CN108761409B - 一种二次雷达信号的产生及测试方法 - Google Patents

一种二次雷达信号的产生及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二次雷达信号的产生及测试方法，基于基带询问信号的产生，依次进行数字中频信号处理、混频器上变频、分频器下变频、比较器波形变换、时域过采样解调和译码、测试结果处理等步骤，利用可编程器件FPGA作为处理及控制芯片，实现对各种类型二次雷达信号的模拟，满足机载二次雷达设备功能和指标的测试。

Description

一种二次雷达信号的产生及测试方法
技术领域
本发明属于二次雷达信号产生及处理技术领域，更为具体地讲，涉及一种二次雷达信号的产生及测试方法。
背景技术
二次雷达是各种类型旋翼飞机及固定翼飞机必须安装的机载航空电子设备。从广义上讲，二次雷达是一种采用了开关键控(OOK)、脉冲位置调制(PPM)和差分相移键控(DPSK)的通信系统。机载二次雷达设备接收地面塔台发出的询问(Interrogation)信号，发送包含本机高度、识别代码(Identity)等信息的应答(Reply)信号；或者是本机发送询问信号，然后接收其它飞机的应答信号来获取高度、相对距离、相对方位及识别代码等信息。二次雷达广泛应用于空中交通管理系统、敌我识别系统以及空中防撞系统等场合。从工作模式来区分，常用的二次雷达可以分为A模式、C模式和S模式。A模式和C模式二次雷达采用OOK和PPM调制，用于传递识别代码和飞行高度。S模式二次雷达引入了DPSK调制方式，增加了数据位宽，降低了通信的误码率，减小同步窜扰和异步干扰。S模式二次雷达向下兼容A、C模式体制二次雷达，能够满足当代日益繁忙和复杂空域情况下空中交通管理以及空中防撞系统的需要。
在机载二次雷达设备的生产、研发、测试以及日常保障维护过程中，除了发射频率、发射功率以及接收灵敏度等指标测试以外，另外一类重要的测试项目是功能测试，需要利用测试仪器或测试系统产生询问及应答信号，判断机载二次雷达被测设备(DUT)是否能够正常进行解调、译码以及做出正确的测试响应。目前业界常用的信号产生及测试装置主要有两个来源，第一个来源是二次雷达设备生产商自研的信号产生及测试装置，这种类型的设备及装置功能较为单一，适应性较差；第二个来源是国外第三方厂商研制生产的专用测试仪器，这种类型仪器功能强大，适应性较好，但存在价格昂贵和禁运的风险。因此，为了满足国内日益增加的各类机载二次雷达设备测试保障的需求，设计一种二次雷达信号产生及测试装置，具有重要的理论和工程应用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种二次雷达信号的产生及测试方法，利用现场可编程门阵列(FPGA)作为二次雷达信号产生、解调、译码以及逻辑控制器件，数模转换器(DAC)产生模拟波形、高速比较器对接收的应答信号进行波形变换，从而满足机载二次雷达测试过程中询问信号产生及应答信号解调译码的需要。
为实现上述发明目的，本发明一种二次雷达信号的产生及测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、生成基带询问信号
(1.1)、上位机设置待生成的基带询问信号的参数，并将这些设置的参数转换为控制命令发送到FPGA；
(1.2)、FPGA内部的通信控制逻辑单元接收到上位机发送的控制命令后，对控制命令进行解析，根据解析后的控制命令，基带编码模块产生对应模式下的基带询问信号；
(2)、生成中频模拟询问信号
(2.1)、FPGA内的中频信号产生单元根据基带询问信号生成中频数字询问信号；
(2.2)、中频数字询问信号进行边沿成形处理后，按照DAC波形数据格式要求，将中频数字询问信号转换为中频模拟询问信号；
