單脈沖二次雷達的研制和改進

1、單脈沖二次雷達的研制和改進張虹(南京電子技術(shù)研究所南京210013【摘要】闡述了單脈沖二次雷達應(yīng)答處理分系統(tǒng)的研制,主要介紹了自行設(shè)計的乒乓式先進先出電路,說明了采用新型可擦除可編程邏輯器件EPLD的優(yōu)點、存在的問題和解決辦法?！娟P(guān)鍵詞】單脈沖二次監(jiān)視雷達,空中交通管制,先進先出,可擦除可編程邏輯器件D evelopm en t of M onop lu se Secondary Su rveillance R adarZHANG Hong(N an jing R esearch In stitu te of E lectron ics T echno logyN an jing210013【

2、Abstract】T h is paper describes the developm en t of the respon sive system abou t the monopu lse secondary su rveillance radar.T he self-designed alternate F IFO circu it is in troduced.T he obvi ou s advan tages of EPLD、p rob2 lem s and so lving m ethod are also recomm ended.【Key words】monopu lse

3、secondary su rveillance radar,air traffic con tro l,F irst In F irst O u t,E rasab le P ro2 gramm ab le L ogic D evice(EPLD1引言單脈沖二次監(jiān)視雷達(M SSR是空中交通管制(A TC系統(tǒng)的基本組成設(shè)備之一,它相當于一部詢問機,向空中發(fā)射詢問信號,飛機上的應(yīng)答器在收到詢問信號后自動做出應(yīng)答。M SSR不但具有一般雷達的定位功能,還可以進行目標識別、提供目標高度數(shù)據(jù),并且不易受氣象和地物的干擾,可大大提高A TC能力,同時M SSR采用單脈沖技術(shù)在普通SSR的和波束基礎(chǔ)上增加

4、了差波束對目標的應(yīng)答信號進行處理,使應(yīng)答的每個脈沖均含有目標的方位角信息,可進一步提高方位精度,當飛機相互接近、穿越時彼此應(yīng)答脈沖便會重疊,即產(chǎn)生目標“混淆”,由于M SSR具有和(2、差(兩路接收通道,通過組合利用應(yīng)答信號的幅度和相位信息,可準確無誤地解開這種“混淆”,并判定每個應(yīng)答的解碼,這對保障飛行安全尤為重要。2系統(tǒng)的組成及工作原理我們對單脈沖二次雷達的應(yīng)答處理分系統(tǒng)進行了改進。應(yīng)答處理分系統(tǒng)主要由碼裝配、定時器、檢測和自測試、和差比計算、視頻采樣、輸出控制和接口電路組成。輸入信號主要有從接收機視頻處理分系統(tǒng)來的預(yù)觸發(fā)、模式、時鐘、1位已處理和視頻PSV、14位方位、8位和視頻及8位差

5、視頻等信號,輸出信號主要有:頭信息、應(yīng)答信息、自測試應(yīng)答信息。輸入的模式信號經(jīng)本分系統(tǒng)的模式檢測電路獲得模式代碼;PSV信號經(jīng)框架檢測電路檢出目標框架,并啟動碼裝配通道;定時器產(chǎn)生定時脈沖對四個相同的碼裝配通道進行時序控制;和差比計算電路對輸入的8位和路視頻與8位差路視頻進行和差比計算,結(jié)果與8位和視頻一起送碼裝配通道;由碼裝配通道進行解碼,去除幻影應(yīng)答、旁瓣應(yīng)答,解出軍事識別應(yīng)答、軍事告急應(yīng)答、混淆應(yīng)答和反射應(yīng)答,并經(jīng)進一步相關(guān)確認和修正后送代碼裝配總線;有關(guān)代碼在輸出控制電路作用下與目標的距離、方位等信息一起依序?qū)懭霐?shù)據(jù)緩沖器;再由接口電路完成數(shù)據(jù)從緩沖器向計算機的傳輸,由計算機進行點跡處

