专利名称：Tcas与s模式应答机的综合化数字中频接收系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子通信，具体是一种基于现场可编程逻辑阵列(Field ProgrammableGate Array,以下简称为FPGA)的空中交通警戒与防撞系统(Traffic Collision AvoidanceSystem，以下简称为TCAS)和S模式应答机的综合化数字中频接收系统。
背景技术：
目前国内没有关于空中交通警戒与防撞系统(缩写为TCAQ与S模式应答机综合的研究与设计，而国外的系统至多是形式上的联合式综合系统，并未实现一体化全面综合，即平台共用、软硬件资源共享、信息融合、功能综合等。而且，当今在各种型号的飞机上应用甚为广泛的TCASII系统也是基于独立的TCAS与S模式应答机架构而共同完成空中交通态势的感知。
由上述研究现状可知，目前关于TCAS与S模式应答机的研制主要存在以下两点不足一方面，本机的TCAS与S模式应答机均利用自己独立的天线系统、射频前端电路以及处理模块等来收发无线电信号并做相应处理，从某种程度上来讲，在同时配备了 TCAS和S模式应答机的飞机上就会造成资源浪费，不仅加重了机组人员的负担，同时独立子系统也使飞机备件库加大、飞机重量加重、可维护性降低，不利于减少飞机全寿命周期成本等等；另一方面，很少运用软件无线电的设计思想，使得航空电子系统的灵活性不够，给机载设备未来的升级维护带来了一些障碍，不易扩展。
FPGA相对于适用于串行处理的数字信号处理(缩写DSP)来讲，具有优越的并行处理能力；而相对于采用硬连接逻辑的ASIC来讲，具有满足软件无线电实现中的灵活性需求的特点。所以，FPGA技术由于其一系列的优点而在软件无线电领域中有广阔的应用前景， 并很有可能成为实现软件无线电平台的最佳选择，而且高速、大容量FPGA的高性能信号处理、灵活性和可升级性，使其在极其苛刻的软件无线电数字处理系统中是不可或缺的。同时，StratixIII系列的FPGA具有容量大、速度快等特点，使得基于MratixIII系列FPGA的本发明能够满足系统功能及性能需求。
经过对现有技术的检索发现，电子科技大学的陈莹等做过独立的TCAS的研究与设计(陈莹.TCAS系统的相关研究与设计[D].成都电子科技大学，2008.)；中国西南电子技术研究所的姚元飞等做过独立的S模式应答机中频信号处理的研究(姚元飞，佟力，严国荣.S模式机载应答机的中频数字化处理[J].电讯技术，2009，49 (6) :70-73.)。
但是该现有技术都未能从综合化的角度进行航空电子系统的研究与设计，而且前者也未能在整个设计中运用软件无线电技术。这些都导致了机载设备的备件库繁重、资源浪费、不易升级维护等。发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足，提供一种TCAS与S模式应答机的综合化数字中频接收系统，该系统能够在不消耗过多资源、有足够快的处理速度情况下，实现综合化的信号处理与检查。
本发明的解决技术方案如下
一种TCAS与S模式应答机的综合化数字中频接收系统，其点征在于该系统包括数字下变频模块、TCAS基带预处理模块和S模式应答机基带预处理模块，所述数字下变频模块的输出端经信号线分别与所述的TCAS基带预处理模块和S模式应答机基带预处理模块的输入端相连。
数字下变频模块包括四个结构相同的数字下变频分模块，每个数字下变频分模块又包括同相路和正交路、两路共用的平方开方单元和系统时钟单元，所述的同相路和正交路都由依次的数字混频状态机单元、CIC4倍抽取单元、HB2倍抽取单元、HR低通单元组成， 所述的同相路和正交路的HR低通单元的输出端接所述的平方开方单元，对由射频频率/ 天线接收通道输入的四路数字中频信号实行并行处理，经下变频处理后的四路数字基带信号分别向所述的TCAS基带预处理模块或S模式应答机基带预处理模块输出。
一种利用所述的综合化数字中频接收系统的接收方法，其特点在于该方法包括如下步骤
步骤1 所述的数字下变频模块接收来自由射频前端电路提供的射频频率/天线接收通道的四路数字中频信号经处理得到四路数字基带信号；
步骤2 根据接收由射频前端电路提供的射频频率或者天线接收通道的信息(发送给TCAS的信息和发送给S模式应答机的信息在射频频率上不一样，前者是1090MHz，后者是1030MHz，所以系统是根据这个信息来区分后面是交给TCAS处理通道还是交给S模式应答机处理通道的；也可以根据天线接收通道来区别，TCAS和S模式应答机的射频段是分开的，所以也能根据这个来区分。)判断，使能TCAS基带预处理模块，或使能S模式应答机基带预处理模块，并将所述的四路数字基带信号输入所述的使能TCAS基带预处理模块，或使能S模式应答机基带预处理模块；
