基于JFM7K325T着陆设备时序信号设计与实现

谷 雨，李 伟，张晓肖

基于JFM7K325T着陆设备时序信号设计与实现

谷 雨1,2，李 伟1,2，张晓肖1,2

（1 中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068；2 陕西省组合与智能导航重点实验室，西安 710068）

针对飞机进场着陆问题，提出一种基于JFM7K325T着陆设备时序信号设计方案，JFM7K325T负责产生数字信号处理（DSP）的时钟、复位、逻辑控制和数据的预处理，在时钟的同步下按一定格式产生不同功能的着陆设备数据信号，并通过试验验证该方案的可行性。

着陆设备；JFM7K325T；数字信号处理；时序信号

0 引言

着陆设备主要是解决飞机进场着陆引导的问题。本文介绍了着陆设备时序信号组成、信号格式和数据信号设计与实现，采用100%“国产化”高性能的现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA），按一定格式产生不同功能的着陆设备数据信号。该方法设计简单、可靠性强，充分利用FPGA（复旦微JFM7K325T-AS）的工作特性，在全国产化前提下，有效保证产生的着陆设备数据信号的正确性和完好性。

1 JFM7K325T简介及其应用

JFM7K325T核心板是一款基于复旦微FPGA设计的高端工业模块，采用全国产化设计。FPGA引脚资源通过高速连接器引出，并集成了专用超高速串并转换模块、高灵活可配置模块、专用数字信号处理模块和可配置时钟模块等应用模拟电路。核心板经过专业的印刷电路板布局布线（Printed Circuit Board Layout，PCB Layout）和高低温测试验证，稳定可靠，可满足各种应用场景。

2 系统信号格式与发播时序设计

角度信息和数据信息在同一频率上以时分多路复用的方式播发。着陆设备信号周期是由一系列顺序对组成的，在一个全周期中，顺序对之间的停歇时间是“跳跃”的。其发播周期是一个614.4 ms长的时间段[1,4]，全周期信号格式如图1所示。

图1 全周期信号格式

2.1 着陆设备角度制导信号

着陆系统的角度制导信号主要包括：前导码、扇区信号和扫描信号。方位与仰角的前导码信号格式相同，而前导码、扇区信号和扫描信号内容与时序是不同的。着陆系统的角度制导信号格式如下：

1）角度制导信号

包括前导码、扇区信号和扫描信号。其中方位和仰角前导码均为1.6 ms；扇区信号方位为0.96 ms、仰角为0.256 ms，由于方位需发送台站识别码，天线选择脉冲和检查脉冲，同时方位横向扫描需发送后、左、右覆盖区外指示（Out of Coverage Indication，OCI），而仰角纵向扫描只发送一个OCI信号[2]；方位扫描信号为9.0 ms而仰角扫描信号为3.5 ms，由于方位扫描覆盖为-42°～42°，仰角扫描范围是-1.5°～29.5°，波束扫描速度为0.02°/ μs，所以方位和仰角“往”、“返”扫描时间不同[3]，同时方位扫描停歇为0.6 ms而仰角扫描停歇为0.4 ms。其信号形式如图2所示。通过地面的方位天线产生一个垂直方向较窄的扇形波束在比例覆盖区内进行往返扫描，来实现角度测量[5]。

图2 着陆设备角度制导信号的标准格式

2）前导码信号

前导码用来识别信号是哪一种特定功能。前导码的信号格式如图3所示，包括载波截获、巴克码和功能识别码。

图3 前导码信号格式

载波捕获占13位，按连续波发播，机载接收机利用该信号进行自动电平控制，并提取信号相位基准[9]。前导码信号的时隙分配如表1所示。

表1 前导码信号时序表

2.2 数据字信号

着陆设备数据分为基本数据和辅助数据，基本数据字和辅助数据字均采用差动相移键控（Differential Phase Shift Keying，DPSK）调制，逻辑“0”，由0°±10°相移表示；逻辑“1”，由180°±10°相移表示[8]。码元宽度为64 μs，上升和下降时间小于2 μs。

1）基本数据字

基本数据字共有6个，每个占32个码元，其中基本数字1～6的功能识别码分别为：0101000、0111100、1010000、1000100、1101100、0001101[7]。数据内容分别为：方位台距离跑道入口的距离、方位覆盖负限、方位覆盖正限、余隙信号类型；最小下滑角、反方位状态、测距状态信息、进近方位状态信息；方位扫描波束宽度、仰角扫描波束宽度、测距台距离；方位磁向、反方位磁向；反方位制导覆盖负限、反方位制导覆盖正限、反方位扫描波束宽度；地面设备识别码[10]。数字信息按“最低有效位在前”的原则播发。基本数据字信号格式如图4所示。

图4 基本数据字信号的标准格式

基本数据字时隙分配表如表2所示。

表2 基本数据字时隙分配表

2）辅助数据字

辅助数据字共三类，辅助数据字共包含76个码元，其中功能码分别为：1110010、10101110、1111000。数据位有两种格式，一种是数据信息，另一种是字符信息，信息按“最低有效位在前”的原则播发。数据信息以定义的量化原则为编码依据，字符信息则采用阅读顺序，以国际民航组织附件10卷三中IA-5的格式编码[6]。辅助数据字的信号格式和辅助数据字时序功能表如图5所示。

