基于FPGA实现塔康地面信标信号发生器设计

卫 恒，王德功，刘 扬，石 宇

（空军航空大学 吉林 长春 130022）

基于FPGA实现塔康地面信标信号发生器设计

卫 恒，王德功，刘 扬，石 宇

（空军航空大学 吉林 长春 130022）

为满足某型飞机塔康设备检测仪器要求，对其提供稳定、可靠、多样的塔康地面信标信号。设计利用Altera公司的EP4CE6E22C8为控制核心，以DAC813JP为DA转换器，运用DDS基本原理，通过QuartusII软件编写塔康地面信标信号发生器的每个单元模块，最终完成整个设计方案。并进行了Matlab与QuartusII相结合的仿真验证，同时设计连接了外部电路。相较于传统塔康地面信标信号发生器操作简单，便于升级，能够满足检测仪器的各项要求。

塔康信号；直接数字频率合成；现场可编程门阵列；数模转换器

塔康 （TACAN）是战术空中导航系统的简称，是美国1955年研制并投入装备的近程无线电导航系统，是一种测角测距系统[1]。“塔康”系统，又称作极坐标系统，能利用一个射频通道同时传递距离与方位信息，从而简化了机载设备，同时减少了对频段的占用。该系统可供飞机的出航、归航以及圆周飞行等航线飞行时使用，且在我军各类飞机上大量装备，因此设计塔康地面信标模拟器，用于检测机载塔康设备具有重要作用。由于FPGA具有快速、灵活控制、设计周期短，同时DDS具有高分辨率，实现方法灵活的特点，所以本文研究了FPGA内嵌DDS技术实现塔康方位信号发生器的解决方案。

1 基本原理

1.1 塔康信号

TACAN系统由塔康地面设备（塔康信标台）和机载设备两部分构成。该系统使用的是脉冲调制技术，并且它使用极坐标的方式来表示距离和方位。其中，系统通过天线的旋转产生一个旋转的多波瓣方向性图来获取方位，并且能够提供粗、精方位信息。如图1。塔康信号是由塔康地面信标台以15 Hz和135 Hz复合调制的旋转场向空中发射脉冲，形成15 Hz和135 Hz脉冲包络调制信号，这些信号包括方位基准信号和方位包络信号，基准信号用脉冲编码来识别，包络信号则是利用脉冲序列幅度的方式来进行传送[2]。其表达式为：

图1 多波瓣方向性图Fig.1 Multi-lobe directivity pattern

式中：f=15 Hz，A0为直流分量，A1、A2分别为大包络、小包络的调制幅度。经过调制后的信号就携带方位信息。在测量方位时，机载设备跟踪主、辅基准脉冲，计算出基准与包络相位零点之间的相位差，便可以完成定位工作。其调制信号如图2所示。

图2 塔康包络调制信号Fig.2 TACAN envelope modulation signal

1.2 包络调制信号产生方案

塔康信号外包络是由15 Hz和135 Hz正弦波叠加后形成的波形。因为该信号频率不高，本设计将输出的数字幅度值通过DAC芯片及调理电路转换为所需要的包络信号。本设计中信号通过在FPGA内部应用DDS技术来产生，使用VHDL语言编写相位累加器、正弦波数据ROM，从而实现直接数字频率合成。最后将数字信号送到数模转换器DAC，由DAC输出所需要的波形。塔康信号的AM调制包络是由15 Hz和135 Hz正弦波叠加而成。通过FPGA应用DDS技术，产生两路正弦波叠加后对应的幅度量化值，然后将波形数据送到数模转换器DAC813JP转换为模拟波形，最后通过低通滤波器滤波送到调制电路使用。

2 系统方案设计

方案以Altera公司的Cyclone系列的EP1C12Q240C8芯片为核心，以QuartusII为软件平台，以FPGA开发板为硬件平台，在FPGA内部编写不同的功能模块，加上外扩的DA转换器和低通滤波器，完成塔康信号发生器的设计。其总体方案如图3所示。

图3 系统总体方案Fig.3 System overall program

2.1 系统外部电路设计

通过单片机为信号发生器提供信号所需要的参数以便满足检测仪不同的要求。数模转换器是数字电路和模拟电路连接的桥梁，FPGA输出的波形数据用DAC813JP进行D/A转换，然后输出信号经过I/V转换后，通过低通滤波器输出。本设计采用巴特沃兹二阶滤波器滤波。

外部电路的具体设计在此就不再赘述。

2.2 系统软件功能实现

本设计的实现软件功能的模块主要分为3个单元。首先用VHDL语言在软件平台QuartusII中编写每个单元并生成原理图，然后在顶层模块文件中将每个单元原理图连接起来，最后配置引脚并进行编译，从而完成整个软件部分的设计。

