航管二次監(jiān)視雷達(dá)地面詢問編碼器的FPGA設(shè)計(jì)

引 言

　　隨著航空事業(yè)的發(fā)展，空中流量的增加使空中交通管理系統(tǒng)的作用顯得非常重要?？展苋藛T利用雷達(dá)為已被識(shí)別的航空器提供管制服務(wù)，可以從雷達(dá)屏幕上看到飛機(jī)的信息參數(shù)。在航管體系中，常規(guī)模式及S模式技術(shù)用于監(jiān)視功能，建立在獨(dú)立編址，選擇詢問的基礎(chǔ)之上，信息交換是通過將上行詢問內(nèi)容和下行應(yīng)答內(nèi)容進(jìn)行脈沖編碼實(shí)現(xiàn)。編碼器是整個(gè)雷達(dá)的中心，用于產(chǎn)生整機(jī)同步信號(hào)和詢問信號(hào)。因此，具有高優(yōu)良性能詢問機(jī)編碼器脈沖編碼信號(hào)處理技術(shù)至關(guān)重要。同時(shí)對(duì)雷達(dá)信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性提出了嚴(yán)格的要求，在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)應(yīng)答信號(hào)的處理，完成目標(biāo)識(shí)別，給出目標(biāo)飛行器的信息參數(shù)；同時(shí)在設(shè)備體積、功耗方面的嚴(yán)格要求使信號(hào)處理設(shè)備必須向小型化、智能化、可編程的趨勢(shì)發(fā)展，又要求信號(hào)處理系統(tǒng)具有高可靠性和系統(tǒng)升級(jí)的需要。

　　現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件及其相關(guān)技術(shù)是當(dāng)代微電子技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，FPGA是一種多用途、高密度的可重復(fù)編程邏輯門陣列。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，F(xiàn)PGA不僅具有設(shè)計(jì)方便，靈活和校驗(yàn)快等特點(diǎn)，可以大大縮減研發(fā)時(shí)間，減少設(shè)計(jì)費(fèi)用，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)將：FPGA技術(shù)、微控制器、雷達(dá)顯控界面結(jié)合的系統(tǒng)應(yīng)用于設(shè)計(jì)高性能的雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)，可提高系統(tǒng)集成度，減小電路規(guī)模，從而提高可靠性，無(wú)論在速度、體積方面，還是在設(shè)計(jì)的靈活性上都能適應(yīng)現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的要求。

　　1 航管二次雷達(dá)地面詢問編碼器的工作原理

　　1．1 編碼器功能描述

　　航管二次雷達(dá)地面站收發(fā)系統(tǒng)由編碼器、詢問器、接收機(jī)三部分組成。如圖1所示，編碼器是整個(gè)雷達(dá)的中心，它有三個(gè)作用：

　　(1)產(chǎn)生整機(jī)的同步脈沖。它可以工作于外同步和內(nèi)同步兩種方式。當(dāng)同步脈沖工作于內(nèi)同步，即當(dāng)二次雷達(dá)獨(dú)立工作時(shí)，產(chǎn)生重復(fù)頻率f=150～450 Hz的整機(jī)同步信號(hào)S0。當(dāng)二次雷達(dá)和一次雷達(dá)配合工作時(shí)，由一次雷達(dá)提供整機(jī)同步觸發(fā)信號(hào)，即外同步時(shí)，二次雷達(dá)的重復(fù)頻率f2和一次雷達(dá)的重復(fù)頻率 f1有以下的關(guān)系：

　?、佼?dāng)150 Hz≤f2≤450 Hz時(shí)，f2=f1；

　?、诋?dāng)450 Hz

　　③當(dāng)900 Hz

　　民航規(guī)定f2≤450 Hz。重復(fù)頻率的選擇取決于作用距離的大小。

　　(2)產(chǎn)生各種詢問模式。

　　發(fā)射機(jī)在詢問脈沖的調(diào)制下，產(chǎn)生1 030 MHz的射頻脈沖，經(jīng)三端環(huán)形器送到天線。天線在同步脈沖的控制下，將P1，P3進(jìn)入和通道，P2進(jìn)入差通道。接收機(jī)在將1 090 MHz的射頻應(yīng)答信號(hào)轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)，送至終端裝置進(jìn)行處理。

　　1．2 編碼器同步信號(hào)S0產(chǎn)生原理

　　式中：Rlmax為最大詢問距離；λI為詢問射頻波長(zhǎng)；GI為詢問天線增益；GR為應(yīng)答天線增益；Prmin為應(yīng)答器接收機(jī)靈敏度；Pr為地面發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率；LI為三端環(huán)形器和饋線系統(tǒng)損耗；LR為應(yīng)答器饋線增益。

　　詢問周期對(duì)應(yīng)S0同步信號(hào)周期。結(jié)合實(shí)際工程的參數(shù)，按照上面公式計(jì)算出詢問時(shí)間每1μs對(duì)應(yīng)的詢問距離為150 m的比例。由人工航線監(jiān)視的二次雷達(dá)的作用距離為450 km時(shí)，對(duì)應(yīng)詢問周期為3．5 ms；為370 km左右時(shí)，對(duì)應(yīng)詢問周期為2．5 ms。機(jī)場(chǎng)終端區(qū)域Ⅲ監(jiān)視用的作用距離為140 km時(shí)，對(duì)應(yīng)詢問周期為0．000 9 ms。