CN110824981A - 一种精密dme距离解算数字处理单元板及解算方法 - Google Patents

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刘月坤
潘国翠
文佳伟
白启亮
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Abstract

本发明涉及一种精密DME距离解算数字处理单元板及解算方法，包括第一路A/D模数转换器、第二路A/D模数转换器、第一路D/A高速数模转换器、第二路D/A高速数模转换器、解调信号测试电路、FPGA芯片、ARM芯片、串口电压转换芯片、串行D/A数模转换芯片、串行数控衰减器芯片、内部串口调试电路、E2PROM参数存储调用模块、其他外围模块，采用FPGA+ARM双CPU的架构，其中FPGA主要负责数字信号处理任务，ARM主要负责控制、通信、存储等任务，采用中频数字处理技术和可编程逻辑器件。技术效果是,可操作性好，同时实现了具有随机特性的抖前沿高斯询问脉冲对生成技术、距离捕获技术、距离补偿技术等，提高了测距精度。

Description

一种精密DME距离解算数字处理单元板及解算方法
技术领域
本发明涉及一种中频采样数字处理技术应用，特别涉及一种精密DME距离解算数字处理单元板及解算方法。
背景技术
MLS着陆系统和精密DME系统已经成为先进飞机精密着陆引导的必备设备，两个系统常常一起安装，在保障飞机安全着陆方面起着十分重要的作用。目前只有MLS着陆系统的外场测试仪，尚无精密DME外场测试设备，在微波系统设备建台、维修时急需要一种设备既可评估MLS系统的外场信号，又可以评估精密DME系统的外场信号。
发明内容
为解决精密DME外场测试设备的空白，本发明在距离解算方面采用中频数字处理技术和可编程逻辑器件，硬件功能软件化，提供一种精密DME距离解算数字处理单元板及解算方法，其技术先进、工作稳定、性能可靠，满足精密DME外场测距的需求。具体技术方案是，一种精密DME距离解算数字处理单元板，包括第一路A/D模数转换器、第二路A/D模数转换器、第一路D/A高速数模转换器、第二路D/A高速数模转换器、解调信号测试电路、 FPGA芯片、ARM芯片、串口电压转换芯片、串行D/A数模转换芯片、串行数控衰减器芯片、内部串口调试电路、E2PROM参数存储调用模块和其他外围模块，其特征在于：第一路 A/D模数转换器外接FA中频信号，第二路A/D模数转换器外接IA中频信号，第一路和第二路A/D模数转换器分别单向连接FPGA，FPGA通过第二路D/A高速数模转换器单向连接解调信号测试电路，FPGA单向连接第一路D/A高速数模转换器，第一路D/A高速数模转换器用于输出抖前沿高斯信号至射频收发组件的调制模块，FPGA输出抖前沿高斯信号的同步开关信号至射频发射组件的调制模块，FPGA通过8位数据线双向连接ARM芯片，ARM芯片分别用8位地址线、3位控制线单向连接FPGA，ARM芯片还分别单向连接串行D/A数模转换芯片、串行数控衰减器、其他外围模块，双向连接串口电压转换芯片、E2PROM参数存储调用模块，串口电压转换芯片单向连接内部串口调试电路，双向连接外接显示单元的串口通信模块、射频收发组件的串口通信模块，串行D/A数模转换芯片输出AGC控制信号至射频收发组件的第一中频AGC控制模块和第二中频控制模块，串行数控衰减器输出AGC控制信号至射频收发组件的AGC控制模块。
所述的ARM芯片的电路连接为，ARM芯片分别双向连接串口1电路、串口3电路、网口电路、时钟电路、参数存储调用电路、CAN接口电路、输出接口电路，串口0电路、输入接口电路、传感器电路、串行D/A电路、数控衰减器电路分别单向连接ARM芯片。
