DME詢問信號捕獲的設計與實現

方 成

(中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西西安 710068)

1 引 言

DME(Distance Measuring Equipment)即距離測量設備，在上個世紀中期發展成為區域導航系統[1-3]。DME系統由地面設備與空中設備對應組成，其通信方式采用射頻雙脈沖信號，功能是為空中飛行器提供相對于導航臺的距離[1-3]。DME空中設備發出詢問信號，地面設備捕獲到符合標準格式的詢問信號后，啟動譯碼流程，并對當前詢問的飛機發送應答信號，空中設備通過一發一收信號在時間上的差，計算出與導航臺的距離。捕獲是DME地面設備的重要功能組成部分，傳統的DME地面設備中，捕獲單元采用離散元器件搭建，線路板體積大，維護成本高。為了發展小型化與后續可擴展應用，本文提出一種基于可編程器件的集成化處理方法。

2 詢問信號捕獲原理

捕獲功能是依據DME信號特征所設計，DME空中設備選用鐘形脈沖作為標準格式的詢問信號，如圖1所示。鐘形脈沖以cos2規律變化，可把信號帶寬壓縮在1MHz內[1-4]。其脈沖上升沿時間為2.5μs±0.5μs，脈沖半幅寬度為3.5μs±0.5μs，下降沿時間為2.5μs±0.5μs。

圖1 詢問信號曲線圖Fig.1 Interrogating signal

捕獲首先是確定詢問信號的幅值，根據幅值計算出信號的半幅點，從而得到信號半幅度點寬度。當計算出雙脈沖半幅度點寬度符合3.5μs±0.5μs，進而根據靈敏度門限、回波抑制門限判斷是否為當前飛機發來的詢問信號，從而產生觸發雙脈沖，啟動后續譯碼應答程序。若半幅度點寬度不符合，直接舍棄，不再進行后續處理。

3 傳統詢問信號捕獲實現

早期的DME地面設備為實現捕獲功能采用分離器件設計，如圖2所示。其組成器件多，硬件體積大。主要功能包括運算放大、2.7μs延遲、-3dB衰減、峰值監測、50%比較和觸發比較等。

圖2 傳統捕獲單元組成框圖Fig.2 Composition diagram of traditional capture unit

地面設備是由多個功能單元組成的機柜式系統，各單元通過總線接口板完成信號傳輸。捕獲單元的控制信號以及參數設置由總線接口板輸出的總線信號決定。

詢問信號經過前端混頻檢波輸出后，與來自控制器的使能脈沖同時送至運算放大電路。使能脈沖控制運算放大電路是否接收當前輸入的檢波信號，其目的是抑制回波信號和發射應答信號串入系統引起誤觸發。

由于詢問脈沖上升沿時間為2.5μs ，為了找到脈沖峰值進而判斷半幅度值，峰值的提取時間至少應遲后詢問脈上升沿時間2.5μs，使用2.7μs延遲線把詢問脈沖對延遲2.7μs(>2.5μs)后，得到當前脈沖的峰值。

脈沖的峰值送入-3dB衰減電路以便得到半幅度值，產生半幅度檢測點，從而判斷脈沖寬度。同時所得峰值會被峰值監測電路保持，保持時間受恢復時間單穩電路控制。恢復時間單穩電路的保持使能由以下條件決定：當詢問信號大于靈敏度門限時，或在回波抑制時間內詢問信號大于抗回波制約值時。其恢復時間由控制器決定。在單穩輸出高電平期間，即使能時，當前信號峰值保持；在單穩輸出低電平期間，即恢復時間結束，峰值會被新到來的脈沖峰值刷新。

50%比較電路把延遲后的詢問脈沖信號和它的半幅度值在50%比較電路里相比較，產生詢問觸發脈沖對。觸發比較電路得到詢問觸發脈沖對后，由恢復時間單穩電路控制其當前生成的觸發脈沖是否有效。

4 基于可編程器件詢問信號捕獲實現

4.1 硬件設計

本文設計采用FPGA與ADC作為主要功能器件來完成對詢問信號的捕獲，不僅大幅減少元器件的使用，縮小硬件體積，還可提高可擴展性與可靠性。如圖3所示，捕獲單元主要包含ADC電路、FPGA系統、接口電路和供電模塊。

