CN102435982A - 一种三模式空管应答机及对三种模式询问信号的检测和识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三模式空管应答机。该空管应答机包括收发单元、信号处理单元、天线和馈线，其中，信号处理单元包括载波同步模块、三模式检测识别模块、应答信号形成模块、AFC模块、AGC模块、位同步抽样判决模块等，用于对来自收发单元的中频询问信号进行采样、数字下变频、捕获与跟踪等数字处理，根据基带询问信号的幅度值和相位值，并通过设置特征检测窗口和只在规定时间段内提高时钟速度，实现三种模式的询问信号的检测和识别，并按识别的模式按时发出相应模式的基带应答信号给收发单元。本发明具有抗干扰能力强、容差适应性高、测距准确度高等优点。

Description

一种三模式空管应答机及对三种模式询问信号的检测和识别方法

技术领域

本发明属于导航电子设备技术领域，特别涉及一种A模式/C模式/S模式三模式空管应答机，可用于对A模式/C模式/S模式三模式二次雷达的询问进行应答，并配合该二次雷达进行测距。

背景技术

空管应答机与二次雷达协同工作，构成空中交通管制(ATC)系统。空管应答机的工作模式有A模式、B模式、C模式、D模式、S模式等。在国内，A模式、C模式的应用最为广泛，S模式的应用日益扩大，其它模式的应用范围有限；在国外，S模式已成为市场主流，其它模式的应用范围有限。为向下兼容，S模式空管应答机也能够应答A模式和C模式的询问。

如附图5所示，A模式的询问信号由询问脉冲P1、询问脉冲P3和旁瓣抑制脉冲P2组成，各脉冲信号的调制方式均是脉冲幅度调制PAM。若P1脉冲幅度比P2脉冲幅度大，且大于9dB时，应答机才应答；否则不予应答。P1、P2、P3脉冲宽度均为0.8μs，P1与P2间隔为2μs，P1与P3间隔为8μs。

C模式的询问信号的格式同A模式询问信号，除了P1和P3脉冲间隔为21μs。C模式的询问信号格式仍如附图5所示。

如附图6所示，S模式的询问信号由询问脉冲P1、询问脉冲P2、信息块脉冲P6和旁瓣抑制脉冲P5组成。P1与P2间隔为2μs，P2与P6间隔为1.5μs。P1、P2、P5脉冲信号的调制方式均是PAM，脉宽均为0.8μs；P6脉冲信号的调制方式是差分相移键控DPSK，脉宽为16.25μs或30.25μs，P6内部有相位的反转，用来携带信息，第一个相位反转出现在P6的上升沿后的1.25μs处，称作“同步相位反转”，作为对P6内部的数据进行解调的时钟同步以及应答信号发射的时间参考。P5旁瓣抑制脉冲与P6的“同步相位反转”位置在时间上重叠，若P5幅度强于P6幅度，应答机因检测不到“同步相位反转”的相位而不应答；若P5幅度弱于P6幅度，应答机可检测到“同步相位反转”的相位而应答。

如附图7所示，在A模式下，P1与P3间隔为8μs；在C模式下，P1与P3间隔为21μs；在S模式下，P1与P6间隔为3.5μs。在三种模式下，P1与P2间隔均为2μs，即P1脉冲与P2脉冲出现的相对位置对于三种模式都相同。三种模式的各个脉冲的出现位置，按时间先后依次为P1脉冲、P2脉冲、P6脉冲的上升沿、P6脉冲的“同步相位反转”、A模式P3脉冲、C模式P3脉冲。

相关的专利文献，例如，中国专利《一种利用S模式应答机的飞机应答机着陆系统》(专利号200720310745.3)、中国专利《应答器着陆系统》(申请号01812543.3)、中国专利《模式S二次雷达测试应答机》(申请号200920082246.2)、中国专利《机载应答机A/C模式应答信号的识别方法》(申请号201010563658.5)，所公开的技术方案都与本发明无重合之处。

上述中国专利文献以及现有的空管应答机及空管应答机对询问信号的检测和识别方法存在如下缺点：

1)在国内外，一些空管应答机仍采用模拟中频处理；

2)在公开的文献资料中，对于空管应答机的应答信号与询问信号之间时间差的要求是：A模式或C模式均为±0.5μs，S模式为±0.25μs；根据二次雷达的测距公式，折算为对测距准确度的要求即：A模式或C模式均为±150m，S模式为±75m；因此测距的准确度较低，可提高的空间较大；

3)若将A模式、C模式和S模式的空管应答机硬件拼合成可同时并行工作的三模式应答机，则缺点有二条，第一条是：硬件资源重复配置，造成资源的闲置和浪费；第二条是：实际出现概率极低的情况是三种模式的询问信号同时到达空管应答机的天线处，则信号必然相互交叠，信号特征已被破坏，导致空管应答机对哪种模式的询问信号都不能识别；因此硬件拼合的这种实现方法不可取；

实际出现概率极高的情况是三种模式的询问信号不同时到达空管应答机的天线处，各个信号仍保持各自应有的信号特征，可以采用一个流程实现对三种模式询问信号的检测与识别，达到硬件资源共享的目的，但在公开的文献资料中，只介绍了A模式、C模式和S模式的询问信号的信号特征，却没有提及采用一个流程实现对三种模式询问信号的检测与识别方法；

