cè)量的條件下，分別對(duì)不同的詢(xún)問(wèn)信號(hào)電平對(duì)應(yīng)的觸發(fā)脈沖寬度進(jìn)行測(cè)量，每組測(cè)量20次，并采用貝塞爾公式計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)偏差，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)偏差u2Tab.2 Standard deviation u2 introduced by measurement repeatability輸入信號(hào)電平(dBm)-12-22-32-42-52-62-72-82-9220次脈寬測(cè)量算數(shù)平均值(μs)3.353.373.413.403.433.443.503.523.50標(biāo)準(zhǔn)偏差(μs)0.130.140.100.130.090.110.020.060.18

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

u1和u2之間互不相關(guān)，按式(3)計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 測(cè)試數(shù)據(jù)匯總Tab.3 Test data summary輸入詢(xún)問(wèn)信號(hào)電平輸出觸發(fā)脈沖寬度20次測(cè)量平均值合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc測(cè)量結(jié)果不確定度(k=2)-12dBm3.35μs0.14μs0.28μs-22dBm3.37μs0.15μs0.30μs-32dBm3.41μs0.12μs0.24μs-42dBm3.40μs0.14μs0.28μs-52dBm3.43μs0.11μs0.22μs-62dBm3.43μs0.13μs0.26μs-72dBm3.50μs0.06μs0.12μs-82dBm3.52μs0.08μs0.16μs-92dBm3.50μs0.19μs0.38μs

(3)

擴(kuò)展不確定度：

取包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度U=k×uc，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

6 結(jié)束語(yǔ)

集成電路的日趨成熟，為航空電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)低成本，小型化，便于維護(hù)提供了良好支撐。DME作為傳統(tǒng)的路基導(dǎo)航系統(tǒng)，早期地面設(shè)備使用分立器件，硬件體積大，維護(hù)成本高。本文針對(duì)DME地面設(shè)備中捕獲功能模塊采用集成化設(shè)計(jì)，利用可編程器件，完成詢(xún)問(wèn)信號(hào)檢測(cè)、靈敏度調(diào)節(jié)與抗回波信號(hào)。該設(shè)計(jì)方案不僅縮小硬件尺寸，降低元器件使用數(shù)量，同時(shí)可提高可擴(kuò)展性。測(cè)試結(jié)果表明，基于FPGA的DME地面設(shè)備捕獲功能單元滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。