一種新型數字化終端在天線(xiàn)系統中應用

隨著(zhù)數字信號處理技術(shù)及大規模集成電路的發(fā)展，機載天線(xiàn)系統中的應答機正由單一功能向多功能方向過(guò)渡，總的技術(shù)發(fā)展要求設備輕型化、減小體積、減少重量、 降低功耗、進(jìn)步可靠性。為此，我們探索用數字電路和軟件技術(shù)來(lái)集成實(shí)現其多種功能，從而大大進(jìn)步機載天線(xiàn)應答機的綜合化能力，具有極為重要的現實(shí)意義。本 文將具體介紹這種新型數字化終端的實(shí)現方法及關(guān)鍵技術(shù)。

1 終端組成及工作原理

數字化終端是機載天線(xiàn)系統中應答機的重要組成部分，他接收視頻信號，經(jīng)過(guò)判定處理后，根據不同的工作狀態(tài)，完成脈沖應答測距和指令數據接收雙重功能。

1．1 終端組成

終端由同步檢測電路、時(shí)間基準提取電路、視頻處理電路、延遲電路、應答脈沖產(chǎn)生器、信號處理及控制電路、靈敏度及功率遠測電路組成。

1．2 工作原理

終端采用了高速信號處理器(DSP)、現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)及數據存儲器(NVRAM)等芯片實(shí)現其功能。其原理框圖如圖1所示。

具體實(shí)現過(guò)程如下：

視頻信號通過(guò)比較器整形后送人脈沖鑒別電路進(jìn)行脈沖鑒寬及測距時(shí)間基準提取。指令處理過(guò)程是將控制設備送人的4位地址與4位密鑰合成8位地址，用 (20，8)線(xiàn)性分組編碼得到20位編鎢信息，此編碼信息存放在固定的內存中。 然后對識別脈沖進(jìn)行判別，當機載天線(xiàn)的應答機工作在應答方式時(shí)，只需對后面的20位地址碼進(jìn)行采樣、解碼，再與固定內存中的20位地址按位比較，以產(chǎn)生地 址選通脈沖給應答脈沖產(chǎn)生器，該脈沖與控制設備送來(lái)的跟蹤狀態(tài)信號一起控制應答脈沖產(chǎn)生器是否轉發(fā)應答延遲脈沖給ASK調制器。

當應答機工作在指令傳送方式時(shí)，需對后面的155位碼字進(jìn)行采樣、解碼及RS糾檢錯譯碼，得到70位信息碼，將其前20位地址碼與固定內存中的20 位本地碼進(jìn)行比較，在地址相同的條件下，對指令代碼進(jìn)行判別后送控制設備。另一方面，將RS譯碼后得到的信息碼存人數據存儲器，以便事后進(jìn)行誤碼率分析。 功率及靈敏度遠測指示則用可重觸發(fā)的單穩態(tài)電路來(lái)實(shí)現。用檢測脈沖觸發(fā)單穩觸發(fā)器，其輸出端產(chǎn)生一個(gè)具有恒定寬度的脈沖，在該寬度內，如有檢測脈沖重復觸 發(fā)單穩觸發(fā)器，則輸出脈沖幅度可繼續保持(反之，輸出脈沖幅度降為0)，即得到穩定的電平輸出指示信號。

2 關(guān)鍵技術(shù)及性能分析

2．1 同步檢測

(1)信號格式

同步脈沖及基準脈沖的時(shí)間關(guān)系如圖2所示。

(2)同步脈沖提取及抗干擾措施

由于系統采用了隨機突發(fā)數據傳輸方式，因此快速建立同步是可靠接收數據的條件。該終端采用高速異步采樣和相關(guān)匹配技術(shù)實(shí)現突發(fā)數據的快速同步。由于解調后送人終真個(gè)視頻信號中伴有噪聲、毛刺等干擾信號，要想濾除干擾信號保存真實(shí)信號，還必須同時(shí)進(jìn)行抗干擾處理。

視頻信號先通過(guò)比較器進(jìn)行波形整形，由于在信號電平很小時(shí)基帶信號和噪聲信號電平較接近，為避免丟失基帶信號，比較器的門(mén)限電平不能選擇過(guò)高，適當的選擇門(mén)限電平可濾往部分噪聲信號。

利用終端晶振提供的20MHz時(shí)鐘對整形后的信號進(jìn)行高速采樣，將得到的同步信號送人脈沖鑒別電路，該電路由觸發(fā)器、計數器構成，能起到很好的抗干擾作用，他可以將脈寬小于規定值的毛刺和脈沖過(guò)寬的大部分干擾信號濾除，而只答應真實(shí)信號通過(guò)。

(3)同步性能分析

提取同步脈沖的目的是快速為應答時(shí)延和指令數據傳輸提供時(shí)間基準。由于系統要求同步盡可能的簡(jiǎn)單，又要具有一定的抗干擾能力，因此給同步的提取帶來(lái)了一定的難度。

在高信噪比的條件下，非相干ASK的誤比特率幾可表示為：Pb 1/2-r/4

其中：r為信道輸出信噪比。

同步脈沖的正確檢測概率PD同可表示為：

PD同＝(1一P b ) 4 1-4P b

同步脈沖的正確檢測概率如表1所示。

由表1可看出，當接收信號電平達一35dBm時(shí)，同步脈沖的性能完全可以滿(mǎn)足指標要求。

2．2 測距性能分析

為保障應答機時(shí)延的正確性，需要根據應答機的固有時(shí)延丈量結果修正應答延時(shí)，用FPGA實(shí)現延遲轉發(fā)的延時(shí)修正比采用其他延遲線(xiàn)更方便靈活。在FPGA中可以根據需要方便改變延遲時(shí)間的是非。