4)射频询问信号在空间传输后到达空管应答机的天线处，该信号会产生一定程度的变化，且信号叠加了空间的各种干扰，但在公开的文献资料中，未提及抗干扰的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，针对上述实际出现概率极高的情况，提出一种三模式空管应答机及对三种模式询问信号的检测和识别方法，可以提高三模式空管应答机三种工作模式的测距准确度，并增强空管应答机的抗干扰能力和容差适应性。

本发明的技术原理是：该三模式空管应答机先将该射频询问信号下变频为中频询问信号，进行中频数字正交处理，求出基带询问信号的幅度和相位，依据其幅度和相位，根据三种模式询问信号内部各个脉冲的共同特征和专有特征，例如脉冲幅度、脉冲宽度、脉冲间距、脉内相位跳变等特征，通过一个包含数个分支的流程，检测并识别该询问信号的所属模式，从而按时实现相应模式的应答。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

1)提供一种三模式空管应答机，包括收发单元、信号处理单元、天线和馈线，其中，信号处理单元包括载波同步模块、三模式识别检测模块、应答信号形成模块，该载波同步模块处理收发单元接收到的询问信号，输出基带询问信号的幅度和相位到三模式识别检测模块，该三模式识别检测模块输出模式选择信号到应答信号形成模块，该应答信号形成模块根据识别的模式按时发出相应的基带应答信号。

该信号处理单元还包括A/D模块、AGC自动增益控制模块、AFC自动频率控制模块、数据接口模块、收发控制模块，其中，A/D模块对收发单元输出的中频询问信号进行采样量化，输出数字中频询问信号分别给载波同步模块和AGC模块；AGC自动增益控制模块对数字中频询问信号的幅度高低进行计算，输出AGC控制信号到收发单元；AFC自动频率控制模块接收载波同步模块产生的I、Q正交数据，并输出数控振荡器NCO的调节信号给载波同步模块；数据接口模块将上行信息输出给外部设备，并将下行信息从外部设备通过数据接口传输给应答信号形成模块；收发控制模块接收三模式检测识别模块产生的定时信号，并向收发单元输出收发分时及转换的控制信号。

该信号处理单元还包括位同步及抽样判决模块、S模式DPSK解调模块、上行信息解码模块，其中，位同步及抽样判决模块根据基带询问信号的相位进行位同步和抽样判决，输出同步控制信号给上行信息解码子模块；上行信息解码子模块依据DO-181D协议进行S模式上行信息的解码，将已解析的上行信息存储并输出给数据接口模块；S模式DPSK解调模块对S模式的询问数据进行DPSK解调，并将已解调的数据输出给上行信息解码子模块。

本发明信号处理单元实现的功能有：对来自收发单元的中频询问信号进行A/D采样、数字下变频等数字正交处理、AFC控制，根据求出的基带询问信号的幅度值和相位值对三种模式的询问信号进行检测和识别，并按识别的模式按时发出相应模式的基带应答信号给收发单元。

本发明三模式检测识别模块实现的功能有：检测并识别三种模式的询问信号，按识别的模式选通相应模式的应答，产生各种定时信号，控制应答信号的发出时刻，控制收发分时及转换信号的发出时刻；在检测过程中，只在规定的时间段内对信号特征进行检测，提高了抗干扰能力；在检测过程中，在一定范围的时间段内对信号特征进行检测，提高了容差适应性；在检测过程中，只在规定的时间段内提高处理时钟速度，在不大幅增大处理运算量的前提条件下，提高了测距准确度。

2)提供一种三种模式询问信号的检测和识别方法，应答机处于接收状态时，按处理时钟节拍把基带询问信号的幅度值和相位值输入给三模式检测识别模块，该模块按照应答机实际底噪的高低，预先设定一个底噪门限值，判断信号幅度值的有效性，若有效则继续依据A模式、C模式、S模式询问信号脉冲特征的差异，判断该询问所属的模式，从而控制其它模块按时回复相应的应答。对于A模式或C模式，利用基带询问信号的幅度值，检测P1、P2、P3的脉冲幅度、脉冲宽度、各个脉冲的相对位置；对于S模式，利用基带询问信号的幅度值和相位值，检测P1、P2的脉冲幅度、P1、P2的脉冲宽度、P6脉冲上升沿、P6脉冲的相位第一次跳变点、各脉冲的特征点的相对位置。

应答信号与询问信号之间时间差的准确是确保应答机测距准确的关键参数，该时间差可分解为两个要素：能否准确找出应答信号的“延时基准”时刻；能否精准延时及到时发出应答信号。对中频询问信号进行数字正交处理的处理时钟的高低决定了要素一，进行延时及到时发出基带应答信号的延时时钟的高低决定了要素二。时钟速度越高则准确度越高，但提高处理时钟会增大信号处理单元的处理运算量，并加大实现的难度和功耗，而且在绝大部分时间里，因提高处理时钟而多得到的数据点是无用且必须丢弃的；提高延时时钟相对很少增加信号处理单元的处理运算量。因此提高测距准确度的方法有二条：在检测询问信号时，绝大部分时间不提高处理时钟，只在包含询问信号的“延时基准”在内的小段时间里，提高处理时钟，以及提高延时时钟。

