基于JFM7K325T著陸設備時序信號設計與實現

谷 雨，李 偉，張曉肖

基于JFM7K325T著陸設備時序信號設計與實現

谷 雨1,2，李 偉1,2，張曉肖1,2

（1 中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068；2 陜西省組合與智能導航重點實驗室，西安 710068）

針對飛機進場著陸問題，提出一種基于JFM7K325T著陸設備時序信號設計方案，JFM7K325T負責產生數字信號處理（DSP）的時鐘、復位、邏輯控制和數據的預處理，在時鐘的同步下按一定格式產生不同功能的著陸設備數據信號，并通過試驗驗證該方案的可行性。

著陸設備；JFM7K325T；數字信號處理；時序信號

0 引言

著陸設備主要是解決飛機進場著陸引導的問題。本文介紹了著陸設備時序信號組成、信號格式和數據信號設計與實現，采用100%“國產化”高性能的現場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，FPGA），按一定格式產生不同功能的著陸設備數據信號。該方法設計簡單、可靠性強，充分利用FPGA（復旦微JFM7K325T-AS）的工作特性，在全國產化前提下，有效保證產生的著陸設備數據信號的正確性和完好性。

1 JFM7K325T簡介及其應用

JFM7K325T核心板是一款基于復旦微FPGA設計的高端工業模塊，采用全國產化設計。FPGA引腳資源通過高速連接器引出，并集成了專用超高速串并轉換模塊、高靈活可配置模塊、專用數字信號處理模塊和可配置時鐘模塊等應用模擬電路。核心板經過專業的印刷電路板布局布線（Printed Circuit Board Layout，PCB Layout）和高低溫測試驗證，穩定可靠，可滿足各種應用場景。

2 系統信號格式與發播時序設計

角度信息和數據信息在同一頻率上以時分多路復用的方式播發。著陸設備信號周期是由一系列順序對組成的，在一個全周期中，順序對之間的停歇時間是“跳躍”的。其發播周期是一個614.4 ms長的時間段[1,4]，全周期信號格式如圖1所示。

圖1 全周期信號格式

2.1 著陸設備角度制導信號

著陸系統的角度制導信號主要包括：前導碼、扇區信號和掃描信號。方位與仰角的前導碼信號格式相同，而前導碼、扇區信號和掃描信號內容與時序是不同的。著陸系統的角度制導信號格式如下：

1）角度制導信號

包括前導碼、扇區信號和掃描信號。其中方位和仰角前導碼均為1.6 ms；扇區信號方位為0.96 ms、仰角為0.256 ms，由于方位需發送臺站識別碼，天線選擇脈沖和檢查脈沖，同時方位橫向掃描需發送后、左、右覆蓋區外指示（Out of Coverage Indication，OCI），而仰角縱向掃描只發送一個OCI信號[2]；方位掃描信號為9.0 ms而仰角掃描信號為3.5 ms，由于方位掃描覆蓋為-42°～42°，仰角掃描范圍是-1.5°～29.5°，波束掃描速度為0.02°/ μs，所以方位和仰角“往”、“返”掃描時間不同[3]，同時方位掃描停歇為0.6 ms而仰角掃描停歇為0.4 ms。其信號形式如圖2所示。通過地面的方位天線產生一個垂直方向較窄的扇形波束在比例覆蓋區內進行往返掃描，來實現角度測量[5]。

圖2 著陸設備角度制導信號的標準格式

2）前導碼信號

前導碼用來識別信號是哪一種特定功能。前導碼的信號格式如圖3所示，包括載波截獲、巴克碼和功能識別碼。

圖3 前導碼信號格式

載波捕獲占13位，按連續波發播，機載接收機利用該信號進行自動電平控制，并提取信號相位基準[9]。前導碼信號的時隙分配如表1所示。

表1 前導碼信號時序表

2.2 數據字信號

著陸設備數據分為基本數據和輔助數據，基本數據字和輔助數據字均采用差動相移鍵控（Differential Phase Shift Keying，DPSK）調制，邏輯“0”，由0°±10°相移表示；邏輯“1”，由180°±10°相移表示[8]。碼元寬度為64 μs，上升和下降時間小于2 μs。