步骤3:
a)当使能TCAS基带预处理模块时，所述的四路数字基带信号进入TCAS基带预处理阶段通过解复用器对四路数字基带信号利用询问模式信息对应答信号进行分离提取， 并对应地交由C模式译码模块进行译码处理或S模式译码模块进行译码处理；
b)当使能S模式应答机基带预处理模块时，进入S模式应答机基带预处理阶段
①对一路数字基带信号进行询问信号模式判别，从而分离A/C/S(PAM)询问信号和S模式DPSK询问信号，并输出对应的询问模式指示信号；
②对S模式DPSK询问信号的指示信号进行扩展处理，并结合P6脉冲上升沿和S 模式DPSK中频询问信号做时序调整，完成DPSK解调，从而得到S模式DPSK询问信号的信息绝对码。
所述A/C模式译码模块的译码处理是将四路数字基带信号通过多路选择器选择出功率最大的两个支路信号，并分别针对每个支路信号依次进行PSV生成、PSV分解、框架检测、脉冲信息提取步骤后经比较器和选择器后输出最大参考功率和相应的框架/码位信肩、O
所述的S模式译码模块的译码处理是对四路数字基带信号进行四脉冲报头检测，并分别将0度和180度方向上信号的功率进行比较和选择、90度和270度方向上信号的功率进行比较和选择，并将两次比较中的较大值再进行比较，最后输出最大功率/次大功率有效报头信息和对应的最大功率/次大功率通道。
所述的询问信号模式判别时所利用的脉冲幅度信息，是通过求取均值获得的，在求取均值过程中采用了移位和加减法来完成。
在所述S模式DPSK询问信号进行解调时，扩展了 S模式使能信号以使其持续有效为 30.25 μ s。
为使得S模式DPSK询问信号、Ρ6脉冲的上升沿、扩展的S模式使能信号三者之间精确地同步，通过一个时序调整模块来辅助完成。
在进行DPSK解调时对位抽样判决部分采用只判断最高比特位的方法。
综上所述，本发明具有以下优点
1)综合化设计，将综合化航空电子系统的设计理念应用于TCAS与S模式应答机的综合中，改变传统的联合式系统架构，从而共享平台资源。
2)利用射频前端电路提供的射频频率/天线接收通道等信息来完成对TCAS与S 模式应答机处理通道的分离，为综合化系统的具体实现提供了一种解决方案。
3)基于FPGA硬件平台的中频数字化处理，将软件无线电思想应用于TCAS与S模式应答机的信号处理，利用数字下变频技术使得系统可将A/D模块更接近于天线，从而便于进行数字处理，更准确更方便地实现功能，同时为航空电子系统的维护和升级带来了很多便利。
4)询问信号的模式判别算法使得分离提取A/C模式询问信号和S模式询问信号更为准确高效。
5)求取脉冲幅度均值的优化算法，利用FPGA特点高效地实现了特定的除法运算， 使得模式判别更为精确无误。
6)在DPSK解调过程中采用的改进抽样判决方法不仅节约了逻辑资源，同时减小了因设置门限电平所带来的麻烦和可能出现的错误。
7)在一定的资源消耗情况下，能达到80MHz以上的系统处理速度，足够承担系统功能和性能。
图1为本发明TCAS与S模式应答机的综合化数字中频接收系统的组成示意图。
图2为为本发明系统中数字下变频的处理流程示意图。
图3为本发明系统中TCAS基带预处理模块中的译码通道分离示意图。
图4为本发明系统中TCAS基带预处理模块中的C模式应答信号检测框图。
图5为本发明系统中TCAS基带预处理模块中的S模式应答信号脉冲报头检测框图。
图6为本发明系统中的S模式应答机基带预处理模块实现框图。
图7为图6中询问信号模式判别算法框图。
图8为图6中S模式DPSK询问信号处理流程图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种TCAS与S模式应答机的综合化数字中频接收系统，包括数字下变频模块、 TCAS基带预处理模块和S模式应答机基带预处理模块，其中数字下变频模块的输出端分别与TCAS基带预处理模块和S模式应答机基带预处理模块相连并输出四路经数字下变频后的基带信号；然后系统利用射频前端提供的射频频率/天线接收通道信号、询问模式信息、询问方向信息等来分离TCAS基带预处理模块通道和S模式应答机基带预处理模块通道；TCAS基带预处理模块和S模式应答机基带预处理模块再分别根据上述辅助信号、基带信号和中频信号完成各种模式的应答信号和询问信号的解码。
