专利名称：一体化tcas系统信号自动收发方法
技术领域：
本发明涉及一种小型的机载TCAS系统的信号自动收发设计，属于空中交通管理 和空中交通安全领域。
背景技术：
飞机上的防撞系统，美国航空体系称为空中交通预警和防撞系统(以下简称 TCAS)，欧洲航空体系称为机载防撞系统，两者的含义、功能是一致的，而且组成也基本相 似，因此本发明申请说明书以TCAS为技术背景进行描述。经过多年的发展，TCAS系统已发展出多种型号，如TCAS I、TCAS II、TCAS III、 TCAS IV。其中TCAS II目前应用最为广泛，它可以给飞机驾驶员提供以不同颜色和形状显 示临近飞机的相对高度、距离、方位、上升/下降状态等信息的交通提示(TA)和显示俯仰通 道改变、姿态保持、高度保持等信息的解决方式(RA)。其他更高版本型号体系结构以TCASII为基础，只是在功能上略有差别。TCAS系统的时序关系以两架同时装有TCAS和S模式应答机的飞机进行说明，其 通信情况如下本机S模式应答机1以大约每秒一次的频率发送断续振荡信号，即“S模式 全呼叫回答信号”，报告本机的代号；当对方飞机的TCAS2接收到这种断续信号后，根据相 应飞机的代号以点名的方式(飞机代号是唯一的)发送专门监视的1030MHz “S模式询问 信号” ；S模式应答机1接收到TCAS2发送的询问信号后，由本机TCASl通过总线将包含高 度、方位等信息的应答信息传输至S模式应答机1，并由S模式应答机1以1090MHz发射“S 模式应答”；对方TCAS2接收应答信息，并做出相应决策。TCASl和S模式应答机2的工作 原理完全相同，其过程如图1所示。由图2的信号格式可以看到，S模式全呼叫回答信号由前同步脉冲和数据脉冲组 成。其中，前同步脉冲由起始的8μ s内四个脉冲形成，应答数据是由脉冲位置调制(PPM) 的，其脉冲位置随调制信息的二进制数而变化，所有脉冲幅度和宽度不变。数据脉冲是经 PPM调制的56位数据码元，数据发送速率为1MHz。以往TCAS为了实现信号的收发，使用了大量的电路元件，并用控制器进行控制， 实现方法复杂，占用资源多。使用大规模FPGA则可以对这一缺陷进行改进。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提出了一种信号的收发方法，使用FPGA，完 成信号的自动调制与解调，实现了系统的功能；本发明解决其技术问题所采取的技术方案是1)根据TCAS系统的功能，设定通信流程，并在FPGA中实现；2)使用FIFO电路解决控制器发送时间与编码器不匹配的问题；3)对于信号的头脉冲，用有限状态机的设计来完成头脉冲发生器；4)编码器完成两个任务，即将FIFO输出的数据进行编码、并将其前同步脉冲结合，形成完整的信号；5)预处理电路在信号接收端，用于还原信号经过空间传输的畸变；6)采用门限判决和最大值判决相结合的方法，由判决电路将信号还原为标准的信 号；7)使用同步提取电路与解调模块，对信号进行解调，得到原始发送的信号。本发明相比于现有技术的优点在于稳定、可靠的实现了信号的收发功能，为一体 化TCAS系统的实现打下了基础。
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。图1是TCAS/S模式应答机的询问和回答。图2是S模式全呼叫回答信号示意图
图3是TCAS与S模式应答机通信流程图。图4是S模式全呼叫信号编解码电路实现模型图5是PPM信号示意6是PPM调制程序流程7是积分鉴相器程序流程8是时隙信号产生模块程序流程图
