基于JFM7K325T著陸設備時序信號設計與實現(xiàn)

谷 雨，李 偉，張曉肖

基于JFM7K325T著陸設備時序信號設計與實現(xiàn)

谷 雨1,2，李 偉1,2，張曉肖1,2

（1 中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068；2 陜西省組合與智能導航重點實驗室，西安 710068）

針對飛機進場著陸問題，提出一種基于JFM7K325T著陸設備時序信號設計方案，JFM7K325T負責產(chǎn)生數(shù)字信號處理（DSP）的時鐘、復位、邏輯控制和數(shù)據(jù)的預處理，在時鐘的同步下按一定格式產(chǎn)生不同功能的著陸設備數(shù)據(jù)信號，并通過試驗驗證該方案的可行性。

著陸設備；JFM7K325T；數(shù)字信號處理；時序信號

0 引言

著陸設備主要是解決飛機進場著陸引導的問題。本文介紹了著陸設備時序信號組成、信號格式和數(shù)據(jù)信號設計與實現(xiàn)，采用100%“國產(chǎn)化”高性能的現(xiàn)場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA），按一定格式產(chǎn)生不同功能的著陸設備數(shù)據(jù)信號。該方法設計簡單、可靠性強，充分利用FPGA（復旦微JFM7K325T-AS）的工作特性，在全國產(chǎn)化前提下，有效保證產(chǎn)生的著陸設備數(shù)據(jù)信號的正確性和完好性。

1 JFM7K325T簡介及其應用

JFM7K325T核心板是一款基于復旦微FPGA設計的高端工業(yè)模塊，采用全國產(chǎn)化設計。FPGA引腳資源通過高速連接器引出，并集成了專用超高速串并轉(zhuǎn)換模塊、高靈活可配置模塊、專用數(shù)字信號處理模塊和可配置時鐘模塊等應用模擬電路。核心板經(jīng)過專業(yè)的印刷電路板布局布線（Printed Circuit Board Layout，PCB Layout）和高低溫測試驗證，穩(wěn)定可靠，可滿足各種應用場景。

2 系統(tǒng)信號格式與發(fā)播時序設計

角度信息和數(shù)據(jù)信息在同一頻率上以時分多路復用的方式播發(fā)。著陸設備信號周期是由一系列順序?qū)M成的，在一個全周期中，順序?qū)χg的停歇時間是“跳躍”的。其發(fā)播周期是一個614.4 ms長的時間段[1,4]，全周期信號格式如圖1所示。

圖1 全周期信號格式

2.1 著陸設備角度制導信號

著陸系統(tǒng)的角度制導信號主要包括：前導碼、扇區(qū)信號和掃描信號。方位與仰角的前導碼信號格式相同，而前導碼、扇區(qū)信號和掃描信號內(nèi)容與時序是不同的。著陸系統(tǒng)的角度制導信號格式如下：

1）角度制導信號

包括前導碼、扇區(qū)信號和掃描信號。其中方位和仰角前導碼均為1.6 ms；扇區(qū)信號方位為0.96 ms、仰角為0.256 ms，由于方位需發(fā)送臺站識別碼，天線選擇脈沖和檢查脈沖，同時方位橫向掃描需發(fā)送后、左、右覆蓋區(qū)外指示（Out of Coverage Indication，OCI），而仰角縱向掃描只發(fā)送一個OCI信號[2]；方位掃描信號為9.0 ms而仰角掃描信號為3.5 ms，由于方位掃描覆蓋為-42°～42°，仰角掃描范圍是-1.5°～29.5°，波束掃描速度為0.02°/ μs，所以方位和仰角“往”、“返”掃描時間不同[3]，同時方位掃描停歇為0.6 ms而仰角掃描停歇為0.4 ms。其信號形式如圖2所示。通過地面的方位天線產(chǎn)生一個垂直方向較窄的扇形波束在比例覆蓋區(qū)內(nèi)進行往返掃描，來實現(xiàn)角度測量[5]。