因此，本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)基于数字信号处理；

2)抗干扰能力很强：设置特征检测窗口，在询问信号的特征位置打开窗口，进行脉冲特征检测，在其余处关闭窗口不予检测；

3)对询问信号内部各个脉冲的容差或畸变有较强的容差适应性：

在检测的同时可以滤除宽度过宽或过窄的脉冲，而且不单独占用时间、不单独占用硬件资源；

可以容许各个脉冲的宽度的真实值与理论值存在一定范围的正负偏差；

可以容许并适应各个脉冲的相对位置的真实值与理论值存在一定范围的正负偏差；

4)测距准确度得到提高：提高了应答信号与询问信号之间时间差的准确度；

5)硬件资源共享：对三种模式询问信号的检测与识别共用一个流程。

附图说明

图1是本发明三模式空管应答机的原理框图；

图2是本发明三模式空管应答机的模块组成框图；

图3是本发明信号处理单元的结构框图；

图4是本发明三种模式询问信号的检测和识别流程图；

图5是现有技术中A模式或C模式询问信号格式的示意图；

图6是现有技术中S模式询问信号格式的示意图；

图7是现有技术中三种模式的各个脉冲相对出现位置示意图；

图8是本发明三种模式应答信号与询问信号的时序关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

参照附图1，本发明三模式空管应答机包括收发单元、信号处理单元、电源单元、天线、馈线。其中，天线通过馈线与收发单元的射频I/O端口相连接。收发单元包含接收支路、发射支路、频率源、环形器，通过环形器共用收发单元的射频I/O端口，实现接收、发射两支路分时工作；频率源为接收支路和发射支路提供参考频率，并为信号处理单元提供参考时钟；接收支路将来自天线的射频询问信号下变频为中频询问信号输出给信号处理单元；发射支路将来自信号处理单元的基带应答信号调制放大成射频应答信号输出给天线。信号处理单元对接收的中频询问信号进行处理，输出基带应答信号，并输出AGC控制信号、收发控制信号到收发单元，信号处理单元具有RS422数据接口，实现与其它外部设备的连接。电源单元分别为收发单元和信号处理单元供电。

参照附图2和3，本发明信号处理单元包括A/D模块、Costas环模块、AFC自动频率控制模块、三模式检测识别模块、S模式DPSK解调模块、S模式上行信息解码模块、S模式位同步及抽样判决模块、收发控制模块、A模式基带应答信号形成子模块、C模式基带应答信号形成子模块、S模式基带应答信号形成子模块、AGC自动增益控制模块、RS422数据接口模块。

系统的工作过程为：

1)收发单元处于接收状态，收发单元将输入的射频询问信号下变频成中频询问信号，输出给信号处理单元；

2)信号处理单元将来自收发单元的中频询问信号输入给A/D模块执行采样量化，变为数字中频信号，分别送入Costas环模块和AGC模块，AGC模块根据该信号幅度的高低进行计算，输出AGC控制信号以调整收发单元的接收支路的增益；Costas环模块对数字中频信号进行数字下变频和载波相位同步，以CORDIC算法求出基带询问信号的幅度和相位，Costas环模块向AFC模块输出I和Q数据，而AFC模块调节Costas环模块内部的数控振荡器NCO以达到载波频率同步，Costas环模块向三模式检测识别模块输出基带询问信号的幅度和相位，三模式检测识别模块对三种模式的询问信号进行检测和识别，并输出模式选择信号到A模式基带应答信号形成子模块、C模式基带应答信号形成子模块、S模式基带应答信号形成子模块，按照识别的模式从这三个子模块之中选定一个子模块，控制该子模块按时发出基带应答信号给收发单元，收发控制模块依据三模式检测识别模块产生的定时信号向收发单元输出收发分时及转换的控制信号。A模式基带应答信号形成子模块的功能是进行A模式下行信息的编码和应答数据PAM调制，C模式基带应答信号形成子模块的功能是进行C模式下行信息的编码和应答数据PAM调制，S模式基带应答信号形成子模块的功能是依据DO-181D协议进行S模式下行信息的编码和应答数据PPM调制，DPSK解调模块得到Costas环模块输出的基带询问信号的相位，进行S模式询问数据的DPSK解调，在位同步及抽样判决模块的同步控制下，上行信息解码模块依据DO-181D协议对已解调的数据进行上行信息解码，得到S模式的上行信息后，存储并通过RS422数据接口模块输出给外部设备，下行信息由外部设备通过RS422串口输入，分别送给A模式、C模式、S模式基带应答信号形成子模块。

3)收发单元接收来自信号处理单元的基带应答信号，并受到收发分时及转换信号的控制，收发单元置于发射状态，将基带应答信号对载波调制放大成射频应答信号发射，发射完毕收发单元返回接收状态。

参照附图4，本发明三种模式询问信号的检测和识别方法的具体实现流程主要包括一个三模式公共主干和二个分支，这二个分支是：S模式分支、A模式及C模式分支；A模式及C模式分支包括：一个A模式及C模式子公共主干、一个A模式子分支、一个C模式子分支。该流程首先进入的是三模式公共主干，A模式及C模式分支中先进入的是A模式及C模式子公共主干；

