機載通信導航識別系統(tǒng)綜合檢測設備設計與實現(xiàn)

機載通信導航識別系統(tǒng)綜合檢測設備設■_rJ計與實現(xiàn)摘要:當前各種平臺飛機CNI系統(tǒng)功能多達數(shù)十種，頻段覆蓋寬，波形體制不同，帶寬差異大，信號調制方式不一，從而導致CNI外場檢測設備種類繁多，即使是模塊綜合化后的CNI外場檢測設備，由于采用資源堆疊方式實現(xiàn)，綜合化程度低，增加了轉場保障的規(guī)模，不利于飛機機動部署和戰(zhàn)時出動，而且也增加了壽命周期費用?；诤娇针娮酉到y(tǒng)的復雜性和能力增長快速的特性，新一代航空電子系統(tǒng)更加強調通過綜合模塊化航空電子、先進航空電子體系結構等系統(tǒng)架構實現(xiàn)開放性，在此基礎上發(fā)展起來的CNI子系統(tǒng)加強模塊的冗余備份和資源重構以提高傳感器功能、執(zhí)行任務的冗余度和可靠性，從而對外場保障設備的系統(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的綜合檢測設備通用平臺，具有高集成度和開放性特點旨在解決傳統(tǒng)保障設備功能設備化或功能模塊化帶來的體積大、不便于使用和檢測功能升級等問題，同時為機載CNI系統(tǒng)設計提供參考。關鍵詞:通信導航識別系統(tǒng);綜合檢測設備;軟件無線電;平臺設計需求分析傳統(tǒng)的超外差設計架構是信號經模擬上下變頻后生成窄帶中頻信號再進行信號和數(shù)據(jù)處理，由于需要多級混頻電路和分段濾波，導致系統(tǒng)的射頻前端部分復雜度極高，占用體積較大，并且功耗較高，且對如此寬頻帶的信號，該架構下的波形軟件與射頻前端電路緊耦合，波形擴展困難，信道資源基本無法復用。根據(jù)國外航電系統(tǒng)的發(fā)展情況以及技術發(fā)展的趨勢，射頻系統(tǒng)的設計一直在朝著信道通用化、簡約化、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，各項功能所需的信號通過寬帶信道接收后，通過數(shù)字化處理進行分離，可以極大地簡化射頻信道部分的硬件需求。根據(jù)軟件無線電的設計思想，射頻信號的數(shù)字化應該盡可能地靠近天線。但是在實際工程實踐中，直接對天線接收信號進行數(shù)字化處理還無法實現(xiàn)。在進行系統(tǒng)架構設計時，首要的任務是劃分射頻信號處理與數(shù)字信號處理的界面，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構和復雜程度，也將影響其后數(shù)字信號處理的方式和對處理速度的要求。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進行放大后再進行帶通采樣，可有效提高接收通道信噪比，改善動態(tài)范圍。該結構要求A/D轉換器有足夠高的模擬工作帶寬，但對采樣速率要求不高。和射頻低通采樣結構相比，該結構對后續(xù)的數(shù)字信號處理器處理速度要求也低得多。硬件平臺總體設計綜合數(shù)字信道化模塊作為整個設備的核心，負責對射頻已調信號進行A/D變換為基帶信號，或是將基帶信號D/A變換為射頻信號;實現(xiàn)各種模式的調制/解調解擴/解跳、糾錯編譯碼、波束包絡處理、時間測量等功能。同時，其也是主機的控制核心。該模塊包括2個相同的數(shù)字信號處理通道，每個通道可被分配一個或多個特定任務或服務，形成可重構、可配置的標準信號處理平臺，通過對通用處理通道的配置，可成為某一特定CNI檢測功能的信號處理平臺。射頻前端模塊實現(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)射頻信號的上下變頻、放大、濾波、增益控制，產生高精度校準源信號，完成各收通道信號校準和各發(fā)射通道的功率檢測，產生全系統(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。高度表模塊用于對高度的模擬。