微波著陸系統(tǒng)信號(hào)模擬器設(shè)計(jì)

王 偉,張 斌

(空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院,西安 710077)

1 引 言

目前,微波著陸系統(tǒng)(MLS)在我軍裝備的進(jìn)近引導(dǎo)系統(tǒng)中是最先進(jìn)的精密引導(dǎo)系統(tǒng)[1]。系統(tǒng)除了能提供完整的方位、仰角和距離引導(dǎo)信息外,還具有完善的監(jiān)測(cè)能力[2],對(duì)設(shè)備發(fā)射的各種信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)設(shè)備的工作控制、狀態(tài)顯示,建立遙控和同步通信等,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障、監(jiān)測(cè)參數(shù)超過(guò)誤差范圍時(shí),能及時(shí)予以警示,并自動(dòng)切換主備用設(shè)備或關(guān)閉發(fā)射信號(hào),保證系統(tǒng)的可靠性和完好性[3,4]。因此,研制微波著陸信號(hào)模擬器來(lái)提供各種監(jiān)測(cè)信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的性能測(cè)試、指標(biāo)校準(zhǔn)和故障維修有著十分重要的意義。國(guó)外對(duì)該模擬器的研究比較成熟,已經(jīng)有型號(hào)產(chǎn)品提供,例如美國(guó)IFR公司的MLS-800,但價(jià)格昂貴。

本文提出了一種簡(jiǎn)易微波著陸系統(tǒng)信號(hào)模擬方法,通過(guò)采用高速、高性能的FPGA,在設(shè)備時(shí)鐘的同步下按一定規(guī)律讀取存儲(chǔ)器中的信號(hào)數(shù)據(jù),模擬產(chǎn)生不同場(chǎng)景下的微波著陸系統(tǒng)方位信號(hào)、仰角信號(hào)和數(shù)據(jù)字信號(hào)。該模擬器成本低、體積小,可脫機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立調(diào)試和指標(biāo)校準(zhǔn),保證系統(tǒng)的可靠性和完好性。

2 MLS信號(hào)格式

MLS地面臺(tái)角度信號(hào)和數(shù)據(jù)信息的發(fā)射采用了時(shí)分多路復(fù)用(TDM)技術(shù)[2,3],即角度制導(dǎo)信息和數(shù)據(jù)字都在同一頻率上發(fā)射,不同功能的信號(hào)都占有自己的發(fā)射時(shí)隙,在每一個(gè)功能發(fā)射時(shí)隙前部用功能碼來(lái)區(qū)分不同的功能塊。

MLS的測(cè)角是基于時(shí)基掃描波束(TRSB)技術(shù)。在比例制導(dǎo)區(qū)內(nèi),飛機(jī)接收地面角度引導(dǎo)設(shè)備掃描天線發(fā)射的“往”掃脈沖與“返”掃脈沖,測(cè)出這兩個(gè)波束之間的時(shí)間差,通過(guò)計(jì)算得到它所處的位置相對(duì)于跑道中心線的方位角[5],如圖1所示。

圖1 微波著陸系統(tǒng)角度測(cè)量示意圖Fig.1 Sketch map of the MLS angle measurement

制導(dǎo)角度值與脈沖間隔時(shí)間差之間的關(guān)系為[5]

式中,θ為方位制導(dǎo)角度值,t為任意進(jìn)近角時(shí)飛機(jī)接收到“往”和“返”脈沖間的時(shí)間差,T0為以零度角進(jìn)近時(shí)飛機(jī)接收到“往”和“返”脈沖間的時(shí)間差,v為掃描速率。

角度引導(dǎo)信號(hào)包含了前導(dǎo)碼、扇區(qū)信號(hào)、“往”掃描區(qū)間、掃描間隙和“返”掃描區(qū)間等要素,這些要素都是按照嚴(yán)格的時(shí)間要求發(fā)射的。

數(shù)據(jù)字信號(hào)采用DPSK調(diào)制方式,調(diào)制速率為15625 bit/s,其結(jié)構(gòu)和時(shí)序有著嚴(yán)格的規(guī)定。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