圖3 基于可編程器件捕獲單元組成框圖Fig.3 Composition diagram of capture unit based on programmable device

詢問信號周期為μs級，ADC選擇AD9246單通道14-bit，80MHz采用速率，FPGA選擇Virtex-4 LX平臺系列XC4VLX80，其包含80 640個邏輯單元。

捕獲單元中的FPGA，其端口輸出信號電平值為3.3V，機柜的總線接口板采用的信號電平值為5V，所以本文設計的接口電路采用電平轉換芯片來解決電平不一致問題。

電源模塊為ADC提供1.8V，輸出端驅動2.5V，為FPGA提供內核1.2V，端口2.5V和3.3V，為電平轉換電路提供5V，15V和-15V電壓。

4.2 軟件設計

根據捕獲原理，可將具體功能分為各個邏輯單元模塊：控制模塊、詢問信號檢測模塊、抗回波模塊和靈敏度調節模塊。控制模塊完成總線信號的輸入與各模塊輸出；詢問信號檢測模塊完成輸入信號的半幅點計算與判斷，生成等寬度的觸發雙脈沖；抗回波模塊根據回波抑制時間和門限確定該觸發雙脈沖是否有效，若有效，靈敏度調節模塊會根據統計有效觸發雙脈沖數來判斷是否降低或者抬高當前接收靈門限值。各模塊之間采用狀態機進行狀態轉移。具體轉移流程如圖4所示。

圖4 狀態轉移示意圖Fig.4 Diagram of state transition

S0為等待詢問信號狀態，當有詢問信號到來時，根據狀態S3輸出情況判斷是否進入S1狀態；在S1 狀態下，判斷當前詢問脈沖的半幅寬度，若符合詢問信號半幅寬度，進入S2狀態，若不符合，反饋至S0，S0繼續等待直到新的詢問信號到來；在S2狀態下，計數器根據時鐘，生成當前輸入信號等寬度的觸發雙脈沖，脈沖寬度應為3.5μs±0.5μs，進入S3狀態；在S3狀態下，判斷回波抑制時間是否結束或者門限是否降低，若結束或者門限降低，觸發雙脈沖有效，進入S1狀態，等待下個詢問信號到來，同時把有效信號輸入到靈敏度調節模塊進行統計。

5 驗證與測試

5.1 測試方案

捕獲單元是整個地面設備中的一個組成部分，其功能驗證與測試需要借助整機來完成。整機機柜可為本次功能驗證測試提供必要的工作電源、高頻通道、測試接口，測試過程中參數設置由外部PC完成。標準格式的詢問信號由空中模擬器產生，把通過高頻通道系統檢波后的詢問信號，作為捕獲單元的輸入信號。捕獲單元中FPGA輸出的數字信號通過總線接口板進入信號處理單元，信號處理單元完成數模轉換。測試連接如圖5所示。

本次驗證測試所使用的測試儀器及設備信息見表1。

表1 測試儀器及設備信息Tab.1 Test instrument and equipment information儀器設備設備信息數量用途DME地面機柜具備測試環境1提供測試驗證平臺空中模擬器可輸出標準的射頻詢問信號1提供詢問信號示波器型號:DPO4054500MHz,4CH,2.5GS/s1測量輸出觸發雙脈沖PC機操作系統Win7,內存容量8G1參數設置

5.2 功能測試

捕獲單元功能測試：PC機控制空中模擬器產生幅度為-12dBm的詢問信號，將其輸入到DME 地面臺高頻通道系統。此時輸入的射頻詢問脈沖信號幅度較強，代表飛機距地面臺的距離較近。用示波器測量輸出觸發脈沖，測量結果如圖6所示，半幅點脈寬為3.53μs。

圖6 生成的觸發雙脈沖波形圖Fig.6 Generated trigger double pulse

實際工作中，高頻通道系統輸入的詢問脈沖動態范圍為-92dBm～-12dBm，捕獲單元可捕獲的詢問脈沖速率為950對脈沖每秒至2 700對脈沖每秒。現以10dB為步進值，PC機設置空中模擬器的詢問信號發射速率為950對脈沖每秒，進行整個動態范圍內輸出觸發脈沖寬度的測量，每步進值測試20組數據，并依據貝塞爾公式計算其實驗標準偏差，測試結果及其測量不確定度見表2和表3。測試結果表明：在輸入信號動態范圍內，捕獲后輸出觸發脈沖寬度均符合3.5μs±0.5μs的設計要求。

