航管二次雷達(dá)射頻切換單元FPGA實(shí)現(xiàn)

引言
    二次雷達(dá)也叫做空管雷達(dá)信標(biāo)系統(tǒng)(Air TrafficControl Radar Beacon System，ATCRBS)。它最初是在空戰(zhàn)中為了使雷達(dá)分辨出敵我雙方的飛機(jī)而發(fā)展的敵我識別系統(tǒng)，當(dāng)把這個系統(tǒng)的基本原理和部件經(jīng)過發(fā)展后用于民航的空中交通管制后，就成了二次雷達(dá)系統(tǒng)。二次雷達(dá)是在地面站和目標(biāo)應(yīng)答器的合作下，采用問答方式工作，它必須經(jīng)過兩次有源輻射電磁波信號才能完成應(yīng)有的功能。
    單脈沖二次雷達(dá)是按照雷達(dá)方位角度定位體制的不同而定義的，有別于常規(guī)的二次監(jiān)視雷達(dá)。常規(guī)二次監(jiān)視雷達(dá)實(shí)現(xiàn)一個目標(biāo)定位需要利用雷達(dá)定向主波瓣中對這個目標(biāo)的所有應(yīng)答，而單脈沖二次雷達(dá)理論上只需要利用一次詢問的應(yīng)答即能準(zhǔn)確定位。單脈沖技術(shù)應(yīng)用于二次雷達(dá)，使對目標(biāo)的測量可以方便的基于多個波束，有效地增加了數(shù)據(jù)冗余度，提高了角度測量的精度。對應(yīng)答處理而言，單脈沖技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了在混疊或交織情況下對應(yīng)答碼的解碼能力，使單脈沖二次雷達(dá)與常規(guī)二次雷達(dá)相比實(shí)現(xiàn)了一次質(zhì)的飛躍。
    國內(nèi)自主研發(fā)航管二次雷達(dá)在近10年間才開始，落后于國外20世紀(jì)80年代就發(fā)展起來的二次雷達(dá)系統(tǒng)?，F(xiàn)今國內(nèi)主要民用機(jī)場使用的二次雷達(dá)大多使用的是國外設(shè)備。如美國Raytheon二次雷達(dá)，意大利Alenia二次雷達(dá)，日本東芝雷達(dá)。在中央大力提倡國內(nèi)自主研發(fā)的政策下，國內(nèi)的一些廠家也緊跟國外技術(shù)開始研發(fā)屬于中國的二次雷達(dá)及其終端顯示系統(tǒng)。
    民航航管系統(tǒng)的基本要求是安全、迅速和有秩序地將乘客和貨物從某一地點(diǎn)空運(yùn)到另一指定地點(diǎn)。空中交通管制就是為達(dá)到此目的而建立的重要服務(wù)體系。為了滿足民航系統(tǒng)對雷達(dá)系統(tǒng)可靠性的要求，雷達(dá)的設(shè)計采用了雙通道熱備份設(shè)計，目的是在當(dāng)前通道故障的
情況下，保證航跡輸出的連續(xù)性，雙通道之間的切換單元在監(jiān)控計算機(jī)命令下迅速切換。

1 射頻切換系統(tǒng)組成
    單脈沖二次雷達(dá)應(yīng)答信號處理的基本流程如圖1所示。

    在射頻切換系統(tǒng)中，切換控制板接收監(jiān)控計算機(jī)發(fā)出的切換命令，當(dāng)確認(rèn)要求進(jìn)行切換時，通過切換控制板向切換開關(guān)發(fā)出切換信號，實(shí)現(xiàn)對三路射頻信號與兩個通道間的切換，三路(∑，△，Ω)開關(guān)的工作狀態(tài)一致，即同時工作在A通道或同時工作在B通道，三路開關(guān)的狀態(tài)隨時通過控制電纜以TTL差分方式送給數(shù)據(jù)處理。根據(jù)二次雷達(dá)的技術(shù)指標(biāo)，射頻開關(guān)的耐峰值功率大于2．5 kW，耐平均功率大于20 W。
在設(shè)計中，選擇了射頻開關(guān)TN6K31，該開關(guān)有足夠的頻寬和線性，確保信號不失真，插入損耗小于0．3 dB，通道隔離度大于70 dB，滿足雷達(dá)系統(tǒng)的指標(biāo)。
    射頻切換系統(tǒng)中切換控制單元的原理如圖2所示。