解算方法包括FPGA数字处理部分及ARM通讯存储部分，FPGA数字处理部分包括IA和FA通道中频正交解调模块、峰值检波处理模块、高斯抖前沿询问信号生成模块、指标比较判别模块、测距模块以及与CPU通信模块，IA和FA通道中频正交解调模块是，中频 10.7MHz数字采样信号X(t)分别乘以FPGA内部生成的10.7MHz正余弦信号，进行频谱搬移，得到X1(t)和X2(t)，IA和FA模式信号分别经过带宽不同的低通滤波器得到Z1(t)和 Z2(t)，然后各计算平方根后相加，分别得到两路基带信号，IA路基带信号记为Y1(t)，FA路基带信号记为Y2(t)；峰值检波处理模块是，从双路基带信号中得到有用信号的波形参数指标信息，根据IA/FA询问开关信号和当前工作模式XYWZ信号，判别当前应答XYWZ模式以确定是否是对本机的回答，同时根据每秒接收到的信号数确定是否可从自动等待状态转为搜索状态，并且可从接收到的信号中提取识别码信息，包括识别码的字母位数和字母信息；高斯抖前沿询问信号生成模块是，根据当前工作模式XYWZ、IA/FA询问开关信号以及自动检测的当前测距状态信号，得到当前应该保持的询问频率和询问间隔信息，GOLD码序列发生器根据询问频率和随机码输出的触发信号生成随机码，用以生成“频闪”的高斯询问触发信号，触发标准抖前沿高斯信号ROM核生成询问信号，询问脉冲对的重复频率视询问器所处的测距状态而不同；指标比较判别模块是，根据当前工作模式XYWZ、IA/FA询问开关信号以及峰值检波处理模块输出的脉冲间隔和脉冲宽度，判别出应答XYWZ模式、搜索状态、判别识别码信息、字母标识信号和字母信息，输出至与CPU通信模块，测距模块包括距离测量和距离补偿模块两部分，是本单元FPGA部分的工作核心，经过正交解调后的基带信号中包括对本机询问的应答，也包括对别的飞机的应答，还包括随机填充脉冲和识别码信号，采用频闪搜索技术从众多的应答信号中识别出对本机询问的应答，本机将询问间隔随机的询问脉冲对发出去，同时将这种随机规律记录下来，用它去捕捉应答信号中具有这种相同随机间隔的应答，从而从众多应答信号中认出对自己的应答，完成应答信号的同步接收，同时确定当前工作状态，是否可从搜索转为跟踪或者记忆，由于生成询问信号到通过整机环形器将信号发射出去是有延时的，因此测距模块需要有距离补偿功能，补偿原理与测距原理相同，同样记录询问脉冲对，然后从不会出现正常应答的短时间内找出反射回来的信号，用以测距补偿；与单元内部CPU通信模块完成FPGA测距参数信息的传输功能，数据长度转换模块将各种长度信号转为适合传输的8位码；乒乓FIFO存取测距信息模块完成测距信息的存储，为了在传输数据过程中新测距信息不丢失，采用乒乓FIFO的存取数据方式定时中断生成模块，当有测距数据时，则产生定时中断信号通知CPU来读取数据信息；ARM通讯存储部分，响应FPGA的定时中断信号，通过并行总线读取测量数据并进行计算；与其他单元的两路串口通信，完成对工作状态的设置、参数的传递；I2C方式控制参数存储调用和板内温度测量；同时要根据当前应答信号的峰值信息进行SPI接口的AGC控制。
本发明的技术效果是，该数字处理单元首次在精密DME外场测试设备中实现了中频信号直接采样数字处理技术，将硬件功能软件化，可操作性好。同时实现了具有随机特性的抖前沿高斯询问脉冲对生成技术、距离捕获技术、距离补偿技术等，提高了测距精度。
附图说明
图1是本发明的硬件组成框图；
图2是本发明的ARM硬件组成框图；
图3是本发明的FPGA距离解算数字信号处理功能模块；
图4是本发明的FPGA工作流程图。
具体实施方式
