机载通信导航识别系统综合检测设备设计与实现

机载通信导航识别系统综合检测设备设■_rJ计与实现摘要:当前各种平台飞机CNI系统功能多达数十种，频段覆盖宽，波形体制不同，带宽差异大，信号调制方式不一，从而导致CNI外场检测设备种类繁多，即使是模块综合化后的CNI外场检测设备，由于采用资源堆叠方式实现，综合化程度低，增加了转场保障的规模，不利于飞机机动部署和战时出动，而且也增加了寿命周期费用。基于航空电子系统的复杂性和能力增长快速的特性，新一代航空电子系统更加强调通过综合模块化航空电子、先进航空电子体系结构等系统架构实现开放性，在此基础上发展起来的CNI子系统加强模块的冗余备份和资源重构以提高传感器功能、执行任务的冗余度和可靠性，从而对外场保障设备的系统集成、能力提升和故障隔离提出更高的要求。基于上述需求和背景，本文提出了一种基于软件无线电架构的综合检测设备通用平台，具有高集成度和开放性特点旨在解决传统保障设备功能设备化或功能模块化带来的体积大、不便于使用和检测功能升级等问题，同时为机载CNI系统设计提供参考。关键词:通信导航识别系统;综合检测设备;软件无线电;平台设计需求分析传统的超外差设计架构是信号经模拟上下变频后生成窄带中频信号再进行信号和数据处理，由于需要多级混频电路和分段滤波，导致系统的射频前端部分复杂度极高，占用体积较大，并且功耗较高，且对如此宽频带的信号，该架构下的波形软件与射频前端电路紧耦合，波形扩展困难，信道资源基本无法复用。根据国外航电系统的发展情况以及技术发展的趋势，射频系统的设计一直在朝着信道通用化、简约化、数字化的方向发展。将数字化环节由中频频段前移至射频频段系统只配置少量宽带数字化信道，各项功能所需的信号通过宽带信道接收后，通过数字化处理进行分离，可以极大地简化射频信道部分的硬件需求。根据软件无线电的设计思想，射频信号的数字化应该尽可能地靠近天线。但是在实际工程实践中，直接对天线接收信号进行数字化处理还无法实现。在进行系统架构设计时，首要的任务是划分射频信号处理与数字信号处理的界面，确定系统的数字化采样方案，不同的采样方式将决定射频处理部分的组成结构和复杂程度，也将影响其后数字信号处理的方式和对处理速度的要求。射频前端并不是全宽开，而是先由窄带带通滤波器选择所需信号进行放大后再进行带通采样，可有效提高接收通道信噪比，改善动态范围。该结构要求A/D转换器有足够高的模拟工作带宽，但对采样速率要求不高。和射频低通采样结构相比，该结构对后续的数字信号处理器处理速度要求也低得多。硬件平台总体设计综合数字信道化模块作为整个设备的核心，负责对射频已调信号进行A/D变换为基带信号，或是将基带信号D/A变换为射频信号;实现各种模式的调制/解调解扩/解跳、纠错编译码、波束包络处理、时间测量等功能。同时，其也是主机的控制核心。该模块包括2个相同的数字信号处理通道，每个通道可被分配一个或多个特定任务或服务，形成可重构、可配置的标准信号处理平台，通过对通用处理通道的配置，可成为某一特定CNI检测功能的信号处理平台。射频前端模块实现150kHz〜35GHz之间频段的天线接口适配及处理，主要完成收发射频信号的放大、滤波、增益控制，UV频段、L频段、S频段、C频段、K/Ka频段收发射频信号的上下变频、放大、滤波、增益控制，产生高精度校准源信号，完成各收通道信号校准和各发射通道的功率检测，产生全系统参考钟。声码话模块用于UV频段、HF、JTIDS、UHF频段卫通、S频段卫通、Ka频段卫通、机间数据链(Intra-flightDataLink，IFDL)、搜救、JTIDS音频编解码处理。高度表模块用于对高度的模拟。