    在射頻切換系統(tǒng)的控制電路中，選用Lattice公司的EPLD作為主處理芯片(ispLS11032E)，該芯片有64個I／O端，8個指定輸入端，6 000個邏輯門，192個寄存器，最大時延小于等于12 ns，通過簡單的5線接口，即可用PC機(jī)對線路板上菊花鏈結(jié)構(gòu)的最多8個芯片進(jìn)行編程。
    切換開關(guān)工作原理為：A通道輸入選通控制脈沖時，如當(dāng)前開關(guān)工作在A通道，則維持在A通道，不作切換；如當(dāng)前開關(guān)工作在B通道，則切換到A通道。同樣，B通道輸入選通控制脈沖時，如當(dāng)前開關(guān)工作在B通道，則維持在B通道，不作切換；如當(dāng)前開關(guān)工作在A通道，則切換到B通道。即同時工作在A通道或同時工作在B通道，三路開關(guān)的狀態(tài)隨時通過控制電纜以TTL差分方式送給數(shù)據(jù)處理。
    在射頻切換控制板中信號流程如下：監(jiān)控計算機(jī)發(fā)出的差分切換脈沖經(jīng)差分接收器接收后，進(jìn)入可編程EPLD，在EPLD內(nèi)利用硬件語言實(shí)現(xiàn)了對切換脈沖的濾波、脈沖判斷、框架判斷等，確認(rèn)該信號為計算機(jī)切換命令而不是外來干擾后，發(fā)出切換信號到驅(qū)動單元，切換信號經(jīng)驅(qū)動單元到開關(guān)TN6K31的控制端，實(shí)現(xiàn)切換動作。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的具體細(xì)節(jié)
2．1 信號濾波與毛刺抑制
    二次雷達(dá)監(jiān)控計算機(jī)發(fā)出的通道切換信號是脈沖編碼信號。由于雷達(dá)工作電磁環(huán)境復(fù)雜，所以在系統(tǒng)內(nèi)部要判斷該信號是否為于擾信號，在系統(tǒng)中首先進(jìn)行切換信號前、后沿的提取，將切換信號輸入兩個寄存器，加以門電路實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。

    LE與TE分別切換信號的前沿與后沿，在經(jīng)過一系列寄存器，使前沿與后沿分別用觸發(fā)器進(jìn)行延時，根據(jù)前沿與后沿間間隔可以判斷出脈沖的寬度，對于不符合切換條件的毛刺與噪聲進(jìn)行抑制。
2．2 框架檢測
    正常情況下，監(jiān)控計算機(jī)發(fā)出的切換脈沖的兩個脈沖的間隔為20 ms，在切換控制系統(tǒng)中使用的時鐘為8．276 MHz，因此，一個切換命令的兩個脈沖的時間間隔就認(rèn)為兩個前沿間有167，168或169個時鐘周期。在該系統(tǒng)中，脈沖編碼的檢測是根據(jù)比較延時的前沿與非延時情況下的重合情況，延時的前沿對應(yīng)于框架脈沖F1，非延時的前沿對應(yīng)脈沖F2，F(xiàn)1相對于F2延時20ms，由于F2相對于F1有三個時鐘脈沖的變化范圍，F(xiàn)2與F1的前沿延時167，168或169個時鐘周期的任一個對齊，都認(rèn)為是一個正確的框架?？蚣軝z測示意如圖4所示。

3 結(jié)語
    雷達(dá)的發(fā)展和更新?lián)Q代不僅對雷達(dá)的性能提出了更高的要求，而且對實(shí)現(xiàn)的方式也提出了新的要求。集成度高、性能好、體積小已經(jīng)成為雷達(dá)設(shè)計的必然要求。飛機(jī)密度的不斷增加，對雷達(dá)系統(tǒng)的可靠性，提出了更嚴(yán)格的要求，為了提高可靠性，現(xiàn)代雷達(dá)使用雙機(jī)熱備份冗余設(shè)計，雙機(jī)中切換部分的可靠性關(guān)系到雷達(dá)的整體性能，用硬件設(shè)計語言編程EPLD方法處理二次雷達(dá)的切換信號具有很大的優(yōu)越性。