DME詢問信號捕獲的設(shè)計與實現(xiàn)

方 成

(中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西西安 710068)

1 引 言

DME(Distance Measuring Equipment)即距離測量設(shè)備，在上個世紀中期發(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)備對應(yīng)組成，其通信方式采用射頻雙脈沖信號，功能是為空中飛行器提供相對于導(dǎo)航臺的距離[1-3]。DME空中設(shè)備發(fā)出詢問信號，地面設(shè)備捕獲到符合標準格式的詢問信號后，啟動譯碼流程，并對當前詢問的飛機發(fā)送應(yīng)答信號，空中設(shè)備通過一發(fā)一收信號在時間上的差，計算出與導(dǎo)航臺的距離。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，維護成本高。為了發(fā)展小型化與后續(xù)可擴展應(yīng)用，本文提出一種基于可編程器件的集成化處理方法。

2 詢問信號捕獲原理

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

圖1 詢問信號曲線圖Fig.1 Interrogating signal

捕獲首先是確定詢問信號的幅值，根據(jù)幅值計算出信號的半幅點，從而得到信號半幅度點寬度。當計算出雙脈沖半幅度點寬度符合3.5μs±0.5μs，進而根據(jù)靈敏度門限、回波抑制門限判斷是否為當前飛機發(fā)來的詢問信號，從而產(chǎn)生觸發(fā)雙脈沖，啟動后續(xù)譯碼應(yīng)答程序。若半幅度點寬度不符合，直接舍棄，不再進行后續(xù)處理。

3 傳統(tǒng)詢問信號捕獲實現(xiàn)

早期的DME地面設(shè)備為實現(xiàn)捕獲功能采用分離器件設(shè)計，如圖2所示。其組成器件多，硬件體積大。主要功能包括運算放大、2.7μs延遲、-3dB衰減、峰值監(jiān)測、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)備是由多個功能單元組成的機柜式系統(tǒng)，各單元通過總線接口板完成信號傳輸。捕獲單元的控制信號以及參數(shù)設(shè)置由總線接口板輸出的總線信號決定。

詢問信號經(jīng)過前端混頻檢波輸出后，與來自控制器的使能脈沖同時送至運算放大電路。使能脈沖控制運算放大電路是否接收當前輸入的檢波信號，其目的是抑制回波信號和發(fā)射應(yīng)答信號串入系統(tǒng)引起誤觸發(fā)。

由于詢問脈沖上升沿時間為2.5μs ，為了找到脈沖峰值進而判斷半幅度值，峰值的提取時間至少應(yīng)遲后詢問脈上升沿時間2.5μs，使用2.7μs延遲線把詢問脈沖對延遲2.7μs(>2.5μs)后，得到當前脈沖的峰值。

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

50%比較電路把延遲后的詢問脈沖信號和它的半幅度值在50%比較電路里相比較，產(chǎn)生詢問觸發(fā)脈沖對。觸發(fā)比較電路得到詢問觸發(fā)脈沖對后，由恢復(fù)時間單穩(wěn)電路控制其當前生成的觸發(fā)脈沖是否有效。

4 基于可編程器件詢問信號捕獲實現(xiàn)

4.1 硬件設(shè)計

本文設(shè)計采用FPGA與ADC作為主要功能器件來完成對詢問信號的捕獲，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

詢問信號周期為μs級，ADC選擇AD9246單通道14-bit，80MHz采用速率，F(xiàn)PGA選擇Virtex-4 LX平臺系列XC4VLX80，其包含80 640個邏輯單元。

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

電源模塊為ADC提供1.8V，輸出端驅(qū)動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

根據(jù)捕獲原理，可將具體功能分為各個邏輯單元模塊：控制模塊、詢問信號檢測模塊、抗回波模塊和靈敏度調(diào)節(jié)模塊?？刂颇K完成總線信號的輸入與各模塊輸出；詢問信號檢測模塊完成輸入信號的半幅點計算與判斷，生成等寬度的觸發(fā)雙脈沖；抗回波模塊根據(jù)回波抑制時間和門限確定該觸發(fā)雙脈沖是否有效，若有效，靈敏度調(diào)節(jié)模塊會根據(jù)統(tǒng)計有效觸發(fā)雙脈沖數(shù)來判斷是否降低或者抬高當前接收靈門限值。各模塊之間采用狀態(tài)機進行狀態(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為等待詢問信號狀態(tài)，當有詢問信號到來時，根據(jù)狀態(tài)S3輸出情況判斷是否進入S1狀態(tài)；在S1 狀態(tài)下，判斷當前詢問脈沖的半幅寬度，若符合詢問信號半幅寬度，進入S2狀態(tài)，若不符合，反饋至S0，S0繼續(xù)等待直到新的詢問信號到來；在S2狀態(tài)下，計數(shù)器根據(jù)時鐘，生成當前輸入信號等寬度的觸發(fā)雙脈沖，脈沖寬度應(yīng)為3.5μs±0.5μs，進入S3狀態(tài)；在S3狀態(tài)下，判斷回波抑制時間是否結(jié)束或者門限是否降低，若結(jié)束或者門限降低，觸發(fā)雙脈沖有效，進入S1狀態(tài)，等待下個詢問信號到來，同時把有效信號輸入到靈敏度調(diào)節(jié)模塊進行統(tǒng)計。