(3)、生成射频询问信号
将中频模拟询问信号与本振信号进行混频和滤波处理，得到L波段的射频询问信号；
(4)、机载二次雷达被测设备DUT接收射频询问信号并处理
环形器的射频口通过L波段天线将射频询问信号输入至DUT，DUT生成对应的射频应答信号，再反馈给环形器；
(5)、对射频应答信号进行处理
(5.1)、环形器将射频应答信号输入至分频器，分频器对射频应答信号进行分频式下变频处理，得到中频模拟应答信号；
(5.2)、比较器对中频模拟应答信号进行整形和波形变换处理，使中频模拟应答信号的波形由正弦波整形为方波，且方波的高低电平满足FPGA输入逻辑电平的要求，从而得到中频数字应答信号；
(6)、中频数字应答信号的解调译码
(6.1)、FPGA内的锁相环产生高速时钟信号，再利用高速时钟信号对中频数字应答信号进行时域过采样包络解调，经过解调后得到基带应答信号；
(6.2)、FPGA内的计数器对基带应答信号的脉冲宽度及脉冲间隔进行计数，基带应答信号译码单元再对计数值进行译码，得到基带应答信号携带的数据信息；
(6.3)、将基带应答信号携带的数据信息添加1个字节长度的帧头和帧尾，完成字节格式转换，得到字节长度相等的数据帧，再上传至上位机，上位机根据发送的询问信息和接收到的应答信息进行判决和处理，得到测试结果。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种二次雷达信号的产生及测试方法，基于基带询问信号的产生，依次进行数字中频信号处理、混频器上变频、分频器下变频、比较器波形变换、时域过采样解调和译码、测试结果处理等步骤，利用可编程器件FPGA作为处理及控制芯片，实现对各种类型二次雷达信号的模拟，满足机载二次雷达设备功能和指标的测试。
同时，本发明一种二次雷达信号的产生及测试方法还具有以下有益效果：
(1)、相比较于传统的机载二次雷达信号产生及测试方法，本发明所采用的分频器下变频方式能够保留更多的载波分量信息，比较器波形变换以及FPGA片内高速时钟时域解调，具有更快的处理速度。
(2)、基于FPGA可编程逻辑器件和上位机测试软件可以方便的进行功能扩展和升级，具有更优秀的测试环境适应性。
(3)、本发明中对中频数字询问信号采用了边沿成形处理方式，消除多余的频率分量，满足国际民航组织对二次雷达发射信号频谱的要求。
附图说明
图1是本发明一种二次雷达信号的产生及测试方法原理图；
图2是本发明一种二次雷达信号的产生及测试方法流程图；
图3是图1所示现场可编程门阵列FPGA的工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明一种二次雷达信号的产生及测试方法原理图。
在本实施例中，如图2所示，本发明一种二次雷达信号的产生及测试方法，包括以下步骤：
S1、生成基带询问信号
S1.1、在开始进行二次雷达信号产生及测试时，首先使用上位机软件进行信号产生参数的设定。上位机软件是信号产生及测试的人机操作界面，上位机软件设置待产生信号的模式、类型、次数及旁瓣抑制等参数，需要设置询问信号的模式包括A模式询问、C模式询问或者S模式询问三种，其中，对于S模式询问信号，又包括全呼叫(all-call)以及点名呼叫(roll-call)两种类型。根据不同测试场景的需要，可以设置为单一模式询问、两种交替模式询问或者三种模式组合式询问。询问次数的设定包括询问信号数量以及询问信号间隔两个参数。
在本实施例中，设定A模式、C模式和S模式交替询问，询问间隔10ms。对于A模式和C模式，每种模式询问信号各产生400次，其中200次询问设定旁瓣抑制有效，另外200次旁瓣抑制无效。对于S模式询问，设定产生200次全呼叫询问，其中100次询问设定旁瓣抑制有效。另外200次为点名呼叫，其中100次点名呼叫的飞机识别代码与被测设备的设定一致。参数设定完成后，上位机将这些设置的参数转换为控制命令发送到FPGA；
