基于FPGA實(shí)現(xiàn)塔康地面信標(biāo)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

衛(wèi) 恒，王德功，劉 揚(yáng)，石 宇

（空軍航空大學(xué) 吉林 長(zhǎng)春 130022）

基于FPGA實(shí)現(xiàn)塔康地面信標(biāo)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

衛(wèi) 恒，王德功，劉 揚(yáng)，石 宇

（空軍航空大學(xué) 吉林 長(zhǎng)春 130022）

為滿足某型飛機(jī)塔康設(shè)備檢測(cè)儀器要求，對(duì)其提供穩(wěn)定、可靠、多樣的塔康地面信標(biāo)信號(hào)。設(shè)計(jì)利用Altera公司的EP4CE6E22C8為控制核心，以DAC813JP為DA轉(zhuǎn)換器，運(yùn)用DDS基本原理，通過(guò)QuartusII軟件編寫(xiě)塔康地面信標(biāo)信號(hào)發(fā)生器的每個(gè)單元模塊，最終完成整個(gè)設(shè)計(jì)方案。并進(jìn)行了Matlab與QuartusII相結(jié)合的仿真驗(yàn)證，同時(shí)設(shè)計(jì)連接了外部電路。相較于傳統(tǒng)塔康地面信標(biāo)信號(hào)發(fā)生器操作簡(jiǎn)單，便于升級(jí)，能夠滿足檢測(cè)儀器的各項(xiàng)要求。

塔康信號(hào)；直接數(shù)字頻率合成；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；數(shù)模轉(zhuǎn)換器

塔康 （TACAN）是戰(zhàn)術(shù)空中導(dǎo)航系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)1955年研制并投入裝備的近程無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)，是一種測(cè)角測(cè)距系統(tǒng)[1]?！八怠毕到y(tǒng)，又稱作極坐標(biāo)系統(tǒng)，能利用一個(gè)射頻通道同時(shí)傳遞距離與方位信息，從而簡(jiǎn)化了機(jī)載設(shè)備，同時(shí)減少了對(duì)頻段的占用。該系統(tǒng)可供飛機(jī)的出航、歸航以及圓周飛行等航線飛行時(shí)使用，且在我軍各類飛機(jī)上大量裝備，因此設(shè)計(jì)塔康地面信標(biāo)模擬器，用于檢測(cè)機(jī)載塔康設(shè)備具有重要作用。由于FPGA具有快速、靈活控制、設(shè)計(jì)周期短，同時(shí)DDS具有高分辨率，實(shí)現(xiàn)方法靈活的特點(diǎn)，所以本文研究了FPGA內(nèi)嵌DDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)塔康方位信號(hào)發(fā)生器的解決方案。

1 基本原理

1.1 塔康信號(hào)

TACAN系統(tǒng)由塔康地面設(shè)備（塔康信標(biāo)臺(tái)）和機(jī)載設(shè)備兩部分構(gòu)成。該系統(tǒng)使用的是脈沖調(diào)制技術(shù)，并且它使用極坐標(biāo)的方式來(lái)表示距離和方位。其中，系統(tǒng)通過(guò)天線的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的多波瓣方向性圖來(lái)獲取方位，并且能夠提供粗、精方位信息。如圖1。塔康信號(hào)是由塔康地面信標(biāo)臺(tái)以15 Hz和135 Hz復(fù)合調(diào)制的旋轉(zhuǎn)場(chǎng)向空中發(fā)射脈沖，形成15 Hz和135 Hz脈沖包絡(luò)調(diào)制信號(hào)，這些信號(hào)包括方位基準(zhǔn)信號(hào)和方位包絡(luò)信號(hào)，基準(zhǔn)信號(hào)用脈沖編碼來(lái)識(shí)別，包絡(luò)信號(hào)則是利用脈沖序列幅度的方式來(lái)進(jìn)行傳送[2]。其表達(dá)式為：

圖1 多波瓣方向性圖Fig.1 Multi-lobe directivity pattern

式中：f=15 Hz，A0為直流分量，A1、A2分別為大包絡(luò)、小包絡(luò)的調(diào)制幅度。經(jīng)過(guò)調(diào)制后的信號(hào)就攜帶方位信息。在測(cè)量方位時(shí)，機(jī)載設(shè)備跟蹤主、輔基準(zhǔn)脈沖，計(jì)算出基準(zhǔn)與包絡(luò)相位零點(diǎn)之間的相位差，便可以完成定位工作。其調(diào)制信號(hào)如圖2所示。