6、理和顯示。3對產(chǎn)品的改進我們完成的YL C-17型單脈沖二次雷達應(yīng)答處理分系統(tǒng)是參照英國CO SSO R二次雷達研制的,在設(shè)計上作了許多改進。第一是應(yīng)答報告數(shù)據(jù)傳輸方式的改進,原雷達由In tel8086單板機控制,用DM A方式直接將應(yīng)答報告數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾伟鍣C的主存中,由單板機直接從內(nèi)存中取數(shù),進行點跡處理,但由于In tel8086單板機停供的狀態(tài),對于后續(xù)開發(fā)2001年6月現(xiàn)代雷達增刊帶來很大困難,為此改用PC 機對應(yīng)答報告數(shù)據(jù)進行傳輸并完成進一步的點跡處理;第二是原雷達的電路采用分立元件和中小規(guī)模集成電路,設(shè)備的體積大,功耗也大,為此采用了可擦除、可編程邏輯器件EPLD ,EPLD 不僅

7、在集成度上有很大的提高,且易修改,易調(diào)試,具有很好的靈活性和可開發(fā)性,下面對兩個方面的改進作進一步的說明 。圖1乒乓工作的F IFO 電路由于應(yīng)答報告是隨著目標的出現(xiàn)而產(chǎn)生的,目標的隨機性決定了應(yīng)答報告產(chǎn)生的隨機性,而每個重復(fù)周期(4m s 形成應(yīng)答報告的能力為64組,每組應(yīng)答信息8個字,共有1024個字節(jié)的數(shù)據(jù)量,再加上每個重復(fù)周期的頭信息2個字,總共為1028字節(jié)的數(shù)據(jù)量,因此采用2K 字節(jié)的F IFO 作為數(shù)據(jù)緩沖器,F IFO 的輸入由輸出控制電路控制,該電路收到代碼裝配器的應(yīng)答準備好信號后即產(chǎn)生寫信號,將當前應(yīng)答目標的數(shù)據(jù)寫入F IFO ,同時應(yīng)答計數(shù)器增1,每個重復(fù)周期由詢問脈沖P

8、 3+18經(jīng)PC 接口電路向PC 機產(chǎn)生一個中斷請求信號,PC 機響應(yīng)中斷后即根據(jù)應(yīng)答計數(shù)器的值將F IFO 中的應(yīng)答信息取走。由于每組應(yīng)答信息由8個字組成,所以我們采用了兩片并行的F IFO 同時完成高位和低位字節(jié)的傳輸,與PC 機的接口采用了ISA 總線,用16位I O 讀完成數(shù)據(jù)傳輸。但在調(diào)試過程中我們發(fā)現(xiàn)有時會出現(xiàn)16位I O 傳輸不同步的情況,即從高位F I 2FO 和低位F IFO 讀出的數(shù)據(jù)不是同一個應(yīng)答字的高位和低位字節(jié),可能高位是前一個應(yīng)答的,而低位是后一個應(yīng)答的。經(jīng)由邏輯分析儀仔細觀察,并用出錯的狀態(tài)作為觸發(fā)信號,鎖存出錯時的各個相關(guān)信號,發(fā)現(xiàn)進行16位I O 數(shù)據(jù)傳輸時,

9、ISA 總線16位I O 口讀寫選通信號I O CS 16必須有效,但I O CS 16信號是要求外設(shè)經(jīng)O C 門后上ISA 總線,當PC 機本身有16位I O 口操作或有其它干擾的時候,I O CS 16信號線上會出現(xiàn)毛刺,一旦毛刺在讀寫應(yīng)答數(shù)據(jù)時發(fā)生,且較寬時,會導(dǎo)致I O CS 16信號呈現(xiàn)無效狀態(tài),這時PC 機就只能進行低8位I O 口操作,但由于程序中使用的是16位I O 口指令,PC 機就自動進行二次低8位I O 口操作,并將第二次的8位數(shù)據(jù)作為高8位,與前一個8位合成一個16位數(shù)據(jù),這樣就造成了16位I O 口傳輸?shù)?2增刊張虹:單脈沖二次雷達的研制和改進圖2EPLD內(nèi)部的去毛刺