S1.2、如图2所示，FPGA内部的通信控制逻辑单元接收到上位机发送的控制命令后，对控制命令进行解析，通过使能控制器产生使能信号，控制A、C、S三种类型基带信号的产生。基带询问信号由框架(FRAME)、旁瓣抑制(SLS)以及数据(DATA)三个编码信号组成。对于A、C模式询问信号，FRAME信号高电平表示询问信号的P1和P3脉冲，SLS信号高电平表示P2旁瓣抑制脉冲，DATA信号保持低电平不变。对于S模式询问信号，FRAME信号高电平表示询问信号的P1、P2、P4和P6脉冲，SLS信号高电平表示P5旁瓣抑制脉冲，DATA信号高低电平边沿为P6脉冲内DPSK调制数据的180度相位跳变点(倒相点)。数字中频信号产生单元根据这三个编码信号产生数字中频调制信号，对于A、C模式询问信号，当旁瓣抑制无效时，产生中频询问信号的P1和P3脉冲幅度大于P2脉冲幅度6dB；反之，P2脉冲幅度大于P1和P3脉冲幅度6dB。对于S模式询问信号，当旁瓣抑制无效时，产生的中频询问信号在P6脉冲的同步相位翻转点处，存在一个180度的倒相点。反之，SLS信号对应P6脉冲同步相位翻转点处波形的相位连续，并且信号幅度大于P6平均幅度6dB。
S2、生成中频模拟询问信号
S2.1、FPGA内的中频信号产生单元根据基带询问信号生成中频数字询问信号；
S2.2、中频数字询问信号进行边沿成形处理后，按照DAC波形数据格式要求，将中频数字询问信号转换为载波频率60MHz的中频模拟询问信号；
其中，中频数字询问信号进行边沿成形处理的过程为：对中频数字询问信号的波形数据跳变点进行插值处理，再通过查表法对脉冲边沿和倒相点进行边沿展宽，使得陡峭的幅值变化点和相位变化点波形平滑变化，消除多余的频率分量，从而满足国际民航组织对二次雷达发射信号频谱的要求。
S3、生成射频询问信号
将本振产生的970MHz正弦波信号与载波频率60MHz的中频模拟询问信号进行混频和滤波处理，产生载波频率1030MHz的L频段的射频询问信号；
S4、机载二次雷达被测设备DUT接收射频询问信号并处理
环形器的射频口通过L波段天线将射频询问信号输入至DUT，DUT生成产生载波频率1090MHz的射频应答信号，再反馈给环形器；
在本实施例中，如图1所示，环形器用于将混频器输出的询问信号发送到DUT，然后将DUT发出的应答信号传送到分频器，从而实现询问信号和应答信号在射频端口的双工和复用。
而射频端口是环形器与DUT进行信号连接的端口。根据测试场合的不同，环形器的射频端口可以通过L频段天线与DUT进行无线通信连接，实现远场或近场测试；也可以通过电缆与DUT的天线端口直接连接，实现内场实验室测试。
S5、对射频应答信号进行处理
S5.1、环形器将射频应答信号输入至分频器，分频器对射频应答信号进行分频式下变频处理，得到中频模拟应答信号；为了减小分频后波形的失真程度，分频器由三个射频预分频器芯片以2分频、4分频、2分频级联构成16分频器。三级预分频器将射频应答信号载波频率下变频到68.125MHz，并输出到比较器。
S5.2、比较器对中频模拟应答信号进行整形和波形变换处理，使中频模拟应答信号的波形由正弦波整形为方波，且方波的高低电平满足FPGA输入逻辑电平的要求，从而得到中频数字应答信号；
S6、中频数字应答信号的解调译码
S6.1、FPGA片内的锁相环将基准时钟倍频到200MHz，得到200MHz的高速时钟信号，再利用高速时钟信号对中频数字应答信号进行时域过采样包络解调，经过解调后得到基带应答信号；
S6.2、FPGA内的计数器对基带应答信号的脉冲宽度及脉冲间隔进行计数，基带应答信号译码单元再对计数值进行译码，得到基带应答信号携带的数据信息；