各个辅助数据字时隙分配表如表3所示。

3 系统设计

3.1 功能设计

着陆设备数据信号控制设计如图6所示。

其中数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）是主处理器，负责数据的解析、计算和通信功能，选用国防科大银河飞腾FT-6416，DSP通过外部存储器接口（External Memory Interface，EMIF）外挂两片同步动态随机存取内存（Synchronous Dynamic Random Access Memory，SDRAM）芯片，作为处理数据的临时缓存，DSP通过EMIFA接口（nCE1）与FPGA进行数据交互。FPGA选用复旦微JFM7K325T-AS，FPGA作为DSP的一个外设工作，负责产生DSP的时钟、复位、逻辑控制和数据的预处理，在时钟的同步下按照第2节数据的信号格式产生不同功能的着陆设备数据信号。还包括1片模拟数字转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC），型号为AD9268进行模拟信号采集，1片数字模拟转换器（Digital-to-Analog Converter，DAC），型号为AD5310进行模拟信号输出。

图6 着陆设备数据信号控制设计示意图

3.2 软件设计

着陆设备全周期时序控制软件设计，按照上述第2节信号格式与发播时序控制着陆设备全周期信号格式。FPGA的开发环境是Xilinx的VIVADO，FPGA开发语言是Verilog。着陆设备系统全周期时序控制软件设计流程图如图7所示。

图7 着陆设备全周期时序控制软件设计流程图

方位、仰角功能程序设计，当发射机开关打开时，自检正常，将全周期顺序计数器信号置为0，按照全周期顺序计数，全周期时间为614.4 ms（一个全周期播发功能包括24个方位和24个仰角）；当发送仰角功能DPSK将仰角信号信号置为1，相反，发送方位功能DPSK将方位信号置为1；1个码元时间64 μs，循环等待，根据方位、仰角功能的识别码设置差动相移键控调制，基本数据字和辅助数据字功能码程序据此类推即可。

4 着陆设备时序信号功能实现

着陆设备时序信号采用DPSK编码方式，在第2章表1中可以看出，功能识别码共占用7个比特，前5位是信息位，后2位是奇偶校验位，每比特为64 μs（一个时钟脉冲上升沿和下降沿小于2 μs）。系统的方位、仰角、基本数据字和辅助数据字都是功能识别码表明指令，由机载接收机识别并解算[11]。具体功能识别码和信号波形如表4所示。

表4 功能识别码和信号波形

本文方案已经在某型设备科研样机中应用。前导码信号波形测试图如图8所示，图中黄色曲线为DPSK调制信号，绿色为自动电平控制信号。由图8（b）可以看出，时钟为15.625 kHz，一个码元时间为64 μs。由图8（a）波形图与图3完全对应，证明该方案前导码设计的准确性和可行性。

图8 前导码和1个码元信号波形图

该方案实现方位、仰角功能识别码的测试波形如图9所示，由图9（a）看出功能识别码为“111010010100”，图9（b）可以看出功能识别码为“111011100001”。说明该方案方位、仰角功能码设计的准确性和可行性。

图9 方位和仰角功能信号波形图

该方案实现基本数据字2功能识别码的测试波形如图10所示。图10可看出基本数据2功能识别码“111010111100”和数据码“0111100，00110101010011110100”。如图10（b）所示，基本数据字2全周期时间为2.048 ms，说明该方案基本数据字2功能码设计的准确性和可行性。

图10 基本数据字2功能信号波形图

辅助数据字功能识别码信号波形如图11所示，可以看出功能识别码为“111011111000”，符合表4辅助数据字信号波形，说明该方案辅助数据字功能码设计的准确性。

图11 辅助数据字功能信号波形图

5 结语

在基于JFM7K325T着陆设备时序信号设计与实现中，采用DSP（银河飞腾FT-6416）与FPGA（复旦微JFM7K325T-AS）相结合，实现“全国产化”着陆设备时序信号控制与实现。通过试验，证明该全国产化设计有效保证产生的着陆设备数据信号的正确性和完好性。目前，在某型导航设备科研样机中已经应用。

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Design and Implementation of Sequence Signal Based on JFM7K325T Landing Equipment

GU Yu, LI Wei, ZHANG Xiaoxiao

Aiming at the problem of aircraft approach and landing, a design scheme of sequence signal based on JFM7K325T landing equipment is proposed. JFM7K325T is responsible for generating digital signal processing clock and reset, logic control and data preprocessing. Under the synchronization of the clock the landing equipment data signals with different functions are generated according to certain formats. The feasibility of the scheme is verified by experiments.

Landing Equipment; JFM7K325T;Digital Signal Processing; Sequence Signal

TN965

A

1674-7976-(2023)-06-410-06

2023-03-27。

谷雨（1996.05—），黑龙江哈尔滨人，硕士，主要研究方向为无线电导航。