10、電路高低8位的不同步。由于F IFO是順序工作方式,一旦其中出現(xiàn)兩片F(xiàn) IFO不同步的現(xiàn)象,后續(xù)數(shù)據(jù)就會一直錯位下去,不會自動校正,而要PC機來糾正這個錯誤,這樣增加了PC機的工作量,給本來點跡處理就很緊張的PC機帶來額外的負擔(dān)。為此對該電路作了改進,將F IFO設(shè)計成兩組乒乓工作的數(shù)據(jù)緩沖器(如圖1所示,第一組由兩個并行的F I2 FO(F1,F2組成,第二組由另兩個并行的F IFO (F3,F4組成。對第一組F IFO進行寫操作時,對第二組F IFO進行讀操作,到下一個重復(fù)周期對第二組F IFO進行讀操作,對第一組F IFO進行寫操作,每個重復(fù)周期交替一次。由重復(fù)周期詢問脈沖P3+ 18來

11、選通當前是哪一組F IFO進行寫操作,哪一組F IFO進行讀操作。此設(shè)計的關(guān)鍵是某一組F IFO在進行寫操作前必須對該F IFO清零,這樣做的結(jié)果是在寫操作開始前,此F IFO的讀寫指針都歸零,數(shù)據(jù)總是從第一個單元開始存放,而下一個重復(fù)周期開始時,對此F IFO讀數(shù)據(jù)時也必然從第一個單元開始讀,一旦出現(xiàn)F IFO高低字節(jié)不同步的情況,也只影響本重復(fù)周期內(nèi)的數(shù)據(jù),不會對后續(xù)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響,經(jīng)試驗證明該設(shè)計是可行的,并且效果很好。采用EPLD器件替代分立元件和中小規(guī)模集成電路目的主要是減少體積,提高集成度和可靠性,為產(chǎn)品的進一步開發(fā)和更新?lián)Q代奠定基礎(chǔ),事實上采用EPLD器件后不僅印制板數(shù)量由原來的1

12、6塊減少為8塊,且每塊板的尺寸也由280×320減小到220×277.8,重新設(shè)計后的分系統(tǒng)完全達到了設(shè)計要求。但在EPLD器件的使用過程中,由于其器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的缺陷,帶來了一些問題,我們分別采取了措施加以解決,具體表現(xiàn)在如下幾個方面:首先,E2器件內(nèi)部無三態(tài)功能,本分系統(tǒng)內(nèi)部有一個代碼裝配總線,各種代碼都是通過三態(tài)門輸出到代碼裝配總線,由輸出控制電路依次將總線上的代碼寫入數(shù)據(jù)緩沖器(F IFO,同時還有一些局部總線,用來和RAM配合使用產(chǎn)生固定延時的,由于EPLD 器件特性的限制,因此所有三態(tài)輸出的信號必須分配在EPLD的I O管腳上;其次由于EPLD器件的I O管腳上的

13、三態(tài)是用2選1的電路來實現(xiàn)的,總線上有時會出現(xiàn)隨機干擾,尤其是某些信號的前后沿會抖動,影響信號的可靠讀取,調(diào)試過程中我們發(fā)現(xiàn)對信號前后沿抖動的情況可通過加上拉或下拉電阻的方法來解決。比較嚴重的情況是有些信號經(jīng)過EPLD器件后會產(chǎn)生毛刺,如PC機的I O口讀信號I O R,對本分系統(tǒng)PC機有兩種I O讀操作,一種是讀應(yīng)答個數(shù)(8位I O,一種是讀應(yīng)答信息(16位I O。調(diào)試中發(fā)現(xiàn),有時應(yīng)答個數(shù)會出錯,有時應(yīng)答信息會漏讀,而應(yīng)答個數(shù)讀信號RDN和應(yīng)答信息讀信號 RD F IFO都是由PC機I O口讀信號I O R和地址信號A0A9以及A EN信號在EPLD器件內(nèi)譯碼產(chǎn)生的,經(jīng)邏輯分析儀觀察發(fā)現(xiàn)輸入