終端模塊引進(jìn)延時(shí)誤差的主要因素有：延遲時(shí)間的不確定性，時(shí)間基準脈沖提取等引進(jìn)的誤差。

(1)延遲時(shí)間的不確定性

應答延遲可采用多種不同的延遲方法，該終端電路中采用填充高頻脈沖的計數方法，即當計數值滿(mǎn)足下式時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)溢出脈沖往觸發(fā)應答信號產(chǎn)生電路。

計數值×T0(計數高頻脈沖周期)＝應答延遲時(shí)間

計數器的土1誤差將會(huì )引起應答延遲誤差，當計數高頻脈沖的重復頻率為20MHz時(shí)，引進(jìn)的時(shí)間延遲誤差τ1為：

△τ1=T0=三石-虧；= 50ns

(2)時(shí)間基準脈沖提取誤差

門(mén)限電平的變化(如隨溫度變化)將引起時(shí)間基準脈沖前沿抖動(dòng)，該抖動(dòng)所引進(jìn)的時(shí)延誤差為：

△τ2=τ前·AU

其中：U為判決門(mén)限電平，／xU為門(mén)限電平的變化。

當τ前=0．1μs，△U／U＝20％時(shí)，△τ2＝20ns。

(3)門(mén)觸發(fā)延遲抖動(dòng)誤差

檢波后的視頻信號通過(guò)視頻處理、檢測門(mén)限判決、延遲電路、信號產(chǎn)生電路等，要通過(guò)多級門(mén)電路，觸發(fā)延遲變化也會(huì )引進(jìn)應答延遲誤差，據經(jīng)驗取△τ3=20ns。

(4)終端總時(shí)延誤差

2．3 糾檢錯譯碼

該終端采用的是RS(31，15)糾錯譯碼(碼中包含15個(gè)數據字符和16個(gè)糾錯監視字符，可糾正8組40b錯誤或檢出16組80b錯誤)，將得到 的信息碼再進(jìn)行(75，70)檢錯譯碼，把糾錯譯碼未能糾正(超過(guò)了糾錯能力)的錯誤數據檢測出來(lái)，以便重新接收新數據(糾檢錯譯碼后的誤碼率計算從 略)。

為保證系統低誤碼率和指令的高可靠傳輸，該終端采用了分組碼和RS碼級聯(lián)糾檢錯譯碼方案，通常的譯碼算法比較復雜，譯碼時(shí)間較長(cháng)，為保證實(shí)時(shí)性，在 譯碼算法上使用了很多變通處理方法。如對RS碼的對數、反對數事先計算并以公道的格式存貯，將很多計算放在初始化時(shí)完成，進(jìn)步了譯碼速度。糾檢錯譯碼由軟 件編程來(lái)完成。

3 終端硬件實(shí)現及軟件分析

3．1 硬件實(shí)現

該終端采用了高速信號處理器DSP、大規?，F場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA、數據儲存器NVRAM以及RS422等芯片實(shí)現。硬件結構如圖3所示。

其中高速數字信號處理器TMS320F206主要完成中心控制、RS糾檢錯編譯碼、識別脈沖判別和傳輸數據格式天生等功能。該芯片內部具有2套分別 獨立的程序儲存器總線(xiàn)和數據存儲器總線(xiàn)，使其處理能力得到最大程度的優(yōu)化，能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)處理的要求。 大規?，F場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA主要完成脈沖鑒寬、測距時(shí)間基準、同步、信息碼采樣時(shí)鐘提取和應答脈沖產(chǎn)生等功能。該芯片既有門(mén)陣列的高邏輯密度和通用 性，又有可編程邏輯器件的用戶(hù)可編程特性，因此能滿(mǎn)足小型化、集成化和高可靠性的要求。數據存儲器NVRAM用來(lái)保存指令數據，掉電后數據不會(huì )丟失，可事 后進(jìn)行數據檢驗及誤碼率分析。RS422芯片實(shí)現TMS320F206與控制設備的數據傳輸。

3．2 軟件分析

該終端軟件由主程序、串口通訊子程序和指令處理子程序組成。主程序完成變量初始化，開(kāi)中斷，然后循環(huán)等待中斷。其流程如圖4所示。

串口通訊子程序完成地址接收，地址編碼后存人內存中。其流程圖如圖5所示。

經(jīng)過(guò)調試及運行，表明終真個(gè)硬件電路設計公道，軟件亦能夠較好地實(shí)現設計功能，證實(shí)該方案是可行的。指令處理子程序是中斷程序，其流程如圖6所示。

4 結 語(yǔ)

機載天線(xiàn)的應答機作為飛行器載設備，要求設備輕型化，低功耗，可靠性高。利用數字化技術(shù)和軟件技術(shù)，實(shí)現其設備的多功能綜合是滿(mǎn)足該技術(shù)發(fā)展要求的 必然趨勢。在本系統中，通過(guò)采用糾、檢錯快速譯碼和突發(fā)數據傳輸的快速同步等技術(shù)，使得數字化終端具有同步時(shí)間短，抗干擾功能強，數據傳輸安全、保密、誤 碼率低，應答延時(shí)穩定等特點(diǎn)，綜合實(shí)現了脈沖應答測距及指令接收雙重功能，同時(shí)也為其在同類(lèi)天線(xiàn)系統的使用提供了參考。