PC設置空中模擬器的詢問信號發射速率為2700對脈沖每秒，脈沖電平-92dBm，在示波器上可以看到生成的觸發雙脈沖；將詢問信號發射速率設置為2750對脈沖每秒，脈沖電平繼續保持-92dBm時，示波器上的觸發雙脈沖消失；將詢問信號發射速率保持為2750對脈沖每秒，其中2700對脈沖電平增加為-90dBm，50對脈沖電平保持為-92dBm，示波器上又可以看到生成的觸發雙脈沖。實驗結果說明：當發射速率超過捕獲單元接收最大值時，靈敏度開始下降，若發射速率增加50對脈沖每秒，則靈敏度下降2dB，因此靈敏度控制得以實現。

PC機設置回波抑制固定延遲為56μs的門信號，在此門信號持續時間內，捕獲使能和輸出觸發脈沖使能均為“低電平”，在示波器上無觸發脈沖輸出；當56μs門信號結束后，捕獲使能和輸出觸發脈沖使能變為“高電平”，此時示波器上可以看到觸發脈沖輸出信號，說明回波抑制得以實現。

5.3 數據分析

測量結果的不確定度采取如下測量模型進行評定，測量模型如式(1)所示

Y=t

(1)

式中：Y——觸發脈沖寬度值；t——示波器測量的脈沖寬度值。

不確定度來源：

示波器不準引入的標準不確定度分量u1；

測量重復性引入的標準不確定度分量u2。

標準不確定度評定：

1)示波器引入的標準不確定度u1。標準器是DPO4054型數字示波器，按照說明書給出的技術指標，在3.5μs時間讀數處(水平時基2μs/div)的最大允許誤差如式(2)所示

±(0.002%×讀數+0.05div×水平時基)

(2)

2)測量重復性引入的標準不確定度分量u2。在重復測量的條件下，分別對不同的詢問信號電平對應的觸發脈沖寬度進行測量，每組測量20次，并采用貝塞爾公式計算其標準偏差，計算結果見表2。

表2 測量重復性引入的標準偏差u2Tab.2 Standard deviation u2 introduced by measurement repeatability輸入信號電平(dBm)-12-22-32-42-52-62-72-82-9220次脈寬測量算數平均值(μs)3.353.373.413.403.433.443.503.523.50標準偏差(μs)0.130.140.100.130.090.110.020.060.18

合成標準不確定度：

u1和u2之間互不相關，按式(3)計算合成標準不確定度，結果見表3。

表3 測試數據匯總Tab.3 Test data summary輸入詢問信號電平輸出觸發脈沖寬度20次測量平均值合成標準不確定度uc測量結果不確定度(k=2)-12dBm3.35μs0.14μs0.28μs-22dBm3.37μs0.15μs0.30μs-32dBm3.41μs0.12μs0.24μs-42dBm3.40μs0.14μs0.28μs-52dBm3.43μs0.11μs0.22μs-62dBm3.43μs0.13μs0.26μs-72dBm3.50μs0.06μs0.12μs-82dBm3.52μs0.08μs0.16μs-92dBm3.50μs0.19μs0.38μs

(3)

擴展不確定度：

取包含因子k=2，則擴展不確定度U=k×uc，計算結果見表3。

6 結束語

集成電路的日趨成熟，為航空電子設備實現低成本，小型化，便于維護提供了良好支撐。DME作為傳統的路基導航系統，早期地面設備使用分立器件，硬件體積大，維護成本高。本文針對DME地面設備中捕獲功能模塊采用集成化設計，利用可編程器件，完成詢問信號檢測、靈敏度調節與抗回波信號。該設計方案不僅縮小硬件尺寸，降低元器件使用數量，同時可提高可擴展性。測試結果表明，基于FPGA的DME地面設備捕獲功能單元滿足系統設計要求。