時密模塊完成識別卡信息的讀取。電源模塊為整個設備完成電源濾波及供電。硬件平臺主要模塊設計3.1綜合數(shù)字信道化模塊作為整個檢測設備核心模塊，所選用的基帶數(shù)據(jù)處理模塊、射頻信號收發(fā)模塊關系到整個檢測平臺是否能夠良好運行。對于實時性、可靠性要求較高的CNI綜合檢測設備，選用器件必須具有極強的運算能力、較好的穩(wěn)定性和擴展能力。根據(jù)所需檢測功能各資源配置情況分析，綜合數(shù)字信道化模塊具備1個處理器單元，采用PowerPC+FPGA架構;2個信號處理通道，采用FPGA+ZYNQ的硬件架構;射頻信號收發(fā)通道采用捷變頻架構;低速數(shù)模/模數(shù)轉換則采用低通采樣和射頻直采芯片。該架構滿足所有檢測功能所需信號處理及信息處理資源，且資源平臺可復用，PowerPC及FPGA外掛NORFLASH和NANDFLASH,將各檢測功能線程軟件按地址段順序排列存入到FLASH中，當需進入某項檢測功能時，通過FPGA切換地址將所需檢測功能軟件加載到DDR中并跳轉執(zhí)行，從而在通用的硬件平臺上實現(xiàn)檢測功能軟件可重構、可配置。3.2射頻前端模塊CNI綜合檢測設備硬件平臺涉及多種頻段的傳感器檢測功能，包括HF頻段、UV頻段、L頻段、S頻段、C頻段、K頻段和Ka頻段，每個頻段帶寬及指標均有不同。針對以上特點，本文采用一種可重構的射頻前端設計方法，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。射頻前端的設計采用了直接射頻采樣、零中頻采樣和寬帶中頻采樣三種設計架構。射頻前端的可重構化，重點是實現(xiàn)關鍵器件的可重構化，包括預選器、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、各個頻段收發(fā)通道和參考源組成。CNI檢測功能信號實現(xiàn)CNI綜合檢測設備涉及的功能較多，本文在通信導航識別三大類檢測功能中各選取一種功能進行描述。機載通信導航識別系統(tǒng)實現(xiàn)4．1超短波話音信號實現(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對收到的數(shù)字音頻信號按不同的模式進行編碼、送保密機加密，輸出數(shù)字中頻信號。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，根據(jù)模式選擇相應的方式解調后，恢復可識別的話音幀格式，再解密后送至聲碼話模塊恢復至模擬話音信號，驅動耳機發(fā)聲。4．2塔康信號實現(xiàn)對機載設備發(fā)出的詢問信號送至FPGA進行數(shù)字下變頻、數(shù)字包絡檢波和功率檢測，檢波器輸出的信號疊加了噪聲和干擾的信號，經過脈沖限幅、整形處理詢問脈沖檢測到后，啟動距離延遲控制，產生應答脈沖。塔康基帶信號處理由脈沖產生、15Hz/135Hz包絡產生及AM調制模塊完成。塔康信號包含了主輔基準脈沖、臺識別脈沖、應答脈沖(或A/A模式下的詢問脈沖)及填充脈沖，輸出的是15Hz、135Hz合成包絡調制的信號。輸出的信號經過數(shù)模變換后，直接形成塔康射頻發(fā)射信號。結束語本文提出的CNI綜合檢測設備采用高集成度開放式軟硬件體系架構設計，綜合了HF、UV、L、C、S、K和Ka等頻段，在一個通用硬件平臺上內完成通信、導航和識別等20余項檢測功能，綜合化程度高，技術難度大，使得外場保障設備的種類減少，操作難度降低，維修性提高，可以有效提高裝備的可用性，減少機載設備的保障規(guī)模。內部采用通用總線互聯(lián)，極大地提升了設備的擴展性和重構性，設備穩(wěn)定可靠，滿足工程使用要求。其高度綜合集成設計技術可用于各種地面保障設備平臺，并可推廣到機載設備的平臺開發(fā)，降低開發(fā)周期及費用，提高裝備研制的及時性、部署性，具有極大的經濟效益和廣泛的應用前景。今后可在航空電子內外場檢測能力提升等方面開展研究以進一步提高設備的集成度和測量精度。參考文獻:苗學問，袁志芳