如图1～图4所示，精密DME距离解算数字处理单元板，包括第一路A/D模数转换器、第二路A/D模数转换器、第一路D/A高速数模转换器、第二路D/A高速数模转换器、解调信号测试电路、FPGA芯片、ARM芯片、串口电压转换芯片、串行D/A数模转换芯片、串行数控衰减器芯片、内部串口调试电路、E2PROM参数存储调用模块、其他外围模块。采用FPGA+ARM双CPU的架构，其中FPGA主要负责数字信号处理任务，ARM主要负责控制、通信、存储等任务，来自射频收发组件的IA中频信号和FA中频信号，通过第一路A/D模数转换器、第二路A/D模数转换器，数字化后进入FPGA进行信号处理；通过 8位数据线向ARM的通信线路进行数据传递和参数设置，同时，FPGA将数字的抖前沿高斯信号传递到第一路D/A高速转换器变为模拟信号后输出至射频收发组件的调制模块、输出与抖前沿高斯信号同步的开关信号至射频收发组件的调制模块、FPGA输出解调信号至第二路D/A高速转换器模拟化后进入解调信号测试电路进行内部测试，ARM通过SPI接口控制串行D/A数模转换芯片输出四路直流电平，用于控制射频收发组件的第一中频AGC和第二中频AGC控制模块，ARM通过SPI接口控制串行数控衰减器用于控制射频收发组件的 AGC控制模块。ARM通过串口电压转换芯片和外部进行通信，包括与射频组件通信、与显示单元通信、内部调试通信，串口电压转换芯片还与内部串口调试电路连接，ARM通过I2C 接口与E2PROM芯片通信进行参数存储和调用，ARM还与其他外围模块连接。
ARM的电路连接为，ARM芯片分别双向连接串口1电路、串口3电路、网口电路、时钟电路、参数存储调用电路、CAN接口电路、输出接口电路，串口0电路、输入接口电路、传感器电路、串行D/A电路、数控衰减器电路分别单向连接ARM芯片。
解算方法包括FPGA数字处理部分及ARM通讯存储部分，FPGA数字处理部分包括IA和FA通道中频正交解调模块、峰值检波处理模块、高斯抖前沿询问信号生成模块、测距模块以及与CPU通信模块，IA和FA通道中频正交解调模块是，中频10.7MHz数字采样信号 X(t)分别乘以FPGA内部生成的10.7MHz正余弦信号，进行频谱搬移，得到X1(t)和X2(t)， IA和FA模式信号分别经过带宽不同的低通滤波器得到Z1(t)和Z2(t)，然后各计算平方根后相加，得到基带信号，IA路基带信号记为Y1(t)，FA路基带信号记为Y2(t)；峰值检波处理模块是，从双路基带信号中得到有用信号的波形参数指标信息，根据IA/FA询问开关信号和当前工作模式XYWZ信号，判别当前应答XYWZ模式以确定是否是对本机的回答，同时根据每秒接收到的信号数确定是否可从自动等待状态转为搜索状态，并且可从接收到的信号中提取识别码信息，包括识别码的字母位数和字母信息；高斯抖前沿询问信号生成模块是，根据当前工作模式XYWZ、IA/FA询问开关信号以及自动检测的当前测距状态信号，得到当前应该保持的询问频率和询问间隔信息，GOLD码序列发生器根据询问频率和随机码输出的触发信号生成随机码，用以生成“频闪”的高斯询问触发信号，触发标准抖前沿高斯信号ROM核生成询问信号，询问脉冲对的重复频率视询问器所处的测距状态而不同；指标比较判别模块是，根据当前工作模式XYWZ、IA/FA询问开关信号以及峰值检波处理模块输出的脉冲间隔和脉冲宽度，判别出应答XYWZ模式、搜索状态、判别识别码信息、字母标识信号和字母信息，输出至与CPU通信模块，测距模块包括距离测量和距离补偿模块两部分，是本单元 FPGA部分的工作核心，经过正交解调后的基带信号中包括对本机询问的应答，也包括对别的飞机的应答，还包括随机填充脉冲和识别码信号，采用频闪搜索技术从众多的应答信号中识别出对本机询问的应答，本机将询问间隔随机的询问脉冲对发出去，同时将这种随机规律记录下来，用它去捕捉应答信号中具有这种相同随机间隔的应答，从而从众多应答信号中认出对自己的应答，完成应答信号的同步接收，同时确定当前工作状态，是否可从搜索转为跟踪或者记忆，由于生成询问信号到通过整机环形器将信号发射出去是有延时的，因此测距模块需要有距离补偿功能。