基于JFM7K325T著陸設(shè)備時(shí)序信號(hào)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

谷 雨，李 偉，張曉肖

基于JFM7K325T著陸設(shè)備時(shí)序信號(hào)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

谷 雨1,2，李 偉1,2，張曉肖1,2

（1 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068；2 陜西省組合與智能導(dǎo)航重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710068）

針對(duì)飛機(jī)進(jìn)場(chǎng)著陸問題，提出一種基于JFM7K325T著陸設(shè)備時(shí)序信號(hào)設(shè)計(jì)方案，JFM7K325T負(fù)責(zé)產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)處理（DSP）的時(shí)鐘、復(fù)位、邏輯控制和數(shù)據(jù)的預(yù)處理，在時(shí)鐘的同步下按一定格式產(chǎn)生不同功能的著陸設(shè)備數(shù)據(jù)信號(hào)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證該方案的可行性。

著陸設(shè)備；JFM7K325T；數(shù)字信號(hào)處理；時(shí)序信號(hào)

0 引言

著陸設(shè)備主要是解決飛機(jī)進(jìn)場(chǎng)著陸引導(dǎo)的問題。本文介紹了著陸設(shè)備時(shí)序信號(hào)組成、信號(hào)格式和數(shù)據(jù)信號(hào)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，采用100%“國(guó)產(chǎn)化”高性能的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA），按一定格式產(chǎn)生不同功能的著陸設(shè)備數(shù)據(jù)信號(hào)。該方法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)，充分利用FPGA（復(fù)旦微JFM7K325T-AS）的工作特性，在全國(guó)產(chǎn)化前提下，有效保證產(chǎn)生的著陸設(shè)備數(shù)據(jù)信號(hào)的正確性和完好性。

1 JFM7K325T簡(jiǎn)介及其應(yīng)用

JFM7K325T核心板是一款基于復(fù)旦微FPGA設(shè)計(jì)的高端工業(yè)模塊，采用全國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)。FPGA引腳資源通過高速連接器引出，并集成了專用超高速串并轉(zhuǎn)換模塊、高靈活可配置模塊、專用數(shù)字信號(hào)處理模塊和可配置時(shí)鐘模塊等應(yīng)用模擬電路。核心板經(jīng)過專業(yè)的印刷電路板布局布線（Printed Circuit Board Layout，PCB Layout）和高低溫測(cè)試驗(yàn)證，穩(wěn)定可靠，可滿足各種應(yīng)用場(chǎng)景。

2 系統(tǒng)信號(hào)格式與發(fā)播時(shí)序設(shè)計(jì)

角度信息和數(shù)據(jù)信息在同一頻率上以時(shí)分多路復(fù)用的方式播發(fā)。著陸設(shè)備信號(hào)周期是由一系列順序?qū)M成的，在一個(gè)全周期中，順序?qū)χg的停歇時(shí)間是“跳躍”的。其發(fā)播周期是一個(gè)614.4 ms長(zhǎng)的時(shí)間段[1,4]，全周期信號(hào)格式如圖1所示。

圖1 全周期信號(hào)格式

2.1 著陸設(shè)備角度制導(dǎo)信號(hào)

著陸系統(tǒng)的角度制導(dǎo)信號(hào)主要包括：前導(dǎo)碼、扇區(qū)信號(hào)和掃描信號(hào)。方位與仰角的前導(dǎo)碼信號(hào)格式相同，而前導(dǎo)碼、扇區(qū)信號(hào)和掃描信號(hào)內(nèi)容與時(shí)序是不同的。著陸系統(tǒng)的角度制導(dǎo)信號(hào)格式如下：

1）角度制導(dǎo)信號(hào)

包括前導(dǎo)碼、扇區(qū)信號(hào)和掃描信號(hào)。其中方位和仰角前導(dǎo)碼均為1.6 ms；扇區(qū)信號(hào)方位為0.96 ms、仰角為0.256 ms，由于方位需發(fā)送臺(tái)站識(shí)別碼，天線選擇脈沖和檢查脈沖，同時(shí)方位橫向掃描需發(fā)送后、左、右覆蓋區(qū)外指示（Out of Coverage Indication，OCI），而仰角縱向掃描只發(fā)送一個(gè)OCI信號(hào)[2]；方位掃描信號(hào)為9.0 ms而仰角掃描信號(hào)為3.5 ms，由于方位掃描覆蓋為-42°～42°，仰角掃描范圍是-1.5°～29.5°，波束掃描速度為0.02°/ μs，所以方位和仰角“往”、“返”掃描時(shí)間不同[3]，同時(shí)方位掃描停歇為0.6 ms而仰角掃描停歇為0.4 ms。其信號(hào)形式如圖2所示。通過地面的方位天線產(chǎn)生一個(gè)垂直方向較窄的扇形波束在比例覆蓋區(qū)內(nèi)進(jìn)行往返掃描，來實(shí)現(xiàn)角度測(cè)量[5]。

圖2 著陸設(shè)備角度制導(dǎo)信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)格式

2）前導(dǎo)碼信號(hào)

