引 言
    隨著航空事業(yè)的發(fā)展，空中流量的增加使空中交通管理系統(tǒng)的作用顯得非常重要?？展苋藛T利用雷達為已被識別的航空器提供管制服務(wù)，可以從雷達屏幕上看到飛機的信息參數(shù)。在航管體系中，常規(guī)模式及S模式技術(shù)用于監(jiān)視功能，建立在獨立編址，選擇詢問的基礎(chǔ)之上，信息交換是通過將上行詢問內(nèi)容和下行應(yīng)答內(nèi)容進行脈沖編碼實現(xiàn)。編碼器是整個雷達的中心，用于產(chǎn)生整機同步信號和詢問信號。因此，具有高優(yōu)良性能詢問機編碼器脈沖編碼信號處理技術(shù)至關(guān)重要。同時對雷達信號處理的實時性提出了嚴格的要求，在毫秒級的時間內(nèi)完成對應(yīng)答信號的處理，完成目標(biāo)識別，給出目標(biāo)飛行器的信息參數(shù)；同時在設(shè)備體積、功耗方面的嚴格要求使信號處理設(shè)備必須向小型化、智能化、可編程的趨勢發(fā)展，又要求信號處理系統(tǒng)具有高可靠性和系統(tǒng)升級的需要。
    現(xiàn)場可編程邏輯器件及其相關(guān)技術(shù)是當(dāng)代微電子技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，F(xiàn)PGA是一種多用途、高密度的可重復(fù)編程邏輯門陣列。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，F(xiàn)PGA不僅具有設(shè)計方便，靈活和校驗快等特點，可以大大縮減研發(fā)時間，減少設(shè)計費用，降低設(shè)計風(fēng)險；同時將：FPGA技術(shù)、微控制器、雷達顯控界面結(jié)合的系統(tǒng)應(yīng)用于設(shè)計高性能的雷達信號處理機，可提高系統(tǒng)集成度，減小電路規(guī)模，從而提高可靠性，無論在速度、體積方面，還是在設(shè)計的靈活性上都能適應(yīng)現(xiàn)代雷達信號處理系統(tǒng)的要求。

1 航管二次雷達地面詢問編碼器的工作原理
1．1 編碼器功能描述
    航管二次雷達地面站收發(fā)系統(tǒng)由編碼器、詢問器、接收機三部分組成。如圖1所示，編碼器是整個雷達的中心，它有三個作用：
    (1)產(chǎn)生整機的同步脈沖。它可以工作于外同步和內(nèi)同步兩種方式。當(dāng)同步脈沖工作于內(nèi)同步，即當(dāng)二次雷達獨立工作時，產(chǎn)生重復(fù)頻率f=150～450 Hz的整機同步信號S0。當(dāng)二次雷達和一次雷達配合工作時，由一次雷達提供整機同步觸發(fā)信號，即外同步時，二次雷達的重復(fù)頻率f2和一次雷達的重復(fù)頻率 f1有以下的關(guān)系：
    ①當(dāng)150 Hz≤f2≤450 Hz時，f2=f1；
    ②當(dāng)450 Hz<f2≤900 Hz時，f2=1／2f1；
    ③當(dāng)900 Hz<f2≤1 350 Hz時，f2=1／3f1。
    民航規(guī)定f2≤450 Hz。重復(fù)頻率的選擇取決于作用距離的大小。
    (2)產(chǎn)生各種詢問模式。

  發(fā)射機在詢問脈沖的調(diào)制下，產(chǎn)生1 030 MHz的射頻脈沖，經(jīng)三端環(huán)形器送到天線。天線在同步脈沖的控制下，將P1，P3進入和通道，P2進入差通道。接收機在將1 090 MHz的射頻應(yīng)答信號轉(zhuǎn)換成視頻信號，送至終端裝置進行處理。
1．2 編碼器同步信號S0產(chǎn)生原理
  