补偿原理与测距原理相同，同样记录询问脉冲对，然后从不会出现正常应答的短时间内找出反射回来的信号，用以测距补偿；与单元内部CPU通信模块完成 FPGA测距参数信息的传输功能，数据长度转换模块将各种长度信号转为适合传输的8位码；乒乓FIFO存取测距信息模块完成测距信息的存储，为了在传输数据过程中新测距信息不丢失，采用乒乓FIFO的存取数据方式定时中断生成模块，当有测距数据时，则产生定时中断信号通知CPU来读取数据信息；ARM通讯存储部分，响应FPGA的定时中断信号，通过并行总线读取测量数据并进行计算；与其他单元的两路串口通信，完成对工作状态的设置、参数的传递；I2C方式控制参数存储调用和板内温度测量；同时要根据当前应答信号的峰值信息进行多路SPI接口的AGC控制。
功能
(1)首次将中频采样技术应用于精密DME外场设备，对接收到的中频信号直接采样后进入FPGA解调处理，使硬件功能软件化，采用正交解调法从中频信号中解调出基带波形后进行后续数字处理；
(2)可产生具有随机特性的抖前沿高斯询问脉冲对，具备XYWZ和IA/FA模式波形编码方式；
(3)具备对系统整体模块信号处理时间进行实时自动补偿的功能，提高测距准确度；
(4)距离解算数字处理单元的数字处理部分采用拥有15万逻辑单元的现场可编程门阵列 FPGA完成，控制部分采用ARM Cortex-M3内核的微控制器实现；
(5)具有自动等待、搜索、跟踪、记忆四种测距状态自动转换功能；
(6)可从同步回答信号中获得对本机的应答，从而得到距离信息，同时监测回答信号的参数；
(7)可从应答信号中获取识别码信息；
(8)完成接收信号的邻波道抑制；
(9)具备AGC控制能力；
(10)具备自检功能；
(11)硬件兼容中频信号采样与基带信号采样。
技术指标
(1)输入信号特征：
接收中频信号：频率10.7MHz，幅度1～2Vp-p
AD采集频率：40MHz
AD采集位数：14bit
(2)抖前沿询问高斯脉冲特征：
脉冲上升时间：
Figure RE-GDA0002325999840000051
脉冲对第一脉冲部分上升时间：0.25(±0.05)μs
脉宽：3.5(±0.5)μs
脉冲下降时间：
Figure RE-GDA0002325999840000061
询问脉冲频率：自动等待状态40对/秒，搜索状态40对/秒，跟踪状态IA 16对/ 秒，FA 40对/秒，记忆状态40对/秒
(3)测距精度：
IA模式：PFE≤±5m，CMN≤±3.3m
FA模式：PFE≤±3.3m，CMN≤±2.7m
根据上述说明，结合本领域技术可实现本发明的方案。

Claims (3)

1.一种精密DME距离解算数字处理单元板，包括第一路A/D模数转换器、第二路A/D模数转换器、第一路D/A高速数模转换器、第二路D/A高速数模转换器、解调信号测试电路、FPGA芯片、ARM芯片、串口电压转换芯片、串行D/A数模转换芯片、串行数控衰减器芯片、内部串口调试电路、E2PROM参数存储调用模块和其他外围模块，其特征在于：第一路A/D模数转换器外接FA中频信号，第二路A/D模数转换器外接IA中频信号，第一路和第二路A/D模数转换器分别单向连接FPGA，FPGA通过第二路D/A高速数模转换器单向连接解调信号测试电路，FPGA单向连接第一路D/A高速数模转换器，第一路D/A高速数模转换器用于输出抖前沿高斯信号至射频收发组件的调制模块，FPGA输出抖前沿高斯信号的同步开关信号至射频发射组件的调制模块，FPGA通过8位数据线双向连接ARM芯片，ARM芯片分别用8位地址线、3位控制线单向连接FPGA，ARM芯片还分别单向连接串行D/A数模转换芯片、串行数控衰减器、其他外围模块，双向连接串口电压转换芯片、E2PROM参数存储调用模块，串口电压转换芯片单向连接内部串口调试电路，双向连接外接显示单元的串口通信模块、射频收发组件的串口通信模块，串行D/A数模转换芯片输出AGC控制信号至射频收发组件的第一中频AGC控制模块和第二中频控制模块，串行数控衰减器输出AGC控制信号至射频收发组件的AGC控制模块。