三模式公共主干：应答机处于“等待接收”稳态，判断基带询问信号的幅度值是否有效，若有效，则检测P1脉冲是否有效，若P1脉冲有效，则等待到达Td2-ΔT时刻，将P1脉冲上升沿的出现时刻标记为SK1，Td2＝SK1+2μs，ΔT≤0.1μs或按需选择，然后检测P2脉冲是否有效，若P2脉冲有效，则比较P2脉冲与P1脉冲的幅度，若(P1脉冲幅度-P2脉冲幅度)＞9dB，则进入A模式及C模式分支，若(P1脉冲幅度-P2脉冲幅度)≤9dB，则进入S模式分支，若P2脉冲无效，则也进入A模式及C模式分支；

S模式分支：等待到达Td6-ΔT时刻，Td6＝SK1+3.5μs，检测P6脉冲的上升沿是否有效，若有效，则将P6脉冲上升沿的真实出现时刻标记为SK6，等待到达T6SYN-ΔT6时刻，T6SYN＝SK6+1.25μs，ΔT6≤0.05μs或按需选择，检测“同步相位反转”是否有效，若有效则认定为S模式，并将该“同步相位反转”的真实出现时刻标记为SK6SYN；然后进行S模式询问数据DPSK解调、上行信息解码、下行信息编码、应答数据PPM调制，等待到达SK6SYN+TGS时刻，发出S模式基带应答信号，其中，TGS＝TS-(收发模块和馈线信道对询问及应答信号的总延时)，TS＝128μs±0.5μs；

A模式及C模式子公共主干：等待到达Td3A-ΔT时刻，Td3A＝SK1+8μs，检测P3脉冲是否有效，若有效则进入A模式子分支，若无效则进入C模式子分支；

A模式子分支：认定为A模式，将P3脉冲上升沿的真实出现时刻标记为SK3A，然后进行A模式下行信息编码、应答数据PAM调制，等待到达SK3A+TG时刻，发出A模式基带应答信号；其中，TG＝TAC-(收发模块和馈线信道对询问及应答信号的总延时)，TAC＝3μs±0.5μs；

C模式子分支：等待到达Td3C-ΔT时刻，Td3C＝SK1+21μs，再次检测P3脉冲是否有效，若有效则认定为C模式，并将P3脉冲上升沿的真实出现时刻标记为SK3C，然后进行C模式下行信息编码、应答数据PAM调制，等待到达SK3C+TG时刻，发出C模式基带应答信号。

上述各分支中若没有提及“若无效则如何执行”的情况均跳转到“等待接收”处。

参照附图8，在本发明三种模式应答信号与询问信号的时序关系中标明了S模式应答信号的“延时基准”是P6脉冲中的“同步相位反转”，A模式或C模式应答信号的“延时基准”是P3脉冲的上升沿。

参照附图4和8，应答机处于接收状态

信号处理单元的A/D采样时钟为CKA，数字下变频、对采样数据进行抽取、采用CORDIC算法计算基带询问信号的幅度和相位的处理时钟均为CKB，设CKA＝40MHz，CKB＝10MHz。三种模式询问信号的检测和识别方法包括如下步骤：

1)应答机处于接收状态

按照处理时钟CKB的节拍，基带询问信号的幅度和相位输入到三模式检测识别模块；

2)判断基带询问信号的幅度值是否有效：若幅度值大于底噪门限值则判为有效，继续步骤3)，否则无效，跳至步骤1)；

3)检测P1脉冲是否有效：

3a)检测P1脉冲的上升沿是否有效：对在前后相邻的两个CKB时钟得到的基带询问信号幅度值进行比较，若后面的幅度值减去前面的幅度值大于MG，则判为上升沿有效，将P1脉冲上升沿的出现时刻标记为SK1，继续步骤3b)，否则无效，跳至步骤1)；MG代表脉冲幅度门限值，MG＞0，对MG的取值要综合考虑应答机的接收灵敏度、收发单元的增益等因素；设计一个数字计数器1，时刻SK1是计数的起始时刻，计数时钟为CKB，先后依次产生16个时刻的定时：Te1-ΔT、Te1+ΔT、Td2-ΔT、Td2+ΔT、Te2-ΔT、Te2+ΔT、Td6-ΔT、Td6+ΔT、Td3A-ΔT、Td3A+ΔT、Te3A-ΔT、Te3A+ΔT、Td3C-ΔT、Td3C+ΔT、Te3C-ΔT、Te3C+ΔT，当跳至时复位该计数器；

3b)检测P1脉冲的下降沿是否有效：对在前后间隔一个CKB时钟的两个CKB时钟得到的基带询问信号幅度值进行比较，若前面的幅度值减去后面的幅度值大于MG，则判为下降沿有效；设该下降沿的理论出现时刻为Te1，Te1＝SK1+0.8μs，在时刻Te1-ΔT打开对该下降沿的检测窗口，在时刻Te1+ΔT关闭对该下降沿的检测窗口，对该下降沿检测的持续时间是2ΔT，若在该时段里找到下降沿有效则继续步骤4)，若超时仍未找到则判为无效，跳至步骤1)；因此P1脉冲的宽度容限为(0.8μs-ΔT)～(0.8μs+ΔT)，脉冲宽度过宽或过窄的脉冲都判为无效脉冲，上述ΔT≤0.1μs或按需选择；

