航管二次雷达射频切换单元FPGA实现

引言
    二次雷达也叫做空管雷达信标系统(Air TrafficControl Radar Beacon System，ATCRBS)。它最初是在空战中为了使雷达分辨出敌我双方的飞机而发展的敌我识别系统，当把这个系统的基本原理和部件经过发展后用于民航的空中交通管制后，就成了二次雷达系统。二次雷达是在地面站和目标应答器的合作下，采用问答方式工作，它必须经过两次有源辐射电磁波信号才能完成应有的功能。
    单脉冲二次雷达是按照雷达方位角度定位体制的不同而定义的，有别于常规的二次监视雷达。常规二次监视雷达实现一个目标定位需要利用雷达定向主波瓣中对这个目标的所有应答，而单脉冲二次雷达理论上只需要利用一次询问的应答即能准确定位。单脉冲技术应用于二次雷达，使对目标的测量可以方便的基于多个波束，有效地增加了数据冗余度，提高了角度测量的精度。对应答处理而言，单脉冲技术的应用，大大提高了在混叠或交织情况下对应答码的解码能力，使单脉冲二次雷达与常规二次雷达相比实现了一次质的飞跃。
    国内自主研发航管二次雷达在近10年间才开始，落后于国外20世纪80年代就发展起来的二次雷达系统。现今国内主要民用机场使用的二次雷达大多使用的是国外设备。如美国Raytheon二次雷达，意大利Alenia二次雷达，日本东芝雷达。在中央大力提倡国内自主研发的政策下，国内的一些厂家也紧跟国外技术开始研发属于中国的二次雷达及其终端显示系统。
    民航航管系统的基本要求是安全、迅速和有秩序地将乘客和货物从某一地点空运到另一指定地点。空中交通管制就是为达到此目的而建立的重要服务体系。为了满足民航系统对雷达系统可靠性的要求，雷达的设计采用了双通道热备份设计，目的是在当前通道故障的
情况下，保证航迹输出的连续性，双通道之间的切换单元在监控计算机命令下迅速切换。

1 射频切换系统组成
    单脉冲二次雷达应答信号处理的基本流程如图1所示。

    在射频切换系统中，切换控制板接收监控计算机发出的切换命令，当确认要求进行切换时，通过切换控制板向切换开关发出切换信号，实现对三路射频信号与两个通道间的切换，三路(∑，△，Ω)开关的工作状态一致，即同时工作在A通道或同时工作在B通道，三路开关的状态随时通过控制电缆以TTL差分方式送给数据处理。根据二次雷达的技术指标，射频开关的耐峰值功率大于2．5 kW，耐平均功率大于20 W。
在设计中，选择了射频开关TN6K31，该开关有足够的频宽和线性，确保信号不失真，插入损耗小于0．3 dB，通道隔离度大于70 dB，满足雷达系统的指标。
    射频切换系统中切换控制单元的原理如图2所示。

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    在射频切换系统的控制电路中，选用Lattice公司的EPLD作为主处理芯片(ispLS11032E)，该芯片有64个I／O端，8个指定输入端，6 000个逻辑门，192个寄存器，最大时延小于等于12 ns，通过简单的5线接口，即可用PC机对线路板上菊花链结构的最多8个芯片进行编程。
    切换开关工作原理为：A通道输入选通控制脉冲时，如当前开关工作在A通道，则维持在A通道，不作切换；如当前开关工作在B通道，则切换到A通道。同样，B通道输入选通控制脉冲时，如当前开关工作在B通道，则维持在B通道，不作切换；如当前开关工作在A通道，则切换到B通道。即同时工作在A通道或同时工作在B通道，三路开关的状态随时通过控制电缆以TTL差分方式送给数据处理。
    在射频切换控制板中信号流程如下：监控计算机发出的差分切换脉冲经差分接收器接收后，进入可编程EPLD，在EPLD内利用硬件语言实现了对切换脉冲的滤波、脉冲判断、框架判断等，确认该信号为计算机切换命令而不是外来干扰后，发出切换信号到驱动单元，切换信号经驱动单元到开关TN6K31的控制端，实现切换动作。

2 系统实现的具体细节
2．1 信号滤波与毛刺抑制
    二次雷达监控计算机发出的通道切换信号是脉冲编码信号。由于雷达工作电磁环境复杂，所以在系统内部要判断该信号是否为于扰信号，在系统中首先进行切换信号前、后沿的提取，将切换信号输入两个寄存器，加以门电路实现，如图3所示。

    LE与TE分别切换信号的前沿与后沿，在经过一系列寄存器，使前沿与后沿分别用触发器进行延时，根据前沿与后沿间间隔可以判断出脉冲的宽度，对于不符合切换条件的毛刺与噪声进行抑制。
2．2 框架检测
    正常情况下，监控计算机发出的切换脉冲的两个脉冲的间隔为20 ms，在切换控制系统中使用的时钟为8．276 MHz，因此，一个切换命令的两个脉冲的时间间隔就认为两个前沿间有167，168或169个时钟周期。在该系统中，脉冲编码的检测是根据比较延时的前沿与非延时情况下的重合情况，延时的前沿对应于框架脉冲F1，非延时的前沿对应脉冲F2，F1相对于F2延时20ms，由于F2相对于F1有三个时钟脉冲的变化范围，F2与F1的前沿延时167，168或169个时钟周期的任一个对齐，都认为是一个正确的框架。框架检测示意如图4所示。

3 结语
    雷达的发展和更新换代不仅对雷达的性能提出了更高的要求，而且对实现的方式也提出了新的要求。集成度高、性能好、体积小已经成为雷达设计的必然要求。飞机密度的不断增加，对雷达系统的可靠性，提出了更严格的要求，为了提高可靠性，现代雷达使用双机热备份冗余设计，双机中切换部分的可靠性关系到雷达的整体性能，用硬件设计语言编程EPLD方法处理二次雷达的切换信号具有很大的优越性。