機(jī)載通信導(dǎo)航識(shí)別系統(tǒng)綜合檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

機(jī)載通信導(dǎo)航識(shí)別系統(tǒng)綜合檢測(cè)設(shè)備設(shè)■_rJ計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要:當(dāng)前各種平臺(tái)飛機(jī)CNI系統(tǒng)功能多達(dá)數(shù)十種，頻段覆蓋寬，波形體制不同，帶寬差異大，信號(hào)調(diào)制方式不一，從而導(dǎo)致CNI外場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備種類繁多，即使是模塊綜合化后的CNI外場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備，由于采用資源堆疊方式實(shí)現(xiàn)，綜合化程度低，增加了轉(zhuǎn)場(chǎng)保障的規(guī)模，不利于飛機(jī)機(jī)動(dòng)部署和戰(zhàn)時(shí)出動(dòng)，而且也增加了壽命周期費(fèi)用?；诤娇针娮酉到y(tǒng)的復(fù)雜性和能力增長快速的特性，新一代航空電子系統(tǒng)更加強(qiáng)調(diào)通過綜合模塊化航空電子、先進(jìn)航空電子體系結(jié)構(gòu)等系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)開放性，在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的CNI子系統(tǒng)加強(qiáng)模塊的冗余備份和資源重構(gòu)以提高傳感器功能、執(zhí)行任務(wù)的冗余度和可靠性，從而對(duì)外場(chǎng)保障設(shè)備的系統(tǒng)集成、能力提升和故障隔離提出更高的要求?；谏鲜鲂枨蠛捅尘?，本文提出了一種基于軟件無線電架構(gòu)的綜合檢測(cè)設(shè)備通用平臺(tái)，具有高集成度和開放性特點(diǎn)旨在解決傳統(tǒng)保障設(shè)備功能設(shè)備化或功能模塊化帶來的體積大、不便于使用和檢測(cè)功能升級(jí)等問題，同時(shí)為機(jī)載CNI系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。關(guān)鍵詞:通信導(dǎo)航識(shí)別系統(tǒng);綜合檢測(cè)設(shè)備;軟件無線電;平臺(tái)設(shè)計(jì)需求分析傳統(tǒng)的超外差設(shè)計(jì)架構(gòu)是信號(hào)經(jīng)模擬上下變頻后生成窄帶中頻信號(hào)再進(jìn)行信號(hào)和數(shù)據(jù)處理，由于需要多級(jí)混頻電路和分段濾波，導(dǎo)致系統(tǒng)的射頻前端部分復(fù)雜度極高，占用體積較大，并且功耗較高，且對(duì)如此寬頻帶的信號(hào)，該架構(gòu)下的波形軟件與射頻前端電路緊耦合，波形擴(kuò)展困難，信道資源基本無法復(fù)用。根據(jù)國外航電系統(tǒng)的發(fā)展情況以及技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，射頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一直在朝著信道通用化、簡(jiǎn)約化、數(shù)字化的方向發(fā)展。將數(shù)字化環(huán)節(jié)由中頻頻段前移至射頻頻段系統(tǒng)只配置少量寬帶數(shù)字化信道，各項(xiàng)功能所需的信號(hào)通過寬帶信道接收后，通過數(shù)字化處理進(jìn)行分離，可以極大地簡(jiǎn)化射頻信道部分的硬件需求。根據(jù)軟件無線電的設(shè)計(jì)思想，射頻信號(hào)的數(shù)字化應(yīng)該盡可能地靠近天線。但是在實(shí)際工程實(shí)踐中，直接對(duì)天線接收信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理還無法實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首要的任務(wù)是劃分射頻信號(hào)處理與數(shù)字信號(hào)處理的界面，確定系統(tǒng)的數(shù)字化采樣方案，不同的采樣方式將決定射頻處理部分的組成結(jié)構(gòu)和復(fù)雜程度，也將影響其后數(shù)字信號(hào)處理的方式和對(duì)處理速度的要求。