4)检测P2脉冲是否有效：

4a)检测P2脉冲的上升沿是否有效：对在前后相邻的两个CKB时钟得到的基带询问信号幅度值进行比较，若后面的幅度值减去前面的幅度值大于MG，则判为上升沿有效(即与P1脉冲上升沿的检测方法相同)，设该上升沿的理论出现时刻为Td2，Td2＝SK1+2μs，在时刻Td2-ΔT打开对该上升沿的检测窗口，在时刻Td2+ΔT关闭对该上升沿的检测窗口，对该上升沿检测的持续时间是2ΔT，若在该时段里找到上升沿有效则继续步骤4b)，若超时仍未找到则判为无效，跳至步骤9)；

4b)在从时刻Te2-ΔT到时刻Te2+ΔT，检测P2脉冲的下降沿是否有效：对在前后间隔一个CKB时钟的两个CKB时钟得到的基带询问信号幅度值进行比较，若前面的幅度值减去后面的幅度值大于MG，则判为下降沿有效(即与P1脉冲下降沿的检测方法相同)；设该下降沿的理论出现时刻为Te2，Te2＝SK1+2.8μs，若有效则继续步骤5)，否则跳至步骤9)；因此P2脉冲的宽度容限为(0.8μs-2ΔT)～(0.8μs+2ΔT)，脉冲宽度过宽或过窄的脉冲都判为无效脉冲；

5)将P2脉冲幅度值与P1脉冲幅度值进行比较，判断P1脉冲幅度比P2脉冲幅度是否大9dB，是则跳至步骤9)，否则继续步骤6)；

6)在从时刻Td6-ΔT到时刻Td6+ΔT，检测P6脉冲的上升沿是否有效：对在前后相邻的两个CKB时钟得到的基带询问信号幅度值进行比较，若后面的幅度值减去前面的幅度值大于MG，则判为上升沿有效(即与P2脉冲上升沿的检测方法相同)；设该上升沿的理论出现时刻为Td6，Td6＝SK1+3.5μs，若有效则将P6脉冲上升沿的真实出现时刻标记为SK6，继续步骤7)，若无效则跳至步骤1)；设计一个数字计数器2，时刻SK6是计数的起始时刻，计数时钟为CKB，产生2个时刻的定时：T6SYN-ΔT6、T6SYN+ΔT6，当跳至

时复位该计数器；

7)检测“同步相位反转”是否有效：在从时刻T6SYN-ΔT6到时刻T6SYN+ΔT6，把处理时钟的速度从CKB提高到CKA，对采样数据不进行抽取，把在前后相邻的两个CKA时钟得到的基带询问信号相位值进行比较，若后面的相位值与前面的相位值第一次出现反转，即表示P6脉冲中的“同步相位反转”有效，若有效则将“同步相位反转”的真实出现时刻标记为SK6SYN，继续步骤8)，若无效则跳至步骤1)；“同步相位反转”的理论出现时刻为T6SYN，T6SYN＝SK6+1.25μs，对其检测的持续时间是2ΔT6，上述ΔT6≤0.05μs或按需选择；时刻SK6SYN是S模式的“延时基准”，以计数的方法延时TGS，计数时钟为CKA，到时则发出S模式应答信号，即设计一个数字计数器3，以时刻SK6SYN作为起始时刻，产生S模式应答信号的发出时刻的定时：SK6SYN+TGS，定时结束时复位该计数器，上述TGS＝TS-(收发模块和馈线信道对询问及应答信号的总延时)，上述TS＝128μs±0.25μs；当处理时钟从10MHz提高到40MHz时，测距准确度则从30m改善到7.5m；

8)在TGS时段内，信号处理单元完成：对P6脉冲进行S模式询问数据DPSK解调，上行信息解码，下行信息编码，应答数据PPM调制，在时刻SK6SYN+TGS发出S模式基带应答信号给收发单元，在发出该应答信号时置应答机于发射状态，发射结束跳至步骤1)；

9)检测A模式的P3脉冲是否有效：

9a)在从时刻Td3A-ΔT到时刻Td3A+ΔT，检测P3脉冲的上升沿是否有效：把处理时钟的速度从CKB提高到CKA，对采样数据不进行抽取，设该上升沿的理论出现时刻为Td3A，Td3A＝SK1+8μs，在连续的五个CKA时钟，对在前后相邻的两个时钟得到的基带询问信号幅度值进行比较，若后面的幅度值大于前面的幅度值，连续有四次则判为上升沿有效，若有效则将第三个CKA时钟作为该上升沿真实出现时刻标记为SK3A，继续步骤9b)，若无效则跳至步骤11)；时刻SK3A是A模式的“延时基准”，以计数的方法延时TG，计数时钟为CKA，到时则发出A模式应答信号，即设计一个数字计数器4，以时刻SK3A作为起始时刻，产生A模式应答信号的发出时刻的定时：SK3A+TG，定时结束时复位该计数器，上述TG＝TAC-(收发模块和馈线信道对询问及应答信号的总延时)，上述TAC＝3μs±0.5μs；

9b)在从时刻Te3A-ΔT到时刻Te3A+ΔT，检测P3脉冲的下降沿是否有效：对在前后间隔一个CKB时钟的两个CKB时钟得到的基带询问信号幅度值进行比较，若前面的幅度值减去后面的幅度值大于MG，则判为下降沿有效(即与P1脉冲下降沿的检测方法相同)；设该下降沿的理论出现时刻为Te3A，Te3A＝SK1+8.8μs，若有效则继续步骤10)，若无效则跳至步骤11)；P3脉冲的宽度容限为(0.8μs-2ΔT)～(0.8μs+2ΔT)，脉冲宽度过宽或过窄的脉冲都判为无效；