模擬器的主要功能是復(fù)現(xiàn)微波著陸系統(tǒng)方位引導(dǎo)信號(hào)、仰角引導(dǎo)信號(hào)和數(shù)據(jù)字信號(hào)。該模擬器主要由波形存儲(chǔ)電路、FPGA及其附屬電路、波形形成電路、信號(hào)分離電路組成,如圖2所示。

圖2 總體組成框圖Fig.2 Block diagram of simulator

根據(jù)MLS信號(hào)格式,FPGA及其附屬電路讀取波形存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)信息,處理后進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換,同時(shí)形成各功能信號(hào)的同步信號(hào),在各同步信號(hào)的控制下,產(chǎn)生滿足指標(biāo)要求的方位信號(hào)、仰角信號(hào)、數(shù)據(jù)字信號(hào),同步信號(hào)和各功能信號(hào)分別用來(lái)控制發(fā)射機(jī)和檢驗(yàn)監(jiān)測(cè)器。

波形存儲(chǔ)器為電可擦除存儲(chǔ)器,存儲(chǔ)了形成方位引導(dǎo)信號(hào)、仰角引導(dǎo)信號(hào)、數(shù)據(jù)字信號(hào)的包絡(luò)數(shù)據(jù)信息,存儲(chǔ)區(qū)分配如表1所示。

表1 EEPROM存儲(chǔ)區(qū)分配Table 1 Distribution of EEPR OM

FPGA及其附屬電路是模擬器的核心部分,選用Alter公司的EPF10K20TC144-4作為主控芯片,它采用FLEX結(jié)構(gòu),具有63000個(gè)系統(tǒng)門、144個(gè)邏輯陣列塊、1152個(gè)邏輯單元、12288位 RAM、102個(gè) I/O。該款FPGA的內(nèi)部資源以及管腳數(shù)量能夠完全滿足本方案的設(shè)計(jì)需求,故選用該款FPGA作為主控邏輯芯片。FPGA的配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在片外的EPC2LC20中。配置數(shù)據(jù)是用Quartus軟件將設(shè)計(jì)所得的pof格式的文件燒錄進(jìn)去。這樣設(shè)計(jì)程序就固化在外部配置芯片EPC2LC20里,在上電時(shí),FPGA把設(shè)計(jì)程序從EPC2讀入SRAM并運(yùn)行[6,7]。

FPGA及其附屬電路主要完成兩個(gè)功能:一是產(chǎn)生波形存儲(chǔ)器讀邏輯控制信號(hào)和地址信號(hào),分別通過(guò)控制總線和地址總線送入波形存儲(chǔ)器,調(diào)用存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息;二是產(chǎn)生各功能信號(hào)的同步信號(hào),送入信號(hào)分離電路。

波形形成電路完成數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。采用8位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD7528KR外接運(yùn)算放大器TL082完成波形形成,且輸出視頻信號(hào)幅度和直流電壓的大小是可調(diào)的。將信號(hào)分成三路送入信號(hào)分離電路,每一路中都含有方位引導(dǎo)信號(hào)、仰角引導(dǎo)信號(hào)和數(shù)據(jù)字信號(hào)。

信號(hào)分離電路中,在同步信號(hào)的控制下,每一路只允許一種功能信號(hào)輸出。

4 系統(tǒng)工作流程

根據(jù)微波著陸系統(tǒng)的信號(hào)格式,在計(jì)算機(jī)上應(yīng)用MATLAB軟件建立矩陣函數(shù),根據(jù)需要靈活地改變波形參數(shù),產(chǎn)生正常或異常的信號(hào)波形,將波形數(shù)據(jù)下載到存儲(chǔ)器中[8,9],對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)按照功能設(shè)置各自的時(shí)隙分配標(biāo)志;搭建以FPGA為核心的硬件電路,用VHDL語(yǔ)言編寫軟件,在程序控制下,通過(guò)標(biāo)志進(jìn)行識(shí)別,調(diào)用存儲(chǔ)的數(shù)據(jù),按照規(guī)定的格式依次產(chǎn)生所需信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)模擬器的功能。

4.1 波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生

以500kHz的采樣頻率依次對(duì)理想的±10°高速方位信號(hào)、3.5°仰角信號(hào)和數(shù)據(jù)字信號(hào)進(jìn)行采樣,信號(hào)波形如圖3所示。將波形數(shù)據(jù)下載到波形存儲(chǔ)器中。

