航管二次监视雷达地面询问编码器的FPGA设计

文章摘要：引 言随着航空事业的发展，空中流量的增加使空中交通管理系统的作用显得非常重要。空管人员利用雷达为已被识别的航空器提供管制服务，可以从雷达屏幕上看到飞机的信息参数。在航管体系中，常规模式及S模式技术用于监视功能，建立在独立编址，选择询问的基础之上，信息交换是通过将上行询问内容和下行应答内容进行脉冲编码实现。编码器是整个雷达的中心，用于产生整机同步信号和询问信号。因此，具有高优良性能询问机编码器脉冲编码信号处理技术至关重要。同时对雷达信号处理的实时性提出了严格的要求，在毫秒级的时间内完成对应答信号的处理，完成目标识别，给出目标飞行器的信息参数；同时在设备体积、功耗方面的严格要求使信号处理设备必须向

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　　引 言

　　随着航空事业的发展，空中流量的增加使空中交通管理系统的作用显得非常重要。空管人员利用雷达为已被识别的航空器提供管制服务，可以从雷达屏幕上看到飞机的信息参数。在航管体系中，常规模式及S模式技术用于监视功能，建立在独立编址，选择询问的基础之上，信息交换是通过将上行询问内容和下行应答内容进行脉冲编码实现。编码器是整个雷达的中心，用于产生整机同步信号和询问信号。因此，具有高优良性能询问机编码器脉冲编码信号处理技术至关重要。同时对雷达信号处理的实时性提出了严格的要求，在毫秒级的时间内完成对应答信号的处理，完成目标识别，给出目标飞行器的信息参数；同时在设备体积、功耗方面的严格要求使信号处理设备必须向小型化、智能化、可编程的趋势发展，又要求信号处理系统具有高可靠性和系统升级的需要。

　　现场可编程逻辑器件及其相关技术是当代微电子技术迅速发展的产物，FPGA是一种多用途、高密度的可重复编程逻辑门阵列。与传统技术相比，FPGA不仅具有设计方便，灵活和校验快等特点，可以大大缩减研发时间，减少设计费用，降低设计风险；同时将：FPGA技术、微控制器、雷达显控界面结合的系统应用于设计高性能的雷达信号处理机，可提高系统集成度，减小电路规模，从而提高可靠性，无论在速度、体积方面，还是在设计的灵活性上都能适应现代雷达信号处理系统的要求。

　　1 航管二次雷达地面询问编码器的工作原理

　　1．1 编码器功能描述

　　航管二次雷达地面站收发系统由编码器、询问器、接收机三部分组成。如图1所示，编码器是整个雷达的中心，它有三个作用：

　　(1)产生整机的同步脉冲。它可以工作于外同步和内同步两种方式。当同步脉冲工作于内同步，即当二次雷达独立工作时，产生重复频率f=150～450 Hz的整机同步信号S0。当二次雷达和一次雷达配合工作时，由一次雷达提供整机同步触发信号，即外同步时，二次雷达的重复频率f2和一次雷达的重复频率 f1有以下的关系：

　　①当150 Hz≤f2≤450 Hz时，f2=f1；

　　②当450 Hz<f2≤900 Hz时，f2=1／2f1；

　　③当900 Hz<f2≤1 350 Hz时，f2=1／3f1。

　　民航规定f2≤450 Hz。重复频率的选择取决于作用距离的大小。

　　(2)产生各种询问模式。

　　发射机在询问脉冲的调制下，产生1 030 MHz的射频脉冲，经三端环形器送到天线。天线在同步脉冲的控制下，将P1，P3进入和通道，P2进入差通道。接收机在将1 090 MHz的射频应答信号转换成视频信号，送至终端装置进行处理。

　　1．2 编码器同步信号S0产生原理

　　式中：Rlmax为最大询问距离；λI为询问射频波长；GI为询问天线增益；GR为应答天线增益；Prmin为应答器接收机灵敏度；Pr为地面发射机的发射功率；LI为三端环形器和馈线系统损耗；LR为应答器馈线增益。

　　询问周期对应S0同步信号周期。结合实际工程的参数，按照上面公式计算出询问时间每1μs对应的询问距离为150 m的比例。由人工航线监视的二次雷达的作用距离为450 km时，对应询问周期为3．5 ms；为370 km左右时，对应询问周期为2．5 ms。机场终端区域Ⅲ监视用的作用距离为140 km时，对应询问周期为0．000 9 ms。

　　1．3 编码器系统结构

　　图2所示为编码器信号处理框图。它采用雷达显控界面、微处理器和FPGA芯片相结合的信号处理系统。对于编码器的设计主要实现上述三个功能(见1．1小节)，采用IPcore技术提取界面下传数据采集和微处理器命令，采用分频电路产生各模块所需的时钟，依据询问命令产生同步编码信号S0。由此编码产生常规模式及其交替模式，S模式的询问信号。可用数字示波器进行实时测量；射频组件可对编码信号进行测试并产生线性检波信号，经A／D转换后，送入 IPcore采集数字信号，并上传至界面定性显示波形。

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