微波著陸系統(tǒng)信號模擬器設計

王 偉,張 斌

(空軍工程大學電訊工程學院,西安 710077)

1 引 言

目前,微波著陸系統(tǒng)(MLS)在我軍裝備的進近引導系統(tǒng)中是最先進的精密引導系統(tǒng)[1]。系統(tǒng)除了能提供完整的方位、仰角和距離引導信息外,還具有完善的監(jiān)測能力[2],對設備發(fā)射的各種信號進行監(jiān)測,實現(xiàn)設備的工作控制、狀態(tài)顯示,建立遙控和同步通信等,當系統(tǒng)發(fā)生故障、監(jiān)測參數超過誤差范圍時,能及時予以警示,并自動切換主備用設備或關閉發(fā)射信號,保證系統(tǒng)的可靠性和完好性[3,4]。因此,研制微波著陸信號模擬器來提供各種監(jiān)測信號對系統(tǒng)的性能測試、指標校準和故障維修有著十分重要的意義。國外對該模擬器的研究比較成熟,已經有型號產品提供,例如美國IFR公司的MLS-800,但價格昂貴。

本文提出了一種簡易微波著陸系統(tǒng)信號模擬方法,通過采用高速、高性能的FPGA,在設備時鐘的同步下按一定規(guī)律讀取存儲器中的信號數據,模擬產生不同場景下的微波著陸系統(tǒng)方位信號、仰角信號和數據字信號。該模擬器成本低、體積小,可脫機對系統(tǒng)進行獨立調試和指標校準,保證系統(tǒng)的可靠性和完好性。

2 MLS信號格式

MLS地面臺角度信號和數據信息的發(fā)射采用了時分多路復用(TDM)技術[2,3],即角度制導信息和數據字都在同一頻率上發(fā)射,不同功能的信號都占有自己的發(fā)射時隙,在每一個功能發(fā)射時隙前部用功能碼來區(qū)分不同的功能塊。

MLS的測角是基于時基掃描波束(TRSB)技術。在比例制導區(qū)內,飛機接收地面角度引導設備掃描天線發(fā)射的“往”掃脈沖與“返”掃脈沖,測出這兩個波束之間的時間差,通過計算得到它所處的位置相對于跑道中心線的方位角[5],如圖1所示。

圖1 微波著陸系統(tǒng)角度測量示意圖Fig.1 Sketch map of the MLS angle measurement

制導角度值與脈沖間隔時間差之間的關系為[5]

式中,θ為方位制導角度值,t為任意進近角時飛機接收到“往”和“返”脈沖間的時間差,T0為以零度角進近時飛機接收到“往”和“返”脈沖間的時間差,v為掃描速率。

角度引導信號包含了前導碼、扇區(qū)信號、“往”掃描區(qū)間、掃描間隙和“返”掃描區(qū)間等要素,這些要素都是按照嚴格的時間要求發(fā)射的。

數據字信號采用DPSK調制方式,調制速率為15625 bit/s,其結構和時序有著嚴格的規(guī)定。

3 系統(tǒng)結構

模擬器的主要功能是復現(xiàn)微波著陸系統(tǒng)方位引導信號、仰角引導信號和數據字信號。該模擬器主要由波形存儲電路、FPGA及其附屬電路、波形形成電路、信號分離電路組成,如圖2所示。

圖2 總體組成框圖Fig.2 Block diagram of simulator

根據MLS信號格式,FPGA及其附屬電路讀取波形存儲器中的數據信息,處理后進行數模轉換,同時形成各功能信號的同步信號,在各同步信號的控制下,產生滿足指標要求的方位信號、仰角信號、數據字信號,同步信號和各功能信號分別用來控制發(fā)射機和檢驗監(jiān)測器。

波形存儲器為電可擦除存儲器,存儲了形成方位引導信號、仰角引導信號、數據字信號的包絡數據信息,存儲區(qū)分配如表1所示。

表1 EEPROM存儲區(qū)分配Table 1 Distribution of EEPR OM

FPGA及其附屬電路是模擬器的核心部分,選用Alter公司的EPF10K20TC144-4作為主控芯片,它采用FLEX結構,具有63000個系統(tǒng)門、144個邏輯陣列塊、1152個邏輯單元、12288位 RAM、102個 I/O。該款FPGA的內部資源以及管腳數量能夠完全滿足本方案的設計需求,故選用該款FPGA作為主控邏輯芯片。FPGA的配置數據存儲在片外的EPC2LC20中。配置數據是用Quartus軟件將設計所得的pof格式的文件燒錄進去。這樣設計程序就固化在外部配置芯片EPC2LC20里,在上電時,FPGA把設計程序從EPC2讀入SRAM并運行[6,7]。