5 驗證與測試

5.1 測試方案

捕獲單元是整個地面設(shè)備中的一個組成部分，其功能驗證與測試需要借助整機來完成。整機機柜可為本次功能驗證測試提供必要的工作電源、高頻通道、測試接口，測試過程中參數(shù)設(shè)置由外部PC完成。標準格式的詢問信號由空中模擬器產(chǎn)生，把通過高頻通道系統(tǒng)檢波后的詢問信號，作為捕獲單元的輸入信號。捕獲單元中FPGA輸出的數(shù)字信號通過總線接口板進入信號處理單元，信號處理單元完成數(shù)模轉(zhuǎn)換。測試連接如圖5所示。

本次驗證測試所使用的測試儀器及設(shè)備信息見表1。

表1 測試儀器及設(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地面機柜具備測試環(huán)境1提供測試驗證平臺空中模擬器可輸出標準的射頻詢問信號1提供詢問信號示波器型號:DPO4054500MHz,4CH,2.5GS/s1測量輸出觸發(fā)雙脈沖PC機操作系統(tǒng)Win7,內(nèi)存容量8G1參數(shù)設(shè)置

5.2 功能測試

捕獲單元功能測試：PC機控制空中模擬器產(chǎn)生幅度為-12dBm的詢問信號，將其輸入到DME 地面臺高頻通道系統(tǒng)。此時輸入的射頻詢問脈沖信號幅度較強，代表飛機距地面臺的距離較近。用示波器測量輸出觸發(fā)脈沖，測量結(jié)果如圖6所示，半幅點脈寬為3.53μs。

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

實際工作中，高頻通道系統(tǒng)輸入的詢問脈沖動態(tài)范圍為-92dBm～-12dBm，捕獲單元可捕獲的詢問脈沖速率為950對脈沖每秒至2 700對脈沖每秒?，F(xiàn)以10dB為步進值，PC機設(shè)置空中模擬器的詢問信號發(fā)射速率為950對脈沖每秒，進行整個動態(tài)范圍內(nèi)輸出觸發(fā)脈沖寬度的測量，每步進值測試20組數(shù)據(jù)，并依據(jù)貝塞爾公式計算其實驗標準偏差，測試結(jié)果及其測量不確定度見表2和表3。測試結(jié)果表明：在輸入信號動態(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)計要求。

PC設(shè)置空中模擬器的詢問信號發(fā)射速率為2700對脈沖每秒，脈沖電平-92dBm，在示波器上可以看到生成的觸發(fā)雙脈沖；將詢問信號發(fā)射速率設(shè)置為2750對脈沖每秒，脈沖電平繼續(xù)保持-92dBm時，示波器上的觸發(fā)雙脈沖消失；將詢問信號發(fā)射速率保持為2750對脈沖每秒，其中2700對脈沖電平增加為-90dBm，50對脈沖電平保持為-92dBm，示波器上又可以看到生成的觸發(fā)雙脈沖。實驗結(jié)果說明：當發(fā)射速率超過捕獲單元接收最大值時，靈敏度開始下降，若發(fā)射速率增加50對脈沖每秒，則靈敏度下降2dB，因此靈敏度控制得以實現(xiàn)。

PC機設(shè)置回波抑制固定延遲為56μs的門信號，在此門信號持續(xù)時間內(nèi)，捕獲使能和輸出觸發(fā)脈沖使能均為“低電平”，在示波器上無觸發(fā)脈沖輸出；當56μs門信號結(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示波器上可以看到觸發(fā)脈沖輸出信號，說明回波抑制得以實現(xiàn)。

5.3 數(shù)據(jù)分析

測量結(jié)果的不確定度采取如下測量模型進行評定，測量模型如式(1)所示

Y=t

(1)

式中：Y——觸發(fā)脈沖寬度值；t——示波器測量的脈沖寬度值。

不確定度來源：

示波器不準引入的標準不確定度分量u1；

測量重復(fù)性引入的標準不確定度分量u2。

標準不確定度評定：

1)示波器引入的標準不確定度u1。標準器是DPO4054型數(shù)字示波器，按照說明書給出的技術(shù)指標，在3.5μs時間讀數(shù)處(水平時基2μs/div)的最大允許誤差如式(2)所示

±(0.002%×讀數(shù)+0.05div×水平時基)

(2)

2)測量重復(fù)性引入的標準不確定度分量u2。在重復(fù)測量的條件下，分別對不同的詢問信號電平對應(yīng)的觸發(fā)脈沖寬度進行測量，每組測量20次，并采用貝塞爾公式計算其標準偏差，計算結(jié)果見表2。

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

合成標準不確定度：

u1和u2之間互不相關(guān)，按式(3)計算合成標準不確定度，結(jié)果見表3。

表3 測試數(shù)據(jù)匯總Tab.3 Test data summary輸入詢問信號電平輸出觸發(fā)脈沖寬度20次測量平均值合成標準不確定度uc測量結(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)

擴展不確定度：

取包含因子k=2，則擴展不確定度U=k×uc，計算結(jié)果見表3。

6 結(jié)束語

集成電路的日趨成熟，為航空電子設(shè)備實現(xiàn)低成本，小型化，便于維護提供了良好支撐。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，維護成本高。本文針對DME地面設(shè)備中捕獲功能模塊采用集成化設(shè)計，利用可編程器件，完成詢問信號檢測、靈敏度調(diào)節(jié)與抗回波信號。該設(shè)計方案不僅縮小硬件尺寸，降低元器件使用數(shù)量，同時可提高可擴展性。測試結(jié)果表明，基于FPGA的DME地面設(shè)備捕獲功能單元滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。