圖3 信號(hào)數(shù)據(jù)信息仿真波形圖Fig.3 Simulation of the signal data message

4.2 信號(hào)輸出

該過(guò)程主要包括存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)讀取和信號(hào)輸出時(shí)序控制,其完成的具體操作包括時(shí)隙分配標(biāo)志識(shí)別、地址信號(hào)產(chǎn)生、數(shù)據(jù)信息讀取、D/A數(shù)據(jù)分配、DPSK信號(hào)形成等。

當(dāng)模擬器正常工作時(shí),根據(jù)方位信號(hào)、仰角信號(hào)和數(shù)據(jù)字信號(hào)產(chǎn)生的先后順序,產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)隙分配表,然后對(duì)時(shí)隙分配標(biāo)志進(jìn)行識(shí)別,主要分為3種情況。

(1)若為方位(或仰角)信號(hào)標(biāo)志,則產(chǎn)生方位(或仰角)信號(hào)的地址信號(hào),調(diào)用存儲(chǔ)的信號(hào)數(shù)據(jù),根據(jù)微波著陸系統(tǒng)的信號(hào)格式,在相應(yīng)時(shí)隙內(nèi)產(chǎn)生DPSK信號(hào),輸出D/A分配數(shù)據(jù)。另外,根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求:在整個(gè)方位(或仰角)引導(dǎo)功能時(shí)隙,產(chǎn)生方位(或仰角)同步信號(hào)。

(2)若為數(shù)據(jù)字信號(hào)標(biāo)志,則產(chǎn)生數(shù)據(jù)字信號(hào)的地址信號(hào),在相應(yīng)時(shí)隙內(nèi)產(chǎn)生DPSK信號(hào)及其同步信號(hào)。

(3)若為延時(shí)標(biāo)志,則做相應(yīng)延時(shí)后返回時(shí)隙分配信息表。

主程序流程圖如圖4所示,在Modelsim軟件中的部分仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flow chart of main program

圖5 仰角信號(hào)仿真波形Fig.5 Simulation of the elevation signal

5 信號(hào)分析

以仰角信號(hào)為例,用標(biāo)準(zhǔn)+15 V、-15 V和+5 V直流電源給信號(hào)模擬器供電,通過(guò)示波器對(duì)相應(yīng)功能管腳進(jìn)行測(cè)量,得到的仰角信號(hào)波形如圖6所示。

圖6 實(shí)測(cè)仰角信號(hào)波形Fig.6 The measured elevation signal

根據(jù)MLS信號(hào)格式,仰角信號(hào)以零度角進(jìn)近時(shí)飛機(jī)接收到“往”和“返”脈沖間的時(shí)間差 T0為3.35ms,掃描速率為20000°/s,已知存儲(chǔ)器中仰角信號(hào)為3.5°,由示波器測(cè)出“往”和“返”脈沖間的時(shí)間差為3ms,計(jì)算仰角信號(hào)角度:

可以看出,實(shí)測(cè)值與理論值完全相符。另外,從圖中可以看出,前導(dǎo)碼和扇區(qū)信號(hào)的實(shí)測(cè)值與理論值是一致的,主瓣和旁瓣的幅度滿足指標(biāo)要求,系統(tǒng)整體達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)微波著陸系統(tǒng)測(cè)試、調(diào)試、校準(zhǔn)困難等難題,本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的信號(hào)模擬器,通過(guò)實(shí)際電路驗(yàn)證,該模擬器能夠?qū)崟r(shí)高精度地模擬微波著陸系統(tǒng)的各種信號(hào),且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)成本較低。目前,該模擬器已經(jīng)投入使用,使用結(jié)果表明,系統(tǒng)性能穩(wěn)定,滿足實(shí)際需要。

以此電路為基礎(chǔ),通過(guò)靈活改變存儲(chǔ)器中的信號(hào)數(shù)據(jù)和控制軟件,該模擬器可廣泛應(yīng)用于多種設(shè)備調(diào)試和各類測(cè)試儀器,具有廣闊的應(yīng)用前景。

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