前導(dǎo)碼用來識(shí)別信號(hào)是哪一種特定功能。前導(dǎo)碼的信號(hào)格式如圖3所示，包括載波截獲、巴克碼和功能識(shí)別碼。

圖3 前導(dǎo)碼信號(hào)格式

載波捕獲占13位，按連續(xù)波發(fā)播，機(jī)載接收機(jī)利用該信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)電平控制，并提取信號(hào)相位基準(zhǔn)[9]。前導(dǎo)碼信號(hào)的時(shí)隙分配如表1所示。

表1 前導(dǎo)碼信號(hào)時(shí)序表

2.2 數(shù)據(jù)字信號(hào)

著陸設(shè)備數(shù)據(jù)分為基本數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)，基本數(shù)據(jù)字和輔助數(shù)據(jù)字均采用差動(dòng)相移鍵控（Differential Phase Shift Keying，DPSK）調(diào)制，邏輯“0”，由0°±10°相移表示；邏輯“1”，由180°±10°相移表示[8]。碼元寬度為64 μs，上升和下降時(shí)間小于2 μs。

1）基本數(shù)據(jù)字

基本數(shù)據(jù)字共有6個(gè)，每個(gè)占32個(gè)碼元，其中基本數(shù)字1～6的功能識(shí)別碼分別為：0101000、0111100、1010000、1000100、1101100、0001101[7]。數(shù)據(jù)內(nèi)容分別為：方位臺(tái)距離跑道入口的距離、方位覆蓋負(fù)限、方位覆蓋正限、余隙信號(hào)類型；最小下滑角、反方位狀態(tài)、測(cè)距狀態(tài)信息、進(jìn)近方位狀態(tài)信息；方位掃描波束寬度、仰角掃描波束寬度、測(cè)距臺(tái)距離；方位磁向、反方位磁向；反方位制導(dǎo)覆蓋負(fù)限、反方位制導(dǎo)覆蓋正限、反方位掃描波束寬度；地面設(shè)備識(shí)別碼[10]。數(shù)字信息按“最低有效位在前”的原則播發(fā)。基本數(shù)據(jù)字信號(hào)格式如圖4所示。

圖4 基本數(shù)據(jù)字信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)格式

基本數(shù)據(jù)字時(shí)隙分配表如表2所示。

表2 基本數(shù)據(jù)字時(shí)隙分配表

2）輔助數(shù)據(jù)字

輔助數(shù)據(jù)字共三類，輔助數(shù)據(jù)字共包含76個(gè)碼元，其中功能碼分別為：1110010、10101110、1111000。數(shù)據(jù)位有兩種格式，一種是數(shù)據(jù)信息，另一種是字符信息，信息按“最低有效位在前”的原則播發(fā)。數(shù)據(jù)信息以定義的量化原則為編碼依據(jù)，字符信息則采用閱讀順序，以國(guó)際民航組織附件10卷三中IA-5的格式編碼[6]。輔助數(shù)據(jù)字的信號(hào)格式和輔助數(shù)據(jù)字時(shí)序功能表如圖5所示。

各個(gè)輔助數(shù)據(jù)字時(shí)隙分配表如表3所示。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 功能設(shè)計(jì)

著陸設(shè)備數(shù)據(jù)信號(hào)控制設(shè)計(jì)如圖6所示。

其中數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，DSP）是主處理器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的解析、計(jì)算和通信功能，選用國(guó)防科大銀河飛騰FT-6416，DSP通過外部存儲(chǔ)器接口（External Memory Interface，EMIF）外掛兩片同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存（Synchronous Dynamic Random Access Memory，SDRAM）芯片，作為處理數(shù)據(jù)的臨時(shí)緩存，DSP通過EMIFA接口（nCE1）與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。FPGA選用復(fù)旦微JFM7K325T-AS，F(xiàn)PGA作為DSP的一個(gè)外設(shè)工作，負(fù)責(zé)產(chǎn)生DSP的時(shí)鐘、復(fù)位、邏輯控制和數(shù)據(jù)的預(yù)處理，在時(shí)鐘的同步下按照第2節(jié)數(shù)據(jù)的信號(hào)格式產(chǎn)生不同功能的著陸設(shè)備數(shù)據(jù)信號(hào)。還包括1片模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC），型號(hào)為AD9268進(jìn)行模擬信號(hào)采集，1片數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（Digital-to-Analog Converter，DAC），型號(hào)為AD5310進(jìn)行模擬信號(hào)輸出。

圖6 著陸設(shè)備數(shù)據(jù)信號(hào)控制設(shè)計(jì)示意圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)

著陸設(shè)備全周期時(shí)序控制軟件設(shè)計(jì)，按照上述第2節(jié)信號(hào)格式與發(fā)播時(shí)序控制著陸設(shè)備全周期信號(hào)格式。FPGA的開發(fā)環(huán)境是Xilinx的VIVADO，F(xiàn)PGA開發(fā)語言是Verilog。著陸設(shè)備系統(tǒng)全周期時(shí)序控制軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