数字下变频模块利用MratixIII系列的FPGA对四路数字中频信号做并行的下变频处理并求取幅度信息，其中四路数字中频信号为全向天线的0度、90度、180度和270度方向上接收到的模拟信号经采样得到的，其中一路数字下变频模块包括数字混频状态机单元、CIC抽取单元、HB抽取单元、FIR低通单元、平方开方单元等，四路数字下变频模块是相同的。
射频频率/天线接收通道等信息用于分离TCAS基带预处理模块和S模式应答机基带预处理模块。
TCAS基带预处理模块利用询问模式等信息来使能不同的译码通道，然后在C模式译码通道上利用询问方向、功率大小等信息进行C模式应答信号的检测，在S模式译码通道上利用功率大小比较等方法进行S模式应答信号初始脉冲报头的检测；从而完成对C模式应答信号和S模式应答信号的分离提取，该TCAS基带预处理模块包括解复用器单元、C模式译码单元、S模式译码单元。其中，C模式译码单元又包括多路选择器单元、PSV生成单元、PSV分解单元、框架检测单元、脉冲信息提取单元、比较器单元等。其中，s模式译码单元又包括四脉冲报头检测单元、比较器单元和选择器单元等。
S模式应答机基带预处理模块利用模式判别的方法来分离译码通道，完成对A/C 模式询问信号和S模式询问信号的分离提取，该S模式应答机基带预处理模块包括模式判别单元、时序调整单元、DPSK解调单元等。
实施例
请先参阅图1，图1为本发明TCAS与S模式应答机的综合化数字中频接收系统的组成示意图，主要包括四路并行处理的数字下变频模块、TCAS基带预处理模块和S模式应答机基带预处理模块。
分离提取有效的C模式应答信号、S模式应答信号、A/C模式询问信号和S模式询问信号的过程主要由如下几个步骤完成
步骤一数字下变频。利用Altera的MratixIII系列FPGA对欠采样后的数字中频信号OOMHz)进行下变频处理；
步骤二 TCAS处理通道和S模式应答机处理通道分离。利用由射频频率、天线接收通道等信息所设置的信号线来判断当前接收到的信号应由哪一通道负责处理若模拟信号为1090MHz频率或是从TCAS的天线接收通道接收到的信息，则该信息交由TCAS基带预处理模块(即使能TCAS基带预处理模块，而抑制S模式应答机基带预处理模块)；若模拟信号为1030MHz或是从S模式应答机的天线接收通道接收到的信息，则该信息交由S模式应答机基带预处理模块(即使能S模式应答机基带预处理模块，而抑制TCAS基带预处理模块)；
步骤三TCAS基带预处理和S模式应答机基带预处理
a)当TCAS基带预处理模块被使能后，进入TCAS基带预处理阶段
①利用询问模式等信息将四路数字基带信号通过解复用器进行分离，对应地交由 C模式译码模块或S模式译码模块进行译码处理；
②针对C模式译码模块，根据询问方向将四路数字基带信号通过多路选择器选择出功率最大的两个支路信号，并分别针对每个支路信号依次进行PSV生成、PSV分解、框架检测、脉冲信息提取等步骤后获取参考功率、框架以及码位信息；
③针对S模式译码模块，对四路数字基带信号进行四脉冲报头检测，并分别将0度和180度方向上信号的功率进行比较、90度和270度方向上信号的功率进行比较，并将两次比较中的较大值再进行比较，得到最大/次大功率和对应通道的有效报头信息。
b)当S模式应答机基带预处理模块被使能后，进入S模式应答机基带预处理阶段
①首先针对一路数字基带信号进行询问信号模式判别，从而分离A/C/S(PAM)询问信号和S(DPSK)询问信号，并输出对应的询问模式指示信号；
②然后对S模式DPiiK询问信号的指示信号进行扩展处理，并结合P6脉冲上升沿和S模式DPSK中频询问信号做时序调整，完成DPSK解调，从而得到S模式DPSK询问信号的信息绝对码。
由上述实施例表明，利用射频前端电路提供的射频频率/天线接收通道等信息来完成对TCAS与S模式应答机处理通道的分离，可以有效实现“共享资源”意义上的综合化， 改变了以往联合式系统的系统架构和资源配置方式；基于FPGA的软件无线电技术的应用使得本综合化系统的可扩展性、易升级维护性等大为提高；询问信号的模式判别算法使得分离提取A/C模式询问信号和S模式询问信号更为准确高效；求取脉冲幅度均值的优化算法，使得模式判别更为精确无误；在DPSK解调过程中采用的改进抽样判决方法不仅节约了逻辑资源，同时也减小了因设置门限电平所带来的麻烦和可能出现的错误。
权利要求