10)在TG时段内，信号处理单元完成：A模式的下行信息编码，应答数据PAM调制，在时刻SK3A+TG发出A模式基带应答信号给收发单元，在发出该应答信号时置应答机于发射状态，发射结束跳至步骤1)；

11)检测C模式的P3脉冲是否有效：

11a)在从时刻Td3C-ΔT到时刻Td3C+ΔT，检测P3脉冲的上升沿是否有效：把处理时钟的速度从CKB提高到CKA，对采样数据不进行抽取，设该上升沿的理论出现时刻为Td3C，Td3C＝SK1+21μs，与步骤9a)类似，在连续的五个CKA时钟，对在前后相邻的两个时钟得到的基带询问信号幅度值进行比较，若后面的幅度值大于前面的幅度值，连续有四次则判为上升沿有效，若有效则将第三个CKA时钟作为该上升沿真实出现时刻标记为SK3C，继续步骤11b)，若无效则跳至步骤1)；时刻SK3C是C模式的“延时基准”，以计数的方法延时TG，计数时钟为CKA，到时则发出C模式应答信号，即设计一个数字计数器5，以时刻SK3C作为起始时刻，产生C模式应答信号的发出时刻的定时：SK3C+TG，定时结束时复位该计数器；

11b)在从时刻Te3C-ΔT到时刻Te3C+ΔT，检测P3脉冲的下降沿是否有效：对在前后间隔一个CKB时钟的两个CKB时钟得到的基带询问信号幅度值进行比较，若前面的幅度值减去后面的幅度值大于MG，则判为下降沿有效(即与P1脉冲下降沿的检测方法相同)；设该下降沿的理论出现时刻为Te3C，Te3C＝SK1+21.8μs，若有效则继续步骤12)，若无效则跳至步骤1)；P3脉冲的宽度容限为(0.8μs-2ΔT)～(0.8μs+2ΔT)，脉冲宽度过宽或过窄的脉冲都判为无效；

12)在TG时段内，信号处理单元完成：C模式的下行信息编码，应答数据PAM调制，在时刻SK3C+TG发出C模式基带应答信号给收发单元，在发出该应答信号时置应答机于发射状态，发射结束跳至步骤1)。

Claims (20)

1.一种三模式空管应答机，包括收发单元、信号处理单元、天线、馈线，其特征在于，所述信号处理单元包括载波同步模块、三模式识别检测模块、应答信号形成模块，所述载波同步模块处理所述收发单元接收到的询问信号，输出基带询问信号的幅度和相位到所述三模式识别检测模块，所述三模式识别检测模块输出模式选择信号到所述应答信号形成模块，所述应答信号形成模块根据识别的模式按时发出相应的基带应答信号。

2.根据权利要求1所述的应答机，其特征在于，所述载波同步模块采用Costas环，对数字中频询问信号进行数字下变频和载波相位同步，并计算所述基带询问信号的幅度和相位。

3.根据权利要求2所述的应答机，其特征在于，所述载波同步模块采用CORDIC算法计算所述基带询问信号的幅度和相位。

4.根据权利要求1所述的应答机，其特征在于，所述三模式检测识别模块包括三模式公共主干子模块、S模式分支子模块、A模式及C模式分支子模块；

所述三模式公共主干子模块用于执行三模式检测流程中三种模式共用的流程部分：判断所述基带询问信号的幅度值是否有效，若有效，则检测P1脉冲是否有效，若P1脉冲有效，则将P1脉冲上升沿的出现时刻标记为SK1，等待到达Td2-ΔT时刻，Td2＝SK1+2μs，ΔT≤0.1μs或按需选择，然后检测P2脉冲是否有效，若P2脉冲有效，则比较P2脉冲与P1脉冲的幅度，若(P1脉冲幅度-P2脉冲幅度)＞9dB，则进入所述A模式及C模式分支子模块，若(P1脉冲幅度-P2脉冲幅度)≤9dB，则进入所述S模式分支子模块，若P2脉冲无效，则也进入所述A模式及C模式分支子模块；

所述S模式分支子模块用于执行三模式检测流程中S模式专用的流程部分：等待到达Td6-ΔT时刻，Td6＝SK1+3.5μs，检测P6脉冲的上升沿是否有效，若有效，则将P6脉冲上升沿的真实出现时刻标记为SK6，等待到达T6SYN-ΔT6时刻，T6SYN＝SK6+1.25μs，ΔT6≤0.05μs或按需选择，检测“同步相位反转”是否有效，若有效则认定为S模式；

所述A模式及C模式分支子模块用于执行三模式检测流程中A模式及C模式共用或专用的流程部分：等待到达Td3A-ΔT时刻，Td3A＝SK1+8μs，检测P3脉冲是否有效，若有效则认定为A模式，若无效，则等待到达Td3C-ΔT时刻，Td3C＝SK1+21μs，再次检测P3脉冲是否有效，若有效则认定为C模式。