14、EPLD器件的I O R信號沒有毛刺,而經(jīng)EPLD器件譯碼后輸出的RDN、RD F IFO信號均會有毛刺出現(xiàn),嚴重的毛刺寬度在50n s以上,已將I O R分裂開,因此當PC機讀取一個數(shù)時,毛刺的出現(xiàn)導(dǎo)致應(yīng)答個數(shù)寄存器或應(yīng)答信息緩沖器作了兩次甚至兩次以上的讀操作,表現(xiàn)出來就是讀出的應(yīng)答個數(shù)不對或應(yīng)答信息漏讀,為此我們增加了去毛刺電路,如圖2所示,因由I O R譯碼產(chǎn)生的RDN和RD F IFO信號的寬度與I O R同寬為200n s左右,經(jīng)過去毛刺電路,RDN和RD F IFO信號的有效下降沿與保持一致,而脈寬被展寬到23個時鐘寬62現(xiàn)代雷達23卷 (240n s360n s,中間不會出現(xiàn)毛刺

15、,從而保證了PC機每讀一次,應(yīng)答個數(shù)寄存器或應(yīng)答信息緩沖器也只送一個數(shù),實驗證明這種措施大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。4結(jié)束語雷達的發(fā)展和更新?lián)Q代不僅對電路設(shè)計提出新的要求,對采用的新器件也提出了集成度更高、性能更完善的要求,而在新器件使用過程中,一方面要充分發(fā)揮新器件的特點,另一方面要注意可能存在的問題,要及時發(fā)現(xiàn)問題并解決問題,才能達到預(yù)期的效果。我們在二次雷達的研制中,不僅通過采用了新技術(shù)減小了體積,而且對電路進行重新設(shè)計和改進,提高了系統(tǒng)的可靠性,大大降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)某鲥e率,實踐證明改進是行之有效的。參考文獻1M ichael C.Steven s.Secondary Su rveillan

16、ce R adar.A rtech Hou se,Bo ston and L ondon張虹1990年畢業(yè)于東南大學(xué)無線電工程系電路、信號與系統(tǒng)專業(yè),獲碩士學(xué)位。長期從事信號處理和數(shù)據(jù)處理的研究工作,1998年開始從事雷達數(shù)據(jù)處理的研究工作。(上接第19頁$fo rmitem(“Do you W an t to En ter C Com ponen t?”,“$bell(2”,“helvetica2bo ld:28”,“B lack”, 標識對話框的提示內(nèi)容tu re,“W heat”;local layou t=$fo rmco lum nfalse,p ri msite2,bu t2 to

17、nrow;行顯示p ri msite2的內(nèi)容$createfo rm($w indowscop enam e(, alarmbu tton l,tu re,“W heat”,layou t; 將alarmbu tton l內(nèi)容激活并顯示在$w indowscop enam e標識的區(qū)域內(nèi)通過運行以上程序,我們將獲得完整的C編譯環(huán)境,也得到了一個較為滿意的C開發(fā)平臺。7結(jié)論當然,用Am p le語言進行程序設(shè)計不僅僅具有這些功能。它擁有豐富的函數(shù)庫,具有強大程序設(shè)計能力和良好的語法結(jié)構(gòu),是一個很好的EDA程序設(shè)計語言。其意義在于不僅能針對雷達探測系統(tǒng)進行建模、仿真和設(shè)計的一體化開發(fā),而且更為重要的是,可以建立起一套具有自主知識產(chǎn)權(quán),界面友好、可仿真和設(shè)計集成的使用型可視化軟件包,并允許在通用的C語言的支持下,進行二次和后期開發(fā),在今后雷達產(chǎn)品等的研制中,提供研究手段;同時,由于本研制開發(fā)從一開始就堅持基于U N I X操作系統(tǒng)、SU N工作站下,這樣在數(shù)據(jù)庫共享、數(shù)據(jù)庫管理、網(wǎng)絡(luò)支持上取得了很大的突破,使得今后進行大規(guī)模的針對相控陣雷達建模、仿真和設(shè)計上,積累了很多有益的寶貴經(jīng)驗,為進一步開發(fā)打下了堅實的基礎(chǔ)。參考文獻1張光義.相控陣雷達系統(tǒng).北京:國防工業(yè)出版社, 19942Geo rge W Sti m son.I