專利名稱：Tcas與s模式應(yīng)答機(jī)的收發(fā)電路的集成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種小型的機(jī)載防撞系統(tǒng)，屬于空中交通管理和空中交通安全領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
飛機(jī)上的防撞系統(tǒng)，美國(guó)航空體系稱為空中交通預(yù)警和防撞系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱 TCAS)，歐洲航空體系稱為機(jī)載防撞系統(tǒng)，兩者的含義、功能是一致的，而且組成也基本相 似，因此本發(fā)明申請(qǐng)說(shuō)明書(shū)以TCAS為技術(shù)背景進(jìn)行描述。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，TCAS系統(tǒng)已發(fā)展出多種型號(hào)，如TCAS I、TCAS II、TCAS III、 TCAS IV。其中TCAS II目前應(yīng)用最為廣泛，它可以給飛機(jī)駕駛員提供以不同顏色和形狀顯 示臨近飛機(jī)的相對(duì)高度、距離、方位、上升/下降狀態(tài)等信息的交通提示(TA)和顯示俯仰通 道改變、姿態(tài)保持、高度保持等信息的解決方式(RA)。其他更高版本型號(hào)體系結(jié)構(gòu)以TCAS II為基礎(chǔ)，只是在功能上略有差別?，F(xiàn)有TCAS與S模式應(yīng)答機(jī)的發(fā)射/接收電路都是由射頻前端、中頻處理電路、 數(shù)字處理電路、射頻終端四大部分構(gòu)成，如圖1與圖2所示。雖然這兩套發(fā)射系統(tǒng)組成部 分大致相同，但在現(xiàn)有TCAS系統(tǒng)中它們是完全分離的。以TCAS-4000為例，TCAS收發(fā)由 TTR-4000完成TCAS信號(hào)從收發(fā)到編解碼、計(jì)算告警的全過(guò)程；而TDR-94D同樣的完成S模 式信號(hào)從收發(fā)到編解碼的全過(guò)程。在S模式應(yīng)答機(jī)中，接收信號(hào)經(jīng)混頻、中頻處理、視頻處理后，然后由一個(gè)集成門(mén) 陣列來(lái)完成脈沖解碼輸出，確定接收的是何種類型信號(hào)。脈沖解碼是按照信號(hào)間隔何脈沖 位置來(lái)確定的。確定信號(hào)類型后，由報(bào)文處理器對(duì)接收信號(hào)作出響應(yīng)，給出應(yīng)答信號(hào)。此處 的報(bào)文處理器是一個(gè)包含2000個(gè)門(mén)的基本門(mén)陣列，它只能對(duì)無(wú)需計(jì)算防撞路徑的A模式、 C模式和A-C模式/S模式全呼叫的詢問(wèn)格式做回答。在TCAS收發(fā)機(jī)中，接收信號(hào)同樣經(jīng)過(guò)混頻、中頻處理、視頻處理，然后由FPGA進(jìn)行 預(yù)處理，再由C/S解碼門(mén)陣列解碼。而其發(fā)射信號(hào)是由一個(gè)編碼門(mén)陣列及FIFO產(chǎn)生脈沖編 碼，再經(jīng)模擬調(diào)制后輸出相應(yīng)的DPSK信號(hào)發(fā)射。同時(shí)，在所有接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的調(diào)制解調(diào)過(guò)程中，都需要確定脈沖的時(shí)間寬 度，這就需要一個(gè)定時(shí)電路。在現(xiàn)有TCAS中，20M的定時(shí)時(shí)鐘信號(hào)是由一個(gè)20MHZ的晶體振 蕩器提供的。TCAS收發(fā)電路的結(jié)構(gòu)與S模式收發(fā)電路的結(jié)構(gòu)基本相同，卻分成了兩個(gè)不同的設(shè) 備，這必然造成了系統(tǒng)的成本提高、體積和重量增大等問(wèn)題，因此不適合安裝在內(nèi)部空間有 限的小型飛機(jī)上。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種使用大規(guī)模邏輯門(mén)陣列電路 (FPGA)將TCAS與S模式應(yīng)答機(jī)的數(shù)字處理電路集成設(shè)計(jì)的方法，它有效地降低了成本，減 小了體積，提高了集成度；