具体实施例方式本发明使用一片FPGA，完成信号的自动收发功能。其通信流程如图3所示。对于编解码实现，这里以“S模式全呼叫回答”为例。对于全呼叫回答信号的传输， 从硬件结构上分为发射和接收电路两大部分，其中，发射部分包括有原始回答信号产生电 路、编码电路、发射电路；接收电路包括预处理电路、头脉冲检测电路、同步提取电路以及解 码电路。整个编解码电路的实现模型如图4所示。TCAS控制器要将应答信息送往FPGA进行编码，由于控制器的发送时钟与编码器 的时钟速度不匹配，这里使用FIFO电路来进行缓冲；头脉冲发生器使用有限状态机的设计 方法，将前同步脉冲的高低电平分别作为一个状态，通过对高频时钟进行计数的方法来实 现状态的转换，当计数值达到脉冲电平持续的时间，比如说0. 5 μ s时，转入下一状态；PPM 编码器承担两个任务一是将FIFO输出的数据进行PPM编码，其实质是将一段时间分成M 等份，每等份称为一个时隙(slot)，在一帧时间内的某个时隙发出一个脉冲，这一帧时间就 是一个PPM信号。它包括M段长度为t秒的时隙，其示意图如图5所示。PPM全呼叫回答采 用的是单码元传输，一帧时间包含两个时隙周期。PPM编码分为两个步骤，首先，针对PPM信 号的特点，需要对时隙时钟二分频作为前面m序列生成器的时钟信号，这样，一个输入码元 持续两个时隙时钟周期；其次，设计一个二进制计数器，对时隙时钟计数，计至“01”时，计 数器清‘0’ ；然后，将输入码元的值与计数器的值相比较，相等则输出高电平，否则输出低电 平；最后，将比较器输出的脉冲信号进行整形输出，就得到我们需要的PPM调制输出信号， 实现的信号流程如图6所示。二是将前同步脉冲与PPM调制器的输出组合，形成完整的“S 模式全呼叫回答”信号；预处理电路用于还原信号经过空间传输后的畸变；判决电路采用门限判决和最大值判决相结合的方法，首先将采样值经过门限判决算法进行初步判决，然后 将初步判决的结果送入最大值判决器进行二次判决，经过判决电路后，输出值就是标准的 PPM脉冲信号，如果设定的门限值合理，得到的脉冲信号就能够与原始的发送信号很好的对 应起来；同步提取电路用于恢复PPM的同步信号，对时隙时钟的恢复，采用了基于锁相环的 积分鉴相器实现方法，其中积分鉴相器的的流程如图7所示，时隙信号产生模块流程则如 图8所示，而对于帧同步信号的恢复采用纯逻辑电路实现；解调模块利用同步信号，对接收 的PPM调制信号进行解调，得到原始发送的“S模式全呼叫回答”数据。在得到原始发送的“S模式全呼叫回答”数据后，本机TCAS对上述信息进行处理， 如果得到了对方飞机的S模式地址，将直接进入图3所示的流程中的下一个环节，即本机 TCAS发送“点名式S模式询问”信号。接下来的过程与对方机发送“S模式全呼叫回答“信 号时的总体流程相似，变化之处在于数据源是本机TCAS，调制解调方式变为DPSK。通过上述措施，我们在一体化TCAS防撞系统中实现了信号的自动收发，为一体化 TCAS系统打下了基础。
权利要求
1.一种在一体化TCAS系统中实现信号自动收发的方法，其特征是使用一片FPGA，实 现信号的编、解码，包括FIFO电路、头脉冲发生器、编码器、预处理电路、判决电路、同步提 取电路等的设计。
2.一种在一体化TCAS系统中实现信号自动收发的方法，其特征是FIF0电路用于将数 据进行缓冲，以解决控制器的发送时钟与编码器的时钟速度不匹配的问题。
3.—种在一体化TCAS系统中实现信号自动收发的方法，其特征是头脉冲发生器采用 有限状态机的设计方法，用于产生信号的头脉冲。
4.一种在一体化TCAS系统中实现信号自动收发的方法，其特征是编码器首先对信号 进行编码，然后将其与头脉冲信号相结合，形成完成的信号。
5.一种在一体化TCAS系统中实现信号自动收发的方法，其特征是判决电路采用门限 判决和最大值判决相结合的方法，将信号还原为标准的信号。
全文摘要
一种在一体化TCAS自动防撞系统中实现信号自动收发的方法，针对以往信号自动收发方法实现复杂，占用资源多的缺点，使用大规模FPGA进行了改进使用FIFO对原始信号进行缓冲；使用有限状态机的方法完成头脉冲发生器；编码器对FIFO输出的数据进行编码并与头脉冲结合；对于接收到的信号，使用预处理电路对其进行处理，并使用门限电路与最大值判决相结合的方法，将信号还原为标准的信号；最后将信号进行解调，得到原始数据。该方法稳定、可靠的实现了信号的收发功能，为一体化TCAS系统的实现打下了基础。
文档编号H04B1/40GK102082580SQ20091021919
公开日2011年6月1日 申请日期2009年11月27日 优先权日2009年11月27日
发明者史忠科, 李超 申请人:西安费斯达自动化工程有限公司