圖2 著陸設備角度制導信號的標準格式

2）前導碼信號

前導碼用來識別信號是哪一種特定功能。前導碼的信號格式如圖3所示，包括載波截獲、巴克碼和功能識別碼。

圖3 前導碼信號格式

載波捕獲占13位，按連續(xù)波發(fā)播，機載接收機利用該信號進行自動電平控制，并提取信號相位基準[9]。前導碼信號的時隙分配如表1所示。

表1 前導碼信號時序表

2.2 數(shù)據(jù)字信號

著陸設備數(shù)據(jù)分為基本數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)，基本數(shù)據(jù)字和輔助數(shù)據(jù)字均采用差動相移鍵控（Differential Phase Shift Keying，DPSK）調(diào)制，邏輯“0”，由0°±10°相移表示；邏輯“1”，由180°±10°相移表示[8]。碼元寬度為64 μs，上升和下降時間小于2 μs。

1）基本數(shù)據(jù)字

基本數(shù)據(jù)字共有6個，每個占32個碼元，其中基本數(shù)字1～6的功能識別碼分別為：0101000、0111100、1010000、1000100、1101100、0001101[7]。數(shù)據(jù)內(nèi)容分別為：方位臺距離跑道入口的距離、方位覆蓋負限、方位覆蓋正限、余隙信號類型；最小下滑角、反方位狀態(tài)、測距狀態(tài)信息、進近方位狀態(tài)信息；方位掃描波束寬度、仰角掃描波束寬度、測距臺距離；方位磁向、反方位磁向；反方位制導覆蓋負限、反方位制導覆蓋正限、反方位掃描波束寬度；地面設備識別碼[10]。數(shù)字信息按“最低有效位在前”的原則播發(fā)?；緮?shù)據(jù)字信號格式如圖4所示。

圖4 基本數(shù)據(jù)字信號的標準格式

基本數(shù)據(jù)字時隙分配表如表2所示。

表2 基本數(shù)據(jù)字時隙分配表

2）輔助數(shù)據(jù)字

輔助數(shù)據(jù)字共三類，輔助數(shù)據(jù)字共包含76個碼元，其中功能碼分別為：1110010、10101110、1111000。數(shù)據(jù)位有兩種格式，一種是數(shù)據(jù)信息，另一種是字符信息，信息按“最低有效位在前”的原則播發(fā)。數(shù)據(jù)信息以定義的量化原則為編碼依據(jù)，字符信息則采用閱讀順序，以國際民航組織附件10卷三中IA-5的格式編碼[6]。輔助數(shù)據(jù)字的信號格式和輔助數(shù)據(jù)字時序功能表如圖5所示。

各個輔助數(shù)據(jù)字時隙分配表如表3所示。

3 系統(tǒng)設計

3.1 功能設計

著陸設備數(shù)據(jù)信號控制設計如圖6所示。

其中數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）是主處理器，負責數(shù)據(jù)的解析、計算和通信功能，選用國防科大銀河飛騰FT-6416，DSP通過外部存儲器接口（External Memory Interface，EMIF）外掛兩片同步動態(tài)隨機存取內(nèi)存（Synchronous Dynamic Random Access Memory，SDRAM）芯片，作為處理數(shù)據(jù)的臨時緩存，DSP通過EMIFA接口（nCE1）與FPGA進行數(shù)據(jù)交互。FPGA選用復旦微JFM7K325T-AS，F(xiàn)PGA作為DSP的一個外設工作，負責產(chǎn)生DSP的時鐘、復位、邏輯控制和數(shù)據(jù)的預處理，在時鐘的同步下按照第2節(jié)數(shù)據(jù)的信號格式產(chǎn)生不同功能的著陸設備數(shù)據(jù)信號。還包括1片模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC），型號為AD9268進行模擬信號采集，1片數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（Digital-to-Analog Converter，DAC），型號為AD5310進行模擬信號輸出。

圖6 著陸設備數(shù)據(jù)信號控制設計示意圖

3.2 軟件設計

著陸設備全周期時序控制軟件設計，按照上述第2節(jié)信號格式與發(fā)播時序控制著陸設備全周期信號格式。FPGA的開發(fā)環(huán)境是Xilinx的VIVADO，F(xiàn)PGA開發(fā)語言是Verilog。著陸設備系統(tǒng)全周期時序控制軟件設計流程圖如圖7所示。