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方法是 1)采用一片大型FPGA，將TCAS與S模式應(yīng)答機(jī)的數(shù)字處理電路一體化，來(lái)完成視 頻處理之后的數(shù)字信號(hào)處理，它包括對(duì)接收信號(hào)的解碼識(shí)別、對(duì)有效數(shù)據(jù)的提取、對(duì)發(fā)射信 號(hào)的編碼等；2)對(duì)于編解碼所需的定時(shí)時(shí)鐘信號(hào)，本設(shè)計(jì)直接用FPGA內(nèi)部的PLL(鎖相環(huán))來(lái) 提供。FPGA內(nèi)的鎖相環(huán)是一種高穩(wěn)定度的可編程模塊，它接入由晶體振蕩器提供的正弦振 蕩信號(hào)后，輸出高穩(wěn)定度的倍頻或分頻方波脈沖信號(hào)，能夠很好的滿足定時(shí)電路所需；3)定時(shí)器直接由FPGA內(nèi)部編寫(xiě)的計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)；4)對(duì)于發(fā)射脈沖信號(hào)，我們使用多個(gè)FPGA內(nèi)的計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。按各發(fā)射信號(hào)的脈 沖頭信號(hào)格式，依次安排計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，產(chǎn)生符合要求的高低電平組合成所需脈沖頭信號(hào)。然 后在脈沖頭后面加載對(duì)應(yīng)格式的有效數(shù)據(jù)就構(gòu)成了完整的發(fā)射脈沖信號(hào)；5)對(duì)于接收到的經(jīng)過(guò)混頻、中頻處理、視頻處理的脈沖信號(hào)，我們用FPGA內(nèi)部編 寫(xiě)的狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各脈沖數(shù)據(jù)的識(shí)別。當(dāng)接收到的脈沖信號(hào)輸入后，通過(guò)按照各種信號(hào) 格式編寫(xiě)的狀態(tài)機(jī)；若其符合某種信號(hào)格式的狀態(tài)機(jī)邏輯，則在信號(hào)的有效數(shù)據(jù)段使能譯 碼電路輸出有效數(shù)據(jù)，若其不符合某種信號(hào)格式的狀態(tài)機(jī)邏輯，則在發(fā)現(xiàn)不符合后，回到該 狀態(tài)機(jī)的起始端等待識(shí)別解調(diào)下一條脈沖信號(hào)；6)通過(guò)設(shè)置緩沖區(qū)和優(yōu)先級(jí)，順序?qū)π盘?hào)進(jìn)行處理。這樣就可以解決系統(tǒng)在集成 后收/發(fā)信號(hào)的沖突問(wèn)題，以及多架飛機(jī)同時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題。本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于它的定時(shí)時(shí)鐘信號(hào)、定時(shí)器、調(diào)制解調(diào)電路等 都在一片大型FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?、可靠性，?shí)現(xiàn)方式靈 活，可擴(kuò)展性強(qiáng)。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。圖1是TCAS發(fā)射/接收電路原理框圖。圖2是S模式應(yīng)答機(jī)發(fā)射/接收電路原理框圖。圖3是TCAS內(nèi)部收發(fā)集成后原理圖。