圖2 塔康包絡(luò)調(diào)制信號(hào)Fig.2 TACAN envelope modulation signal

1.2 包絡(luò)調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生方案

塔康信號(hào)外包絡(luò)是由15 Hz和135 Hz正弦波疊加后形成的波形。因?yàn)樵撔盘?hào)頻率不高，本設(shè)計(jì)將輸出的數(shù)字幅度值通過(guò)DAC芯片及調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為所需要的包絡(luò)信號(hào)。本設(shè)計(jì)中信號(hào)通過(guò)在FPGA內(nèi)部應(yīng)用DDS技術(shù)來(lái)產(chǎn)生，使用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)相位累加器、正弦波數(shù)據(jù)ROM，從而實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字頻率合成。最后將數(shù)字信號(hào)送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC，由DAC輸出所需要的波形。塔康信號(hào)的AM調(diào)制包絡(luò)是由15 Hz和135 Hz正弦波疊加而成。通過(guò)FPGA應(yīng)用DDS技術(shù)，產(chǎn)生兩路正弦波疊加后對(duì)應(yīng)的幅度量化值，然后將波形數(shù)據(jù)送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC813JP轉(zhuǎn)換為模擬波形，最后通過(guò)低通濾波器濾波送到調(diào)制電路使用。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

方案以Altera公司的Cyclone系列的EP1C12Q240C8芯片為核心，以QuartusII為軟件平臺(tái)，以FPGA開(kāi)發(fā)板為硬件平臺(tái)，在FPGA內(nèi)部編寫(xiě)不同的功能模塊，加上外擴(kuò)的DA轉(zhuǎn)換器和低通濾波器，完成塔康信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)。其總體方案如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體方案Fig.3 System overall program

2.1 系統(tǒng)外部電路設(shè)計(jì)

通過(guò)單片機(jī)為信號(hào)發(fā)生器提供信號(hào)所需要的參數(shù)以便滿足檢測(cè)儀不同的要求。數(shù)模轉(zhuǎn)換器是數(shù)字電路和模擬電路連接的橋梁，F(xiàn)PGA輸出的波形數(shù)據(jù)用DAC813JP進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，然后輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)I/V轉(zhuǎn)換后，通過(guò)低通濾波器輸出。本設(shè)計(jì)采用巴特沃茲二階濾波器濾波。

外部電路的具體設(shè)計(jì)在此就不再贅述。

2.2 系統(tǒng)軟件功能實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)軟件功能的模塊主要分為3個(gè)單元。首先用VHDL語(yǔ)言在軟件平臺(tái)QuartusII中編寫(xiě)每個(gè)單元并生成原理圖，然后在頂層模塊文件中將每個(gè)單元原理圖連接起來(lái)，最后配置引腳并進(jìn)行編譯，從而完成整個(gè)軟件部分的設(shè)計(jì)。

2.2.1 頻率控制字模塊

頻率控制字K是二進(jìn)制的相位增量值，它控制著最后輸出波形頻率的大小[3]。作為相位累加器的輸入，它的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的功能和性能。為產(chǎn)生所需要的頻率控制字K，單片機(jī)輸入的控制量通過(guò)串行外圍設(shè)備接口與FPGA進(jìn)行通信。其流程框圖如圖4所示。

圖4 頻率控制字模塊框圖Fig.4 Frequency control word block diagram

2.2.2 相位累加器模塊

相位累加器是FPGA邏輯控制的核心部分，一般由加法器和同步寄存器構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)相位累加[4]。相位增量△φ=2π/2N對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制表示為A△φ，即頻率控制字K。K與輸出頻率f0呈簡(jiǎn)單的線性關(guān)系：

因此只要對(duì)相位的量化值進(jìn)行累加，即可得到當(dāng)前信號(hào)的向未知。在參考時(shí)鐘的作用下，相位累加器進(jìn)行線性的相位累加，當(dāng)累加器溢出時(shí)即完成一個(gè)周期性動(dòng)作，系統(tǒng)完成一個(gè)周期的頻率合成信號(hào)，累加器的溢出頻率就是系統(tǒng)輸出的信號(hào)頻率[5]。

本設(shè)計(jì)采用3級(jí)流水線設(shè)計(jì)，與普通相位累加器相比，雖然延時(shí)了兩個(gè)時(shí)鐘周期才輸出結(jié)果，但是結(jié)果沒(méi)有發(fā)生任何改變，反而大大提高了相位累加器的計(jì)算速率。