5.根据权利要求4所述的应答机，其特征在于，在检测所述“同步相位反转”和P3脉冲是否有效时，都要提高处理时钟的速度。

6.根据权利要求4所述的应答机，其特征在于，所述P1脉冲、P2脉冲、P6脉冲、“同步相位反转”以及P3脉冲是否有效的检测，分别只在具有一定时长的检测窗口内进行。

7.根据权利要求1所述的应答机，其特征在于，所述应答信号形成模块包括A模式基带应答信号形成子模块、C模式基带应答信号形成子模块、S模式基带应答信号形成子模块；

所述A模式基带应答信号形成子模块进行A模式下行信息的编码和应答数据PAM调制，并发出A模式基带应答信号到所述收发单元；

所述C模式基带应答信号形成子模块进行C模式下行信息的编码和应答数据PAM调制，并发出C模式基带应答信号到所述收发单元；

所述S模式基带应答信号形成子模块依据DO-181D协议进行S模式下行信息的编码和应答数据PPM调制，并发出S模式基带应答信号到所述收发单元。

8.根据权利要求1所述的应答机，其特征在于，所述信号处理单元还包括A/D模块、AGC自动增益控制模块、AFC自动频率控制模块、数据接口模块、收发控制模块；

所述A/D模块对所述收发单元输出的中频询问信号进行采样量化，输出数字中频询问信号分别给所述载波同步模块和AGC模块；

所述AGC自动增益控制模块对所述数字中频询问信号的幅度高低进行计算，输出AGC控制信号到所述收发单元；

所述AFC自动频率控制模块接收所述载波同步模块产生的I、Q正交数据，并输出数控振荡器NCO的调节信号给所述载波同步模块；

所述数据接口模块将上行信息输出给外部设备，并将下行信息从所述外部设备通过数据接口传输给所述应答信号形成模块；

所述收发控制模块接收所述三模式检测识别模块产生的定时信号，并向所述收发单元输出收发分时及转换的控制信号。

9.根据权利要求8所述的应答机，其特征在于，所述数据接口是RS422串口。

10.根据权利要求1-9之一所述的应答机，其特征在于，所述信号处理单元还包括位同步及抽样判决模块、S模式DPSK解调模块、上行信息解码模块；

所述位同步及抽样判决模块根据所述基带询问信号的相位进行位同步和抽样判决，输出同步控制信号给所述上行信息解码模块；

所述上行信息解码模块依据DO-181D协议进行S模式上行信息的解码，将已解析的上行信息存储并输出给数据接口模块；

所述S模式DPSK解调模块对S模式的询问数据进行DPSK解调，并将已解调的数据输出给所述上行信息解码模块。

11.一种检测和识别三种模式询问信号的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)应答机处于接收状态，将基带询问信号的幅度和相位输入到三模式检测识别模块中；

2)判断所述基带询问信号的幅度值是否有效，若所述幅度值大于底噪门限值则判为有效，继续步骤3)，否则无效，返回步骤1)；

3)检测P1脉冲是否有效，若有效则继续步骤4)，否则返回步骤1)；

4)在第二时钟下，检测P2脉冲是否有效，若有效则继续步骤5)，否则跳至步骤9)；

5)比较P2脉冲幅度与P1脉冲幅度，若P1脉冲幅度值减去P2脉冲幅度值得到的差值大于9dB，则跳至步骤9)，否则继续步骤6)；

6)在所述第二时钟下，检测P6脉冲的上升沿是否有效，若有效则继续步骤7)，否则返回步骤1)；

7)在第一时钟下，检测“同步相位反转”是否有效，若有效则继续步骤8)，否则返回步骤1)；

8)在信号处理单元中，对P6脉冲进行S模式询问数据DPSK解调、上行信息解码、下行信息编码、应答数据PPM调制，并发出S模式基带应答信号给收发单元，在发出该应答信号时置所述应答机于发射状态，发射结束则返回步骤1)；

9)在所述第一时钟下，检测A模式的P3脉冲是否有效，若有效则继续步骤10)，否则跳至步骤11)；

10)在所述信号处理单元中进行A模式的下行信息编码、应答数据PAM调制，并发出A模式基带应答信号给所述收发单元，在发出该应答信号时置应答机于发射状态，发射结束返回步骤1)；

11)在所述第一时钟下，检测C模式的P3脉冲是否有效，若有效则继续步骤12)，否则返回步骤1)；

12)在所述信号处理单元中进行C模式的下行信息编码、应答数据PAM调制，并发出C模式基带应答信号给所述收发单元，在发出该应答信号时置应答机于发射状态，发射结束返回步骤1)。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一时钟的频率大于所述第二时钟的频率。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述的检测P1脉冲是否有效，包括如下步骤：

3a)检测P1脉冲的上升沿是否有效：对在前后相邻的两个所述第二时钟下得到的基带询问信号的幅度值进行比较，若后面的幅度值减去前面的幅度值大于所设定的门限值，则P1脉冲上升沿为有效，将P1脉冲上升沿的出现时刻标记为SK1，继续步骤3b)；否则为无效，返回步骤1)；