2 編碼器的詢問信號格式
2．1 常規(guī)模式
    按照國際民航組織的規(guī)定有六種常規(guī)詢問模式，分別稱為1，2，3／A，B，C，D模式，各種模式的P1與P2，P1與P3之間的時間關(guān)系如表1所示。
    其中，1，2兩種模式專用于軍用識別詢問；3／A模式用于軍用和民用識別詢問；C模式用于高度詢問；D模式作為備用詢問模式，其詢問內(nèi)容目前還在商議之中。這些詢問模式，由間隔不同的脈沖對組成，其時間關(guān)系如表1所示。其中，第一個脈沖稱為P1；第二個脈沖稱為P2；第三個脈沖稱為P3。脈沖P1， P2，P3格式為脈寬(O．8±O．1)μs，上升沿在1～5 μs之間，延遲在0．2～5μs之間。脈沖P1和P3都是通過詢問通道傳輸?shù)?，它們之間允許不同的時間間隔。
2．2 S模式詢問信號格式
    圖3表示S模式詢問格式。前兩個脈沖P1和P2的脈寬為0．8μs，間隔為2．0μs。在P2脈沖后是一個長脈沖P6，它的持續(xù)期為其脈寬，取16． 25μs或者30．25μs，其中有許多相位為反轉(zhuǎn)脈沖，用其攜帶發(fā)射數(shù)據(jù)。P6的最后24位為飛機地址，是通過全呼詢問獲得的。其中，第一個反相位于脈沖前沿后1．25μs，即P5為“同步相位反轉(zhuǎn)”信號，提供給S模式應(yīng)答器作為始終同步，從而對后續(xù)的數(shù)據(jù)進行對應(yīng)解碼；同步相位反轉(zhuǎn)脈沖也用作應(yīng)答信號發(fā)射的時鐘參考。詢問機通過計算同步相位反轉(zhuǎn)脈沖的發(fā)射與接收到的第一個應(yīng)答脈沖之間的時間間隔來測量飛機的距離。數(shù)據(jù)通過DPSK信號來發(fā)射反相位置的間隔為0．25μs，從而產(chǎn)生4 MHz的數(shù)據(jù)比特率。根據(jù)要求，整個發(fā)射數(shù)據(jù)的比特為56 b或者112 b。

2．3 S模式奇偶與地址
    S模式P6數(shù)據(jù)位的最后奇偶24 b信息通過改進的循環(huán)冗余(CRC)編碼來計算，其多項式如下：

  
    奇偶性在發(fā)射端計算，并與24個比特位飛機地址加入到信息中。在接收端，奇偶性再次被計算，并與信號中的奇偶和地址信息做比較，這樣可以確定信息是否發(fā)送無誤。多項式G(x)有助于錯誤探測和糾正，可以利用移位寄存器來實現(xiàn)，其電路如圖4所示。前32個比特位(或長S模式的88個比特位)無修改地發(fā)送，但在其發(fā)送時，會在移位寄存器反饋端乘以G(x)。對于最后循環(huán)反饋端探測信息的最后24 b會被斷開，并由24 b地址比特位代替。其結(jié)果就是信息的最后24 b包含了24 b的奇偶區(qū)域，并與飛機地址相加再乘以G(x)。

3 編碼器設(shè)計流程
    編碼器的FPGA設(shè)計流程圖如圖5所示。首先提取雷達控制界面的控制命令，判斷出詢問模式和詢問方式(詢問交替方式)。結(jié)合S0產(chǎn)生原理和雷達詢問距離理論，用計數(shù)分頻編碼產(chǎn)生S0同步信號。
    若是常規(guī)模式，在S0同步信號沿觸發(fā)下，按照軟件控制界面不同的控制命令，分別編碼產(chǎn)生周期性的6種單模式(見表1)詢問信號；并且產(chǎn)生對應(yīng)的周期性提取信號，結(jié)合交替模式產(chǎn)生相應(yīng)的編碼信號。
    若是S模式詢問，設(shè)計流程是：首先產(chǎn)生S模式的前導(dǎo)脈沖P1，P2和數(shù)據(jù)位同步信號P5，然后判斷是短S模式(P5數(shù)據(jù)位56 b)，還是長S模式(P6數(shù)據(jù)位112 b)，再調(diào)用XCV600E內(nèi)部的雙口RAM IPcore模塊進行數(shù)據(jù)采集，對s模式最后24 b的飛機地址數(shù)據(jù)位進行奇偶地址校驗編碼，校驗規(guī)則如圖4所示。之后再對校驗結(jié)果進行DPSK調(diào)制編碼，然后按照S模式的信號格式，在數(shù)據(jù)同步位信號P5 (見圖3)控制下，產(chǎn)生S模式詢問信號。

4 詢問信號的仿真波形
4．1 常規(guī)模式1：1：1交替詢問信號的仿真波形
    首先是同步觸發(fā)信號S0的產(chǎn)生，由雷達顯控界面人工操作改變，對應(yīng)二次雷達監(jiān)視的范圍不同而具有不同的周期。一般S0的周期有2．5 ms，3．5 ms，0．000 9 ms 。
    當(dāng)S0的周期為3．5 ms時，其仿真結(jié)果如圖6所示。XCV600E的FPGA時鐘為40 MHz，產(chǎn)生周期性的S0信號。采用計數(shù)4倍、8倍、1O倍分頻產(chǎn)生各模塊所需的時鐘。如果改變S0的周期，可用類似的方法產(chǎn)生；其次是三三交替詢問模式的產(chǎn)生。如圖6所示<