圖7 著陸設備全周期時序控制軟件設計流程圖

方位、仰角功能程序設計，當發(fā)射機開關打開時，自檢正常，將全周期順序計數(shù)器信號置為0，按照全周期順序計數(shù)，全周期時間為614.4 ms（一個全周期播發(fā)功能包括24個方位和24個仰角）；當發(fā)送仰角功能DPSK將仰角信號信號置為1，相反，發(fā)送方位功能DPSK將方位信號置為1；1個碼元時間64 μs，循環(huán)等待，根據(jù)方位、仰角功能的識別碼設置差動相移鍵控調(diào)制，基本數(shù)據(jù)字和輔助數(shù)據(jù)字功能碼程序據(jù)此類推即可。

4 著陸設備時序信號功能實現(xiàn)

著陸設備時序信號采用DPSK編碼方式，在第2章表1中可以看出，功能識別碼共占用7個比特，前5位是信息位，后2位是奇偶校驗位，每比特為64 μs（一個時鐘脈沖上升沿和下降沿小于2 μs）。系統(tǒng)的方位、仰角、基本數(shù)據(jù)字和輔助數(shù)據(jù)字都是功能識別碼表明指令，由機載接收機識別并解算[11]。具體功能識別碼和信號波形如表4所示。

表4 功能識別碼和信號波形

本文方案已經(jīng)在某型設備科研樣機中應用。前導碼信號波形測試圖如圖8所示，圖中黃色曲線為DPSK調(diào)制信號，綠色為自動電平控制信號。由圖8（b）可以看出，時鐘為15.625 kHz，一個碼元時間為64 μs。由圖8（a）波形圖與圖3完全對應，證明該方案前導碼設計的準確性和可行性。

圖8 前導碼和1個碼元信號波形圖

該方案實現(xiàn)方位、仰角功能識別碼的測試波形如圖9所示，由圖9（a）看出功能識別碼為“111010010100”，圖9（b）可以看出功能識別碼為“111011100001”。說明該方案方位、仰角功能碼設計的準確性和可行性。

圖9 方位和仰角功能信號波形圖

該方案實現(xiàn)基本數(shù)據(jù)字2功能識別碼的測試波形如圖10所示。圖10可看出基本數(shù)據(jù)2功能識別碼“111010111100”和數(shù)據(jù)碼“0111100，00110101010011110100”。如圖10（b）所示，基本數(shù)據(jù)字2全周期時間為2.048 ms，說明該方案基本數(shù)據(jù)字2功能碼設計的準確性和可行性。

圖10 基本數(shù)據(jù)字2功能信號波形圖

輔助數(shù)據(jù)字功能識別碼信號波形如圖11所示，可以看出功能識別碼為“111011111000”，符合表4輔助數(shù)據(jù)字信號波形，說明該方案輔助數(shù)據(jù)字功能碼設計的準確性。

圖11 輔助數(shù)據(jù)字功能信號波形圖

5 結(jié)語

在基于JFM7K325T著陸設備時序信號設計與實現(xiàn)中，采用DSP（銀河飛騰FT-6416）與FPGA（復旦微JFM7K325T-AS）相結(jié)合，實現(xiàn)“全國產(chǎn)化”著陸設備時序信號控制與實現(xiàn)。通過試驗，證明該全國產(chǎn)化設計有效保證產(chǎn)生的著陸設備數(shù)據(jù)信號的正確性和完好性。目前，在某型導航設備科研樣機中已經(jīng)應用。

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Design and Implementation of Sequence Signal Based on JFM7K325T Landing Equipment

GU Yu, LI Wei, ZHANG Xiaoxiao

Aiming at the problem of aircraft approach and landing, a design scheme of sequence signal based on JFM7K325T landing equipment is proposed. JFM7K325T is responsible for generating digital signal processing clock and reset, logic control and data preprocessing. Under the synchronization of the clock the landing equipment data signals with different functions are generated according to certain formats. The feasibility of the scheme is verified by experiments.

Landing Equipment; JFM7K325T;Digital Signal Processing; Sequence Signal

TN965

A

1674-7976-(2023)-06-410-06

2023-03-27。

谷雨（1996.05—），黑龍江哈爾濱人，碩士，主要研究方向為無線電導航。