2.如权利要求1所述的一种精密DME距离解算数字处理单元板，其特征在于：所述的ARM芯片的电路连接为，ARM芯片分别双向连接串口1电路、串口3电路、网口电路、时钟电路、参数存储调用电路、CAN接口电路、输出接口电路，串口0电路、输入接口电路、传感器电路、串行D/A电路、数控衰减器电路分别单向连接ARM芯片。
3.采用权利要求1所述的一种精密DME距离解算数字处理单元板的解算方法，其特征在于：解算方法包括FPGA数字处理部分及ARM通讯存储部分，FPGA数字处理部分包括IA和FA通道中频正交解调模块、峰值检波处理模块、高斯抖前沿询问信号生成模块、指标比较判别模块、测距模块以及与CPU通信模块，IA和FA通道中频正交解调模块是，中频10.7MHz数字采样信号分别乘以FPGA内部生成的10.7MHz正余弦信号，进行频谱搬移，得到和，IA和FA模式信号分别经过带宽不同的低通滤波器得到和，然后各计算平方根后相加，分别得到两路基带信号，IA路基带信号记为
Figure RE-93426DEST_PATH_IMAGE006
，FA路基带信号记为；峰值检波处理模块是，从双路基带信号中得到有用信号的波形参数指标信息，根据IA/FA询问开关信号和当前工作模式XYWZ信号，判别当前应答XYWZ模式以确定是否是对本机的回答，同时根据每秒接收到的信号数确定是否可从自动等待状态转为搜索状态，并且可从接收到的信号中提取识别码信息，包括识别码的字母位数和字母信息；高斯抖前沿询问信号生成模块是，根据当前工作模式XYWZ、IA/FA询问开关信号以及自动检测的当前测距状态信号，得到当前应该保持的询问频率和询问间隔信息，GOLD码序列发生器根据询问频率和随机码输出的触发信号生成随机码，用以生成“频闪”的高斯询问触发信号，触发标准抖前沿高斯信号ROM核生成询问信号，询问脉冲对的重复频率视询问器所处的测距状态而不同；指标比较判别模块是，根据当前工作模式XYWZ、IA/FA询问开关信号以及峰值检波处理模块输出的脉冲间隔和脉冲宽度，判别出应答XYWZ模式、搜索状态、判别识别码信息、字母标识信号和字母信息，输出至与CPU通信模块，测距模块包括距离测量和距离补偿模块两部分，是本单元FPGA部分的工作核心，经过正交解调后的基带信号中包括对本机询问的应答，也包括对别的飞机的应答，还包括随机填充脉冲和识别码信号，采用频闪搜索技术从众多的应答信号中识别出对本机询问的应答，本机将询问间隔随机的询问脉冲对发出去，同时将这种随机规律记录下来，用它去捕捉应答信号中具有这种相同随机间隔的应答，从而从众多应答信号中认出对自己的应答，完成应答信号的同步接收，同时确定当前工作状态，是否可从搜索转为跟踪或者记忆，由于生成询问信号到通过整机环形器将信号发射出去是有延时的，因此测距模块需要有距离补偿功能，补偿原理与测距原理相同，同样记录询问脉冲对，然后从不会出现正常应答的短时间内找出反射回来的信号，用以测距补偿；与单元内部CPU通信模块完成FPGA测距参数信息的传输功能，数据长度转换模块将各种长度信号转为适合传输的8位码；乒乓FIFO存取测距信息模块完成测距信息的存储，为了在传输数据过程中新测距信息不丢失，采用乒乓FIFO的存取数据方式定时中断生成模块，当有测距数据时，则产生定时中断信号通知CPU来读取数据信息；ARM通讯存储部分，响应FPGA的定时中断信号，通过并行总线读取测量数据并进行计算；与其他单元的两路串口通信，完成对工作状态的设置、参数的传递；I2C方式控制参数存储调用和板内温度测量；同时要根据当前应答信号的峰值信息进行SPI接口的AGC控制。
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