1）基本數據字

基本數據字共有6個，每個占32個碼元，其中基本數字1～6的功能識別碼分別為：0101000、0111100、1010000、1000100、1101100、0001101[7]。數據內容分別為：方位臺距離跑道入口的距離、方位覆蓋負限、方位覆蓋正限、余隙信號類型；最小下滑角、反方位狀態、測距狀態信息、進近方位狀態信息；方位掃描波束寬度、仰角掃描波束寬度、測距臺距離；方位磁向、反方位磁向；反方位制導覆蓋負限、反方位制導覆蓋正限、反方位掃描波束寬度；地面設備識別碼[10]。數字信息按“最低有效位在前”的原則播發?；緮祿中盘柛袷饺鐖D4所示。

圖4 基本數據字信號的標準格式

基本數據字時隙分配表如表2所示。

表2 基本數據字時隙分配表

2）輔助數據字

輔助數據字共三類，輔助數據字共包含76個碼元，其中功能碼分別為：1110010、10101110、1111000。數據位有兩種格式，一種是數據信息，另一種是字符信息，信息按“最低有效位在前”的原則播發。數據信息以定義的量化原則為編碼依據，字符信息則采用閱讀順序，以國際民航組織附件10卷三中IA-5的格式編碼[6]。輔助數據字的信號格式和輔助數據字時序功能表如圖5所示。

各個輔助數據字時隙分配表如表3所示。

3 系統設計

3.1 功能設計

著陸設備數據信號控制設計如圖6所示。

其中數字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）是主處理器，負責數據的解析、計算和通信功能，選用國防科大銀河飛騰FT-6416，DSP通過外部存儲器接口（External Memory Interface，EMIF）外掛兩片同步動態隨機存取內存（Synchronous Dynamic Random Access Memory，SDRAM）芯片，作為處理數據的臨時緩存，DSP通過EMIFA接口（nCE1）與FPGA進行數據交互。FPGA選用復旦微JFM7K325T-AS，FPGA作為DSP的一個外設工作，負責產生DSP的時鐘、復位、邏輯控制和數據的預處理，在時鐘的同步下按照第2節數據的信號格式產生不同功能的著陸設備數據信號。還包括1片模擬數字轉換器（Analog-to-Digital Converter，ADC），型號為AD9268進行模擬信號采集，1片數字模擬轉換器（Digital-to-Analog Converter，DAC），型號為AD5310進行模擬信號輸出。

圖6 著陸設備數據信號控制設計示意圖

3.2 軟件設計

著陸設備全周期時序控制軟件設計，按照上述第2節信號格式與發播時序控制著陸設備全周期信號格式。FPGA的開發環境是Xilinx的VIVADO，FPGA開發語言是Verilog。著陸設備系統全周期時序控制軟件設計流程圖如圖7所示。

圖7 著陸設備全周期時序控制軟件設計流程圖

方位、仰角功能程序設計，當發射機開關打開時，自檢正常，將全周期順序計數器信號置為0，按照全周期順序計數，全周期時間為614.4 ms（一個全周期播發功能包括24個方位和24個仰角）；當發送仰角功能DPSK將仰角信號信號置為1，相反，發送方位功能DPSK將方位信號置為1；1個碼元時間64 μs，循環等待，根據方位、仰角功能的識別碼設置差動相移鍵控調制，基本數據字和輔助數據字功能碼程序據此類推即可。

4 著陸設備時序信號功能實現

著陸設備時序信號采用DPSK編碼方式，在第2章表1中可以看出，功能識別碼共占用7個比特，前5位是信息位，后2位是奇偶校驗位，每比特為64 μs（一個時鐘脈沖上升沿和下降沿小于2 μs）。系統的方位、仰角、基本數據字和輔助數據字都是功能識別碼表明指令，由機載接收機識別并解算[11]。具體功能識別碼和信號波形如表4所示。