1.一种空中交通警戒防撞系统(TCAQ与3模式应答机的综合化数字中频接收系统，其特征在于该系统包括数字下变频模块、TCAS基带预处理模块和S模式应答机基带预处理模块，所述数字下变频模块的输出端经信号线分别与所述的TCAS基带预处理模块和S模式应答机基带预处理模块的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的综合化数字中频接收系统，其特征在于所述的数字下变频模块包括四个结构相同的数字下变频分模块，每个数字下变频分模块又包括同相路和正交路、两路共用的平方开方单元和系统时钟单元，所述的同相路和正交路都由依次的数字混频状态机单元、CIC4倍抽取单元、HB2倍抽取单元、HR低通单元组成，所述的同相路和正交路的^R低通单元的输出端接所述的平方开方单元，对由射频频率/天线接收通道输入的四路数字中频信号实行并行处理，经下变频处理后的四路数字基带信号分别向所述的TCAS 基带预处理模块或S模式应答机基带预处理模块输出。
3.一种利用权利要求1所述的综合化数字中频接收系统的接收方法，其特征在于该方法包括如下步骤步骤1 所述的数字下变频模块接收来自由射频前端电路提供的射频频率/天线接收通道的四路数字中频信号经处理得到四路数字基带信号；步骤2 根据接收由射频前端电路提供的射频频率或者天线接收通道的信息判断，使能TCAS基带预处理模块，或使能S模式应答机基带预处理模块，并将所述的四路数字基带信号输入所述的使能TCAS基带预处理模块，或使能S模式应答机基带预处理模块；步骤3 a)当使能TCAS基带预处理模块时，所述的四路数字基带信号进入TCAS基带预处理阶段通过解复用器对四路数字基带信号利用询问模式信息对应答信号进行分离提取，并对应地交由C模式译码模块进行译码处理或S模式译码模块进行译码处理；b)当使能S模式应答机基带预处理模块时，进入S模式应答机基带预处理阶段①对一路数字基带信号进行询问信号模式判别，从而分离A/C/S(PAM)询问信号和S模式DPSK询问信号，并输出对应的询问模式指示信号；②对S模式DPSK询问信号的指示信号进行扩展处理，并结合P6脉冲上升沿和S模式 DPSK中频询问信号做时序调整，完成DPSK解调，从而得到S模式DPSK询问信号的信息绝对码。
4.根据权利要求3所述的接收方法，其特征在于所述A/C模式译码模块的译码处理是将四路数字基带信号通过多路选择器选择出功率最大的两个支路信号，并分别针对每个支路信号依次进行PSV生成、PSV分解、框架检测、脉冲信息提取步骤后经比较器和选择器后输出最大参考功率和相应的框架/码位信息。
5.根据权利要求3所述的接收方法，其特征在于所述的S模式译码模块的译码处理是对四路数字基带信号进行四脉冲报头检测，并分别将0度和180度方向上信号的功率进行比较和选择、90度和270度方向上信号的功率进行比较和选择，并将两次比较中的较大值再进行比较，最后输出最大功率/次大功率有效报头信息和对应的最大功率/次大功率通道。
6.根据权利要求3所述的接收方法，其特征在于所述的询问信号模式判别时所利用的脉冲幅度信息，是通过求取均值获得的，在求取均值过程中采用了移位和加减法来完成。
7.根据权利要求3所述的接收方法，其特征在于在所述S模式DPSK询问信号进行解调时，扩展了 S模式使能信号以使其持续有效为30. 25 μ S。
8.根据权利要求3所述的接收方法，其特征在于为使得S模式DPSK询问信号、Ρ6脉冲的上升沿、扩展的S模式使能信号三者之间精确地同步，通过一个时序调整模块来辅助完成。
9.根据权利要求3所述的接收方法，其特征在于在进行DPSK解调时对位抽样判决部分采用只判断最高比特位的方法。
全文摘要
一种TCAS与S模式应答机的综合化数字中频接收系统，包括数字下变频模块、TCAS基带预处理模块和S模式应答机基带预处理模块，数字下变频模块的输出端经信号线分别与所述的TCAS基带预处理模块和S模式应答机基带预处理模块的输入端相连；其实现过程包括a)对采样后的四路中频数字信号进行统一的数字下变频处理；b)利用TCAS与S模式应答机在射频频率上的区别、天线接收通道上的区别等信息来分离TCAS基带预处理通道和S模式应答机基带预处理通道；c)分别针对两基带模块进行数字信号处理，从而完成对A/C/S模式的询问及应答信号的分离提取和译码。具有高速、灵活、易维护、易扩展等优势，能对降低飞机全寿命周期成本起到重要作用。
文档编号H04L27/22GK102510293SQ20111037498
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月22日 优先权日2011年11月22日
发明者李元祥, 马进 申请人:上海交通大学