2.2.1 频率控制字模块

频率控制字K是二进制的相位增量值，它控制着最后输出波形频率的大小[3]。作为相位累加器的输入，它的好坏直接影响整个系统的功能和性能。为产生所需要的频率控制字K，单片机输入的控制量通过串行外围设备接口与FPGA进行通信。其流程框图如图4所示。

图4 频率控制字模块框图Fig.4 Frequency control word block diagram

2.2.2 相位累加器模块

相位累加器是FPGA逻辑控制的核心部分，一般由加法器和同步寄存器构成，实现相位累加[4]。相位增量△φ=2π/2N对应的二进制表示为A△φ，即频率控制字K。K与输出频率f0呈简单的线性关系：

因此只要对相位的量化值进行累加，即可得到当前信号的向未知。在参考时钟的作用下，相位累加器进行线性的相位累加，当累加器溢出时即完成一个周期性动作，系统完成一个周期的频率合成信号，累加器的溢出频率就是系统输出的信号频率[5]。

本设计采用3级流水线设计，与普通相位累加器相比，虽然延时了两个时钟周期才输出结果，但是结果没有发生任何改变，反而大大提高了相位累加器的计算速率。

2.2.3 波形数据ROM模块

相位累加器的输出值即为波形数据ROM的查询地址，通过ROM进行相位-幅度的转换，就可以在给定的时间上确定波形的抽样幅值。ROM 模块直接由 QuartusII中MegaWizard Plug-in Manager工具产生。要产生ROM模块，需要.mif文件。可以利用Matlab产生.mif文件，但是其产生的.mif文件不可以直接使用，需要添加程序：

如果要更改数据参数，只需要对.mif文件进行更改，并对程序做相应的修改即可[6]。

3 实验仿真

通过QuartusII建立Vector Waveform File文件来对软件系统进行仿真，结果如图5所示。用Matlab软件对仿真数据进行处理验证了软件部分设计的正确性，如图6所示。

图5 QuartusII仿真结果Fig.5 Quartus II simulation results

图6 Matlab仿真结果Fig.6 Matlab simulation results

4 结束语

该塔康地面信标信号发生器解决了某型飞机塔康设备检测仪方位信号的需求。在多次测试中，可以为其提供相应参数的发射信号。同时该发生器是基于DDS原理利用FPGA开发，大大缩减了设备开发时间，并且模块化设计为以后方案改进、软件优化、硬件更换提供方便，大大提高其灵活性。该塔康地面信标信号发生器已经交付相关部队，并取得良好效果。

[1]曹乃森,丁永强,马贵兵.机载塔康设备综合检查仪设计[J].计算机测量与控制.2012,20(2):398-399.CAO Nai-sen,DING Yong-qiang,MA Gui-bing.Design of integrated testerfor airborne TACAN equipment[J].Computer Measurement&Control,2012,20(2):398-399.

[2]段学刚,高宪军.航空无线电导航原理[M].长春：吉林科学技术出版社，2010.

[3]申国政.基于FPGA的雷达激励器信号发生器的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学.

[4]刘畅,李智.基于FPGA的任意波形发生器的设计[J].微计算机信息.2010,26(1):121-124.LIU Chang,LI Zhi.Design of arbitrary waveform generator based on FPGA[J].Microcomputer Information,2010,26(1): 121-124.

[5]曹郑蛟.基于FPGA的复杂函数发生器研究[D].长沙:湖南大学，2011.

[6]孙超,林占江.基于DDS的雷达任意波形信号源的研究[J].电子测量与仪器学报，2008,22(2):31-36.SUN Chao,LIN Zhan-jiang.Study on arbitrary waveform generator for radar based on DDS[J].Journal of Electronic Measurement and Instrument,2008,22(2):31-36.

Design of TACAN ground beacon signal generator based on FPGA

WEI Heng，WANG De-gong，LIU Yang，SHI Yu
（Aviation University of Air Force，Changchun 130022，China）

In order to provide a stable,reliable and diverse TACAN ground beacon signal to meet the requirement of TACAN equipment's detection instrument of a certain type of aircraft.Designed by Altera company's EP1C12Q240C8 as the control core,using DAC813JP as DA converter,using the basic principle of DDS,through QuartusII software to write each unit module of TACAN ground beacon signal generator,and ultimately complete the design scheme.The results was simulated and verified by Matlab combining with QuartusII，while designed and connected the external circuit.Compared with the traditional TACAN ground beacon signal generator,this generator is convenient to use,easy to upgrade,can meet all the requirements of detection instrument.

TACAN signal;DDS;FPGA;DAC

TN74

A

1674－6236（2015）10-0191-03

2014-09-03 稿件编号：201409025

卫 恒(1992—)，男，山西运城人，硕士研究生。研究方向：雷达目标模拟器。