表4 功能識別碼和信號波形

本文方案已經在某型設備科研樣機中應用。前導碼信號波形測試圖如圖8所示，圖中黃色曲線為DPSK調制信號，綠色為自動電平控制信號。由圖8（b）可以看出，時鐘為15.625 kHz，一個碼元時間為64 μs。由圖8（a）波形圖與圖3完全對應，證明該方案前導碼設計的準確性和可行性。

圖8 前導碼和1個碼元信號波形圖

該方案實現方位、仰角功能識別碼的測試波形如圖9所示，由圖9（a）看出功能識別碼為“111010010100”，圖9（b）可以看出功能識別碼為“111011100001”。說明該方案方位、仰角功能碼設計的準確性和可行性。

圖9 方位和仰角功能信號波形圖

該方案實現基本數據字2功能識別碼的測試波形如圖10所示。圖10可看出基本數據2功能識別碼“111010111100”和數據碼“0111100，00110101010011110100”。如圖10（b）所示，基本數據字2全周期時間為2.048 ms，說明該方案基本數據字2功能碼設計的準確性和可行性。

圖10 基本數據字2功能信號波形圖

輔助數據字功能識別碼信號波形如圖11所示，可以看出功能識別碼為“111011111000”，符合表4輔助數據字信號波形，說明該方案輔助數據字功能碼設計的準確性。

圖11 輔助數據字功能信號波形圖

5 結語

在基于JFM7K325T著陸設備時序信號設計與實現中，采用DSP（銀河飛騰FT-6416）與FPGA（復旦微JFM7K325T-AS）相結合，實現“全國產化”著陸設備時序信號控制與實現。通過試驗，證明該全國產化設計有效保證產生的著陸設備數據信號的正確性和完好性。目前，在某型導航設備科研樣機中已經應用。

[1] 周其煥，魏雄志，崔紅躍. 微波著陸系統[M]. 北京：國防工業出版社，1992.

[2] 趙棟棟，馮永浩，張斌. 針對機動設備的便攜式數據采集系統[J]. 空軍工程大學信息與導航學院，2013.

[3] 蘇鵬達. 微波著陸系統模擬信號的研究及FPGA的實現[D]. 西安：西安電子科技大學，2014.

[4] 吳德偉，伍維甲，張斌. 著陸系統波束指向誤差仿真分析[J]. 空軍工程大學學報，2008.

[5] 黃振京. 時基波束掃描著陸系統[J]. 航空電子技術，1987.

[6] 國際民用航空組織. 國際標準和建議措施：航空電信（國際民用航空公約附件10第一卷第四版）[S]. 中國民用航空局航空司譯. 北京民用航空局，1988.

[7] 吳瑛. 著陸系統在飛機上的應用研究與工程實現[J]. 現代導航，2016，11（6）：15-120.

[8] 杜慧敏，李宥謀，趙全良. 基于Verilog 的FPGA設計基礎[M]. 西安：西安電子科技大學出版社，2006.

[9] 任小偉. 衛星導航接收機現狀及其發展趨勢[J]. 現代導航，2014，5（1）：57-60.

[10] 戈沛琦. 飛機著陸系統的現狀與發展[J]. ?？蘸娇展こ虒W院學報，2005，20（4）.

[11] 干國強. 導航與定位[M]. 北京：國防工業出版社，2000.

Design and Implementation of Sequence Signal Based on JFM7K325T Landing Equipment

GU Yu, LI Wei, ZHANG Xiaoxiao

Aiming at the problem of aircraft approach and landing, a design scheme of sequence signal based on JFM7K325T landing equipment is proposed. JFM7K325T is responsible for generating digital signal processing clock and reset, logic control and data preprocessing. Under the synchronization of the clock the landing equipment data signals with different functions are generated according to certain formats. The feasibility of the scheme is verified by experiments.

Landing Equipment; JFM7K325T;Digital Signal Processing; Sequence Signal

TN965

A

1674-7976-(2023)-06-410-06

2023-03-27。

谷雨（1996.05—），黑龍江哈爾濱人，碩士，主要研究方向為無線電導航。