射頻前端并不是全寬開，而是先由窄帶帶通濾波器選擇所需信號(hào)進(jìn)行放大后再進(jìn)行帶通采樣，可有效提高接收通道信噪比，改善動(dòng)態(tài)范圍。該結(jié)構(gòu)要求A/D轉(zhuǎn)換器有足夠高的模擬工作帶寬，但對(duì)采樣速率要求不高。和射頻低通采樣結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)對(duì)后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理器處理速度要求也低得多。硬件平臺(tái)總體設(shè)計(jì)綜合數(shù)字信道化模塊作為整個(gè)設(shè)備的核心，負(fù)責(zé)對(duì)射頻已調(diào)信號(hào)進(jìn)行A/D變換為基帶信號(hào)，或是將基帶信號(hào)D/A變換為射頻信號(hào);實(shí)現(xiàn)各種模式的調(diào)制/解調(diào)解擴(kuò)/解跳、糾錯(cuò)編譯碼、波束包絡(luò)處理、時(shí)間測(cè)量等功能。同時(shí)，其也是主機(jī)的控制核心。該模塊包括2個(gè)相同的數(shù)字信號(hào)處理通道，每個(gè)通道可被分配一個(gè)或多個(gè)特定任務(wù)或服務(wù)，形成可重構(gòu)、可配置的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)處理平臺(tái)，通過對(duì)通用處理通道的配置，可成為某一特定CNI檢測(cè)功能的信號(hào)處理平臺(tái)。射頻前端模塊實(shí)現(xiàn)150kHz?35GHz之間頻段的天線接口適配及處理，主要完成收發(fā)射頻信號(hào)的放大、濾波、增益控制，UV頻段、L頻段、S頻段、C頻段、K/Ka頻段收發(fā)射頻信號(hào)的上下變頻、放大、濾波、增益控制，產(chǎn)生高精度校準(zhǔn)源信號(hào)，完成各收通道信號(hào)校準(zhǔn)和各發(fā)射通道的功率檢測(cè)，產(chǎn)生全系統(tǒng)參考鐘。聲碼話模塊用于UV頻段、HF、JTIDS、UHF頻段衛(wèi)通、S頻段衛(wèi)通、Ka頻段衛(wèi)通、機(jī)間數(shù)據(jù)鏈(Intra-flightDataLink，IFDL)、搜救、JTIDS音頻編解碼處理。高度表模塊用于對(duì)高度的模擬。時(shí)密模塊完成識(shí)別卡信息的讀取。電源模塊為整個(gè)設(shè)備完成電源濾波及供電。硬件平臺(tái)主要模塊設(shè)計(jì)3.1綜合數(shù)字信道化模塊作為整個(gè)檢測(cè)設(shè)備核心模塊，所選用的基帶數(shù)據(jù)處理模塊、射頻信號(hào)收發(fā)模塊關(guān)系到整個(gè)檢測(cè)平臺(tái)是否能夠良好運(yùn)行。對(duì)于實(shí)時(shí)性、可靠性要求較高的CNI綜合檢測(cè)設(shè)備，選用器件必須具有極強(qiáng)的運(yùn)算能力、較好的穩(wěn)定性和擴(kuò)展能力。根據(jù)所需檢測(cè)功能各資源配置情況分析，綜合數(shù)字信道化模塊具備1個(gè)處理器單元，采用PowerPC+FPGA架構(gòu);2個(gè)信號(hào)處理通道，采用FPGA+ZYNQ的硬件架構(gòu);射頻信號(hào)收發(fā)通道采用捷變頻架構(gòu);低速數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換則采用低通采樣和射頻直采芯片。該架構(gòu)滿足所有檢測(cè)功能所需信號(hào)處理及信息處理資源，且資源平臺(tái)可復(fù)用，PowerPC及FPGA外掛NORFLASH和NANDFLASH,將各檢測(cè)功能線程軟件按地址段順序排列存入到FLASH中，當(dāng)需進(jìn)入某項(xiàng)檢測(cè)功能時(shí)，通過FPGA切換地址將所需檢測(cè)功能軟件加載到DDR中并跳轉(zhuǎn)執(zhí)行，從而在通用的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能軟件可重構(gòu)、可配置。