时密模块完成识别卡信息的读取。电源模块为整个设备完成电源滤波及供电。硬件平台主要模块设计3.1综合数字信道化模块作为整个检测设备核心模块，所选用的基带数据处理模块、射频信号收发模块关系到整个检测平台是否能够良好运行。对于实时性、可靠性要求较高的CNI综合检测设备，选用器件必须具有极强的运算能力、较好的稳定性和扩展能力。根据所需检测功能各资源配置情况分析，综合数字信道化模块具备1个处理器单元，采用PowerPC+FPGA架构;2个信号处理通道，采用FPGA+ZYNQ的硬件架构;射频信号收发通道采用捷变频架构;低速数模/模数转换则采用低通采样和射频直采芯片。该架构满足所有检测功能所需信号处理及信息处理资源，且资源平台可复用，PowerPC及FPGA外挂NORFLASH和NANDFLASH,将各检测功能线程软件按地址段顺序排列存入到FLASH中，当需进入某项检测功能时，通过FPGA切换地址将所需检测功能软件加载到DDR中并跳转执行，从而在通用的硬件平台上实现检测功能软件可重构、可配置。3.2射频前端模块CNI综合检测设备硬件平台涉及多种频段的传感器检测功能，包括HF频段、UV频段、L频段、S频段、C频段、K频段和Ka频段，每个频段带宽及指标均有不同。针对以上特点，本文采用一种可重构的射频前端设计方法，合理分配各频段的上下变频、功率放大、滤波和增益控制，将这些收发系统统一到通用平台。射频前端的设计采用了直接射频采样、零中频采样和宽带中频采样三种设计架构。射频前端的可重构化，重点是实现关键器件的可重构化，包括预选器、滤波器、放大器、VCO等等。射频前端模块主要由接口控制板、DC-DC电源组件、各个频段收发通道和参考源组成。CNI检测功能信号实现CNI综合检测设备涉及的功能较多，本文在通信导航识别三大类检测功能中各选取一种功能进行描述。机载通信导航识别系统实现4．1超短波话音信号实现发送话音过程，声码话模块完成模拟话音的数字化采集并输出至FPGA。FPGA对收到的数字音频信号按不同的模式进行编码、送保密机加密，输出数字中频信号。超短波功能软件接收到系统下发的话音发射指令后，接收话音过程，FPGA收到数字IQ基带信号，根据模式选择相应的方式解调后，恢复可识别的话音帧格式，再解密后送至声码话模块恢复至模拟话音信号，驱动耳机发声。4．2塔康信号实现对机载设备发出的询问信号送至FPGA进行数字下变频、数字包络检波和功率检测，检波器输出的信号叠加了噪声和干扰的信号，经过脉冲限幅、整形处理询问脉冲检测到后，启动距离延迟控制，产生应答脉冲。塔康基带信号处理由脉冲产生、15Hz/135Hz包络产生及AM调制模块完成。塔康信号包含了主辅基准脉冲、台识别脉冲、应答脉冲(或A/A模式下的询问脉冲)及填充脉冲，输出的是15Hz、135Hz合成包络调制的信号。输出的信号经过数模变换后，直接形成塔康射频发射信号。结束语本文提出的CNI综合检测设备采用高集成度开放式软硬件体系架构设计，综合了HF、UV、L、C、S、K和Ka等频段，在一个通用硬件平台上内完成通信、导航和识别等20余项检测功能，综合化程度高，技术难度大，使得外场保障设备的种类减少，操作难度降低，维修性提高，可以有效提高装备的可用性，减少机载设备的保障规模。内部采用通用总线互联，极大地提升了设备的扩展性和重构性，设备稳定可靠，满足工程使用要求。其高度综合集成设计技术可用于各种地面保障设备平台，并可推广到机载设备的平台开发，降低开发周期及费用，提高装备研制的及时性、部署性，具有极大的经济效益和广泛的应用前景。今后可在航空电子内外场检测能力提升等方面开展研究以进一步提高设备的集成度和测量精度。参考文献:苗学问，袁志芳