2.2.3 波形數(shù)據(jù)ROM模塊

相位累加器的輸出值即為波形數(shù)據(jù)ROM的查詢地址，通過(guò)ROM進(jìn)行相位-幅度的轉(zhuǎn)換，就可以在給定的時(shí)間上確定波形的抽樣幅值。ROM 模塊直接由 QuartusII中MegaWizard Plug-in Manager工具產(chǎn)生。要產(chǎn)生ROM模塊，需要.mif文件?？梢岳肕atlab產(chǎn)生.mif文件，但是其產(chǎn)生的.mif文件不可以直接使用，需要添加程序：

如果要更改數(shù)據(jù)參數(shù)，只需要對(duì).mif文件進(jìn)行更改，并對(duì)程序做相應(yīng)的修改即可[6]。

3 實(shí)驗(yàn)仿真

通過(guò)QuartusII建立Vector Waveform File文件來(lái)對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5所示。用Matlab軟件對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理驗(yàn)證了軟件部分設(shè)計(jì)的正確性，如圖6所示。

圖5 QuartusII仿真結(jié)果Fig.5 Quartus II simulation results

圖6 Matlab仿真結(jié)果Fig.6 Matlab simulation results

4 結(jié)束語(yǔ)

該塔康地面信標(biāo)信號(hào)發(fā)生器解決了某型飛機(jī)塔康設(shè)備檢測(cè)儀方位信號(hào)的需求。在多次測(cè)試中，可以為其提供相應(yīng)參數(shù)的發(fā)射信號(hào)。同時(shí)該發(fā)生器是基于DDS原理利用FPGA開(kāi)發(fā)，大大縮減了設(shè)備開(kāi)發(fā)時(shí)間，并且模塊化設(shè)計(jì)為以后方案改進(jìn)、軟件優(yōu)化、硬件更換提供方便，大大提高其靈活性。該塔康地面信標(biāo)信號(hào)發(fā)生器已經(jīng)交付相關(guān)部隊(duì)，并取得良好效果。

[1]曹乃森,丁永強(qiáng),馬貴兵.機(jī)載塔康設(shè)備綜合檢查儀設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制.2012,20(2):398-399.CAO Nai-sen,DING Yong-qiang,MA Gui-bing.Design of integrated testerfor airborne TACAN equipment[J].Computer Measurement&Control,2012,20(2):398-399.

[2]段學(xué)剛,高憲軍.航空無(wú)線電導(dǎo)航原理[M].長(zhǎng)春：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

[3]申國(guó)政.基于FPGA的雷達(dá)激勵(lì)器信號(hào)發(fā)生器的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué).

[4]劉暢,李智.基于FPGA的任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息.2010,26(1):121-124.LIU Chang,LI Zhi.Design of arbitrary waveform generator based on FPGA[J].Microcomputer Information,2010,26(1): 121-124.

[5]曹鄭蛟.基于FPGA的復(fù)雜函數(shù)發(fā)生器研究[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)，2011.

[6]孫超,林占江.基于DDS的雷達(dá)任意波形信號(hào)源的研究[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2008,22(2):31-36.SUN Chao,LIN Zhan-jiang.Study on arbitrary waveform generator for radar based on DDS[J].Journal of Electronic Measurement and Instrument,2008,22(2):31-36.

Design of TACAN ground beacon signal generator based on FPGA

WEI Heng，WANG De-gong，LIU Yang，SHI Yu
（Aviation University of Air Force，Changchun 130022，China）

In order to provide a stable,reliable and diverse TACAN ground beacon signal to meet the requirement of TACAN equipment's detection instrument of a certain type of aircraft.Designed by Altera company's EP1C12Q240C8 as the control core,using DAC813JP as DA converter,using the basic principle of DDS,through QuartusII software to write each unit module of TACAN ground beacon signal generator,and ultimately complete the design scheme.The results was simulated and verified by Matlab combining with QuartusII，while designed and connected the external circuit.Compared with the traditional TACAN ground beacon signal generator,this generator is convenient to use,easy to upgrade,can meet all the requirements of detection instrument.

TACAN signal;DDS;FPGA;DAC

TN74

A

1674－6236（2015）10-0191-03

2014-09-03 稿件編號(hào)：201409025

衛(wèi) 恒(1992—)，男，山西運(yùn)城人，碩士研究生。研究方向：雷達(dá)目標(biāo)模擬器。