FPGA及其附屬電路主要完成兩個功能:一是產生波形存儲器讀邏輯控制信號和地址信號,分別通過控制總線和地址總線送入波形存儲器,調用存儲的數據信息;二是產生各功能信號的同步信號,送入信號分離電路。

波形形成電路完成數字量到模擬量的轉換。采用8位數模轉換芯片AD7528KR外接運算放大器TL082完成波形形成,且輸出視頻信號幅度和直流電壓的大小是可調的。將信號分成三路送入信號分離電路,每一路中都含有方位引導信號、仰角引導信號和數據字信號。

信號分離電路中,在同步信號的控制下,每一路只允許一種功能信號輸出。

4 系統(tǒng)工作流程

根據微波著陸系統(tǒng)的信號格式,在計算機上應用MATLAB軟件建立矩陣函數,根據需要靈活地改變波形參數,產生正常或異常的信號波形,將波形數據下載到存儲器中[8,9],對存儲的數據按照功能設置各自的時隙分配標志;搭建以FPGA為核心的硬件電路,用VHDL語言編寫軟件,在程序控制下,通過標志進行識別,調用存儲的數據,按照規(guī)定的格式依次產生所需信號,從而實現(xiàn)模擬器的功能。

4.1 波形數據產生

以500kHz的采樣頻率依次對理想的±10°高速方位信號、3.5°仰角信號和數據字信號進行采樣,信號波形如圖3所示。將波形數據下載到波形存儲器中。

圖3 信號數據信息仿真波形圖Fig.3 Simulation of the signal data message

4.2 信號輸出

該過程主要包括存儲器數據讀取和信號輸出時序控制,其完成的具體操作包括時隙分配標志識別、地址信號產生、數據信息讀取、D/A數據分配、DPSK信號形成等。

當模擬器正常工作時,根據方位信號、仰角信號和數據字信號產生的先后順序,產生相應的時隙分配表,然后對時隙分配標志進行識別,主要分為3種情況。

(1)若為方位(或仰角)信號標志,則產生方位(或仰角)信號的地址信號,調用存儲的信號數據,根據微波著陸系統(tǒng)的信號格式,在相應時隙內產生DPSK信號,輸出D/A分配數據。另外,根據系統(tǒng)設計要求:在整個方位(或仰角)引導功能時隙,產生方位(或仰角)同步信號。

(2)若為數據字信號標志,則產生數據字信號的地址信號,在相應時隙內產生DPSK信號及其同步信號。

(3)若為延時標志,則做相應延時后返回時隙分配信息表。

主程序流程圖如圖4所示,在Modelsim軟件中的部分仿真結果如圖5所示。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flow chart of main program

圖5 仰角信號仿真波形Fig.5 Simulation of the elevation signal

5 信號分析

以仰角信號為例,用標準+15 V、-15 V和+5 V直流電源給信號模擬器供電,通過示波器對相應功能管腳進行測量,得到的仰角信號波形如圖6所示。

圖6 實測仰角信號波形Fig.6 The measured elevation signal

根據MLS信號格式,仰角信號以零度角進近時飛機接收到“往”和“返”脈沖間的時間差 T0為3.35ms,掃描速率為20000°/s,已知存儲器中仰角信號為3.5°,由示波器測出“往”和“返”脈沖間的時間差為3ms,計算仰角信號角度:

可以看出,實測值與理論值完全相符。另外,從圖中可以看出,前導碼和扇區(qū)信號的實測值與理論值是一致的,主瓣和旁瓣的幅度滿足指標要求,系統(tǒng)整體達到了設計要求。

6 結束語

針對微波著陸系統(tǒng)測試、調試、校準困難等難題,本文設計了一種基于FPGA的信號模擬器,通過實際電路驗證,該模擬器能夠實時高精度地模擬微波著陸系統(tǒng)的各種信號,且結構簡單,易于生產,實現(xiàn)成本較低。目前,該模擬器已經投入使用,使用結果表明,系統(tǒng)性能穩(wěn)定,滿足實際需要。

以此電路為基礎,通過靈活改變存儲器中的信號數據和控制軟件,該模擬器可廣泛應用于多種設備調試和各類測試儀器,具有廣闊的應用前景。

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