3.2射頻前端模塊CNI綜合檢測(cè)設(shè)備硬件平臺(tái)涉及多種頻段的傳感器檢測(cè)功能，包括HF頻段、UV頻段、L頻段、S頻段、C頻段、K頻段和Ka頻段，每個(gè)頻段帶寬及指標(biāo)均有不同。針對(duì)以上特點(diǎn)，本文采用一種可重構(gòu)的射頻前端設(shè)計(jì)方法，合理分配各頻段的上下變頻、功率放大、濾波和增益控制，將這些收發(fā)系統(tǒng)統(tǒng)一到通用平臺(tái)。射頻前端的設(shè)計(jì)采用了直接射頻采樣、零中頻采樣和寬帶中頻采樣三種設(shè)計(jì)架構(gòu)。射頻前端的可重構(gòu)化，重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵器件的可重構(gòu)化，包括預(yù)選器、濾波器、放大器、VCO等等。射頻前端模塊主要由接口控制板、DC-DC電源組件、各個(gè)頻段收發(fā)通道和參考源組成。CNI檢測(cè)功能信號(hào)實(shí)現(xiàn)CNI綜合檢測(cè)設(shè)備涉及的功能較多，本文在通信導(dǎo)航識(shí)別三大類檢測(cè)功能中各選取一種功能進(jìn)行描述。機(jī)載通信導(dǎo)航識(shí)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)4．1超短波話音信號(hào)實(shí)現(xiàn)發(fā)送話音過程，聲碼話模塊完成模擬話音的數(shù)字化采集并輸出至FPGA。FPGA對(duì)收到的數(shù)字音頻信號(hào)按不同的模式進(jìn)行編碼、送保密機(jī)加密，輸出數(shù)字中頻信號(hào)。超短波功能軟件接收到系統(tǒng)下發(fā)的話音發(fā)射指令后，接收話音過程，F(xiàn)PGA收到數(shù)字IQ基帶信號(hào)，根據(jù)模式選擇相應(yīng)的方式解調(diào)后，恢復(fù)可識(shí)別的話音幀格式，再解密后送至聲碼話模塊恢復(fù)至模擬話音信號(hào)，驅(qū)動(dòng)耳機(jī)發(fā)聲。4．2塔康信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載設(shè)備發(fā)出的詢問信號(hào)送至FPGA進(jìn)行數(shù)字下變頻、數(shù)字包絡(luò)檢波和功率檢測(cè)，檢波器輸出的信號(hào)疊加了噪聲和干擾的信號(hào)，經(jīng)過脈沖限幅、整形處理詢問脈沖檢測(cè)到后，啟動(dòng)距離延遲控制，產(chǎn)生應(yīng)答脈沖。塔康基帶信號(hào)處理由脈沖產(chǎn)生、15Hz/135Hz包絡(luò)產(chǎn)生及AM調(diào)制模塊完成。塔康信號(hào)包含了主輔基準(zhǔn)脈沖、臺(tái)識(shí)別脈沖、應(yīng)答脈沖(或A/A模式下的詢問脈沖)及填充脈沖，輸出的是15Hz、135Hz合成包絡(luò)調(diào)制的信號(hào)。輸出的信號(hào)經(jīng)過數(shù)模變換后，直接形成塔康射頻發(fā)射信號(hào)。結(jié)束語本文提出的CNI綜合檢測(cè)設(shè)備采用高集成度開放式軟硬件體系架構(gòu)設(shè)計(jì)，綜合了HF、UV、L、C、S、K和Ka等頻段，在一個(gè)通用硬件平臺(tái)上內(nèi)完成通信、導(dǎo)航和識(shí)別等20余項(xiàng)檢測(cè)功能，綜合化程度高，技術(shù)難度大，使得外場(chǎng)保障設(shè)備的種類減少，操作難度降低，維修性提高，可以有效提高裝備的可用性，減少機(jī)載設(shè)備的保障規(guī)模。內(nèi)部采用通用總線互聯(lián)，極大地提升了設(shè)備的擴(kuò)展性和重構(gòu)性，設(shè)備穩(wěn)定可靠，滿足工程使用要求。其高度綜合集成設(shè)計(jì)技術(shù)可用于各種地面保障設(shè)備平臺(tái)，并可推廣到機(jī)載設(shè)備的平臺(tái)開發(fā)，降低開發(fā)周期及費(fèi)用，提高裝備研制的及時(shí)性、部署性，具有極大的經(jīng)濟(jì)效益和廣泛的應(yīng)用前景。今后可在航空電子內(nèi)外場(chǎng)檢測(cè)能力提升等方面開展研究以進(jìn)一步提高設(shè)備的集成度和測(cè)量精度。參考文獻(xiàn):苗學(xué)問，袁志芳