S6.3、将应答信号进行字节格式转换，将基带应答信号携带的数据信息进行字节格式转换，添加1个字节长度的帧头和帧尾，将每个射频应答信号转换成16个字节长度的数据帧，再上传至上位机，上位机根据发送的询问信息和接收到的应答信息进行判决和处理，得到测试结果。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种二次雷达信号的产生及测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、生成基带询问信号
(1.1)、上位机设置待生成的基带询问信号的参数，并将这些设置的参数转换为控制命令发送到FPGA；
(1.2)、FPGA内部的通信控制逻辑单元接收到上位机发送的控制命令后，对控制命令进行解析，根据解析后的控制命令，基带编码模块产生对应模式下的基带询问信号；
(2)、生成中频模拟询问信号
(2.1)、FPGA内的中频信号产生单元根据基带询问信号生成中频数字询问信号；
(2.2)、中频数字询问信号进行边沿成形处理后，按照DAC波形数据格式要求，将中频数字询问信号转换为中频模拟询问信号；
其中，中频数字询问信号进行边沿成形处理的过程为：对中频数字询问信号的波形数据跳变点进行插值处理，再通过查表法对脉冲边沿和倒相点进行边沿展宽，使得陡峭的幅值变化点和相位变化点波形平滑变化，消除多余的频率分量，从而满足二次雷达发射信号频谱的要求
(3)、生成射频询问信号
将中频模拟询问信号与本振信号进行混频和滤波处理，得到L波段的射频询问信号；
(4)、机载二次雷达被测设备DUT接收射频询问信号并处理
环形器的射频口通过L波段天线将射频询问信号输入至DUT，DUT生成对应的射频应答信号，再反馈给环形器；
(5)、对射频应答信号进行处理
(5.1)、环形器将射频应答信号输入至分频器，分频器对射频应答信号进行分频式下变频处理，得到中频模拟应答信号；
(5.2)、比较器对中频模拟应答信号进行整形和波形变换处理，使中频模拟应答信号的波形由正弦波整形为方波，且方波的高低电平满足FPGA输入逻辑电平的要求，从而得到中频数字应答信号；
(6)、中频数字应答信号的解调译码
(6.1)、FPGA内的锁相环产生高速时钟信号，再利用高速时钟信号对中频数字应答信号进行时域过采样包络解调，经过解调后得到基带应答信号；
(6.2)、FPGA内的计数器对基带应答信号的脉冲宽度及脉冲间隔进行计数，基带应答信号译码单元再对计数值进行译码，得到基带应答信号携带的数据信息；
(6.3)、将基带应答信号携带的数据信息添加1个字节长度的帧头和帧尾，完成字节格式转换，得到字节长度相等的数据帧，再上传至上位机，上位机根据发送的询问信息和接收到的应答信息进行判决和处理，得到测试结果。
2.根据权利要求1所述的一种二次雷达信号的产生及测试方法，其特征在于，所述的上位机设置待生成的基带询问信号的参数包括：待生成的基带询问信号的询问模式、询问类型、询问次数和旁瓣抑制；
其中，基带询问信号的询问模式包括A模式询问、C模式询问和S模式询问；S模式询问又包括全呼叫模式询问和点名呼叫模式询问；
基带询问信号的询问模式设置为单一模式询问或两种交替模式询问或三种模式组合式询问；
询问次数的设定包括询问信号数量和询问信号的间隔。
3.根据权利要求1所述的一种二次雷达信号的产生及测试方法，其特征在于，所述的基带询问信号由框架信号、旁瓣抑制信号和数据信号组成。
4.根据权利要求1所述的一种二次雷达信号的产生及测试方法，其特征在于，所述的分频器包括三个射频预分频器芯片，以2分频、4分频、2分频级联方式构成16分频器。
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