3b)检测P1脉冲的下降沿是否有效：对在前后间隔一个所述第二时钟的两个所述第二时钟下得到的基带询问信号的幅度值进行比较，若前面的幅度值减去后面的幅度值大于所述门限值，则P1脉冲下降沿为有效，在时刻Te1-ΔT打开对该下降沿的检测窗口，在时刻Te1+ΔT关闭对该下降沿的检测窗口，若在该2ΔT时段里检测到下降沿有效，则继续步骤4)，若超时仍未检测到则判为无效，返回步骤1)，其中ΔT≤0.1μs，Te1＝SK1+0.8μs，则P1脉冲的宽度容限为(0.8μs-ΔT)～(0.8μs+ΔT)，将脉冲宽度过宽或过窄的脉冲也都判为无效脉冲。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述的检测P2脉冲是否有效，包括如下步骤：

4a)从时刻Td2-ΔT到时刻Td2+ΔT检测P2脉冲的上升沿是否有效，检测方法同P1脉冲上升沿；若在该时段里检测到P2脉冲上升沿有效，则继续步骤4b)，若超时仍未检测到则判为无效，跳至步骤9)，其中Td2＝SK1+2μs；

4b)从时刻Te2-ΔT到时刻Te2+ΔT检测P2脉冲的下降沿是否有效，检测方法同P1脉冲下降沿；若在该时段里检测到P2脉冲下降沿有效，则继续步骤5)，否则跳至步骤9)，则P2脉冲的宽度容限为(0.8μs-2ΔT)～(0.8μs+2ΔT)，并将脉冲宽度过宽或过窄的脉冲也都判为无效脉冲，其中Te2＝SK1+2.8μs。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述的检测P6脉冲的上升沿是否有效，是从时刻Td6-ΔT到时刻Td6+ΔT进行的，其中Td6＝SK1+3.5μs，对该上升沿的检测方法同P2脉冲上升沿，若有效则将P6脉冲上升沿的真实出现时刻标记为SK6，继续步骤7)，若无效则返回步骤1)。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述的检测“同步相位反转”是否有效，是从时刻T6SYN-ΔT6到时刻T6SYN+ΔT6进行的，其中T6SYN＝SK6+1.25μs，ΔT6≤0.05μs或按需选择，把处理时钟的速度从所述第二时钟的速度提高到第一时钟的速度，对采样数据不进行抽取，把在前后相邻的两个所述第一时钟下得到的基带询问信号的相位值进行比较，若后面的相位值与前面的相位值相比第一次出现反转，则表示“同步相位反转”有效，将该“同步相位反转”的真实出现时刻标记为SK6SYN，否则返回步骤1)。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，设计一个数字计数器，以SK6SYN作为起始时刻，以所述第一时钟为计数时钟，以计数的方法延时TGS，到时则发出所述S模式基带应答信号，定时结束时则复位该计数器，其中TGS＝TS-(收发模块和馈线信道对询问及应答信号的总延时)，TS＝128μs±0.5μs，在所述TGS时段内进行步骤8)。

18.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述的检测A模式的P3脉冲是否有效，包括如下步骤：

9a)从时刻Td3A-ΔT到时刻Td3A+ΔT检测P3脉冲的上升沿是否有效：Td3A＝SK1+8μs，把处理时钟的速度从所述第二时钟的速度提高到所述第一时钟的速度，对采样数据不进行抽取，在连续的五个所述第一时钟，对在前后相邻的两个所述第一时钟下得到的基带询问信号的幅度值进行比较，若后面的幅度值大于前面的幅度值且连续有四次，则判为有效，并将第三个所述第一时钟作为P3脉冲上升沿的真实出现时刻，标记为SK3A，继续步骤9b)，若无效则跳至步骤11)；

9b)在时刻Te3A-ΔT到时刻Te3A+ΔT检测P3脉冲的下降沿是否有效：Te3A＝SK1+8.8μs，对该下降沿的检测方法同P1脉冲下降沿，若有效则继续步骤10)，若无效则跳至步骤11)，则P3脉冲的宽度容限为(0.8μs-2ΔT)～(0.8μs+2ΔT)，将脉冲宽度过宽或过窄的脉冲也都判为无效。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述的检测C模式的P3脉冲是否有效，包括如下步骤：

11a)从时刻Td3C-ΔT到时刻Td3C+ΔT检测P3脉冲的上升沿是否有效：Td3C＝SK1+21μs，把处理时钟的速度从所述第二时钟的速度提高到所述第一时钟的速度，对采样数据不进行抽取，对该上升沿的检测方法同A模式的P3脉冲上升沿，若有效，则将该上升沿的真实出现时刻标记为SK3C，继续步骤11b)，若无效则返回步骤1)；

11b)从时刻Te3C-ΔT到时刻Te3C+ΔT检测P3脉冲的下降沿是否有效：Te3C＝SK1+21.8μs，检测方法同P1脉冲下降沿，若有效则继续步骤12)，若无效则返回步骤1)，则P3脉冲的宽度容限为(0.8μs-2ΔT)～(0.8μs+2ΔT)，并将脉冲宽度过宽或过窄的脉冲也都判为无效。

20.根据权利要求18或19所述的方法，其特征在于，在步骤9a)或11a)中，设计一个数字计数器，以所述SK3A或SK3C作为起始时刻，以所述第一时钟为计数时钟，以计数的方法延时TG，到时则发出所述A模式基带应答信号或C模式基带应答信号，定时结束时则复位该计数器，其中TG＝TAC-(收发模块和馈线信道对询问及应答信号的总延时)，TAC＝3μs±0.5μs，在所述TG时段内进行步骤10)或步骤12)。

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