圖7 著陸設(shè)備全周期時(shí)序控制軟件設(shè)計(jì)流程圖

方位、仰角功能程序設(shè)計(jì)，當(dāng)發(fā)射機(jī)開關(guān)打開時(shí)，自檢正常，將全周期順序計(jì)數(shù)器信號(hào)置為0，按照全周期順序計(jì)數(shù)，全周期時(shí)間為614.4 ms（一個(gè)全周期播發(fā)功能包括24個(gè)方位和24個(gè)仰角）；當(dāng)發(fā)送仰角功能DPSK將仰角信號(hào)信號(hào)置為1，相反，發(fā)送方位功能DPSK將方位信號(hào)置為1；1個(gè)碼元時(shí)間64 μs，循環(huán)等待，根據(jù)方位、仰角功能的識(shí)別碼設(shè)置差動(dòng)相移鍵控調(diào)制，基本數(shù)據(jù)字和輔助數(shù)據(jù)字功能碼程序據(jù)此類推即可。

4 著陸設(shè)備時(shí)序信號(hào)功能實(shí)現(xiàn)

著陸設(shè)備時(shí)序信號(hào)采用DPSK編碼方式，在第2章表1中可以看出，功能識(shí)別碼共占用7個(gè)比特，前5位是信息位，后2位是奇偶校驗(yàn)位，每比特為64 μs（一個(gè)時(shí)鐘脈沖上升沿和下降沿小于2 μs）。系統(tǒng)的方位、仰角、基本數(shù)據(jù)字和輔助數(shù)據(jù)字都是功能識(shí)別碼表明指令，由機(jī)載接收機(jī)識(shí)別并解算[11]。具體功能識(shí)別碼和信號(hào)波形如表4所示。

表4 功能識(shí)別碼和信號(hào)波形

本文方案已經(jīng)在某型設(shè)備科研樣機(jī)中應(yīng)用。前導(dǎo)碼信號(hào)波形測(cè)試圖如圖8所示，圖中黃色曲線為DPSK調(diào)制信號(hào)，綠色為自動(dòng)電平控制信號(hào)。由圖8（b）可以看出，時(shí)鐘為15.625 kHz，一個(gè)碼元時(shí)間為64 μs。由圖8（a）波形圖與圖3完全對(duì)應(yīng)，證明該方案前導(dǎo)碼設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可行性。

圖8 前導(dǎo)碼和1個(gè)碼元信號(hào)波形圖

該方案實(shí)現(xiàn)方位、仰角功能識(shí)別碼的測(cè)試波形如圖9所示，由圖9（a）看出功能識(shí)別碼為“111010010100”，圖9（b）可以看出功能識(shí)別碼為“111011100001”。說明該方案方位、仰角功能碼設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可行性。

圖9 方位和仰角功能信號(hào)波形圖

該方案實(shí)現(xiàn)基本數(shù)據(jù)字2功能識(shí)別碼的測(cè)試波形如圖10所示。圖10可看出基本數(shù)據(jù)2功能識(shí)別碼“111010111100”和數(shù)據(jù)碼“0111100，00110101010011110100”。如圖10（b）所示，基本數(shù)據(jù)字2全周期時(shí)間為2.048 ms，說明該方案基本數(shù)據(jù)字2功能碼設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可行性。

圖10 基本數(shù)據(jù)字2功能信號(hào)波形圖

輔助數(shù)據(jù)字功能識(shí)別碼信號(hào)波形如圖11所示，可以看出功能識(shí)別碼為“111011111000”，符合表4輔助數(shù)據(jù)字信號(hào)波形，說明該方案輔助數(shù)據(jù)字功能碼設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

圖11 輔助數(shù)據(jù)字功能信號(hào)波形圖

5 結(jié)語

在基于JFM7K325T著陸設(shè)備時(shí)序信號(hào)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中，采用DSP（銀河飛騰FT-6416）與FPGA（復(fù)旦微JFM7K325T-AS）相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)“全國(guó)產(chǎn)化”著陸設(shè)備時(shí)序信號(hào)控制與實(shí)現(xiàn)。通過試驗(yàn)，證明該全國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)有效保證產(chǎn)生的著陸設(shè)備數(shù)據(jù)信號(hào)的正確性和完好性。目前，在某型導(dǎo)航設(shè)備科研樣機(jī)中已經(jīng)應(yīng)用。

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Design and Implementation of Sequence Signal Based on JFM7K325T Landing Equipment

GU Yu, LI Wei, ZHANG Xiaoxiao

Aiming at the problem of aircraft approach and landing, a design scheme of sequence signal based on JFM7K325T landing equipment is proposed. JFM7K325T is responsible for generating digital signal processing clock and reset, logic control and data preprocessing. Under the synchronization of the clock the landing equipment data signals with different functions are generated according to certain formats. The feasibility of the scheme is verified by experiments.

Landing Equipment; JFM7K325T;Digital Signal Processing; Sequence Signal

TN965

A

1674-7976-(2023)-06-410-06

2023-03-27。

谷雨（1996.05—），黑龍江哈爾濱人，碩士，主要研究方向?yàn)闊o線電導(dǎo)航。