圖4是S模式應(yīng)答機(jī)內(nèi)部收發(fā)集成原理圖。圖5是TCAS和S模式應(yīng)答機(jī)收發(fā)電路集成原理圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明通過(guò)一片F(xiàn)PGA，實(shí)現(xiàn)對(duì)于TCAS內(nèi)部的發(fā)射/接收電路、S模式應(yīng)答機(jī)內(nèi)部 的發(fā)射/接收電路以及TCAS與S模式應(yīng)答機(jī)的發(fā)射/接收的集成，并且處理對(duì)其他功能單 元造成的影響。1、對(duì)于TCAS內(nèi)部集成，用一片F(xiàn)PGA，實(shí)現(xiàn)PPM前脈沖檢測(cè)與DPSK數(shù)字調(diào)制，原理 如圖3所示。由于這種集成是在TCAS內(nèi)部的，沒(méi)有增加額外的工作量給處理器，因此，不存 在影響處理器工作的可能性，同時(shí)，數(shù)字處理電路與其它三部分電路相比較是一個(gè)獨(dú)立的 模塊，只要不改變其接口信號(hào)，就不會(huì)對(duì)其它電路的工作造成影響。2、對(duì)于S模式應(yīng)答機(jī)內(nèi)部集成，使用一片F(xiàn)PGA，包括視頻處理、PAM解碼、DPSK解調(diào)以及PPM編碼等子模塊，集成后的原理圖如圖4所示。與TCAS內(nèi)部集成一樣，這種集成 不會(huì)影響其它單元的工作，也不會(huì)增加處理器的額外負(fù)擔(dān)。3、對(duì)于TCAS和S模式應(yīng)答機(jī)收發(fā)電路的集成，采用一個(gè)20MHz以上采樣率的A/D， 就能夠同時(shí)滿足TCAS和S模式信號(hào)的采樣量化；由于FPGA目前的發(fā)展已達(dá)到千萬(wàn)門(mén)級(jí)，我 們采用同一片F(xiàn)PGA，完成集成后TCAS與S模式應(yīng)答機(jī)的處理功能，集成方案如圖5所示。4、當(dāng)TCAS需要同時(shí)向外發(fā)送詢問(wèn)和應(yīng)答信號(hào)時(shí)，由于TCAS與S模式應(yīng)答機(jī)各自 向外發(fā)送詢問(wèn)或應(yīng)答的間隔至少為1秒，而進(jìn)行信號(hào)發(fā)射或接收操作的最長(zhǎng)時(shí)間是以毫秒 計(jì)的，所以，我們通過(guò)設(shè)置緩沖區(qū)和優(yōu)先級(jí)，將要發(fā)送的兩種不同模式的數(shù)據(jù)寫(xiě)入緩沖區(qū)， 然后根據(jù)情況的緊急性將需要優(yōu)先發(fā)送的信號(hào)送入射頻終端，通過(guò)天線發(fā)送；此后，將緩沖 區(qū)中等待發(fā)送的另一種模式信號(hào)發(fā)送出去。5、在多于2架飛機(jī)的情況下，我們?cè)谛盘?hào)接收端設(shè)置接收緩沖區(qū)，通過(guò)優(yōu)先級(jí)，確 定信號(hào)讀取的順序，依次處理。通過(guò)上述措施，我們將TCAS與S模式應(yīng)答機(jī)的收發(fā)電路集成在一起，并且解決了 集成后造成的沖突，為一體化TCAS系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。
權(quán)利要求
1.一種將TCAS與S模式應(yīng)答機(jī)的收發(fā)電路集成在一起的方法，其特征在于采用一片 大型FPGAJf TCAS與S模式應(yīng)答機(jī)的數(shù)字處理電路一體化，來(lái)完成視頻處理之后的數(shù)字信 號(hào)處理，它包括對(duì)接收信號(hào)的解碼識(shí)別、對(duì)有效數(shù)據(jù)的提取、對(duì)發(fā)射信號(hào)的編碼等；
2.—種將TCAS與S模式應(yīng)答機(jī)的收發(fā)電路集成在一起的方法，其特征在于將TCAS內(nèi) 部的發(fā)射與接收電路、S模式應(yīng)答機(jī)內(nèi)部發(fā)射和接收電路、TCAS和S模式應(yīng)答機(jī)發(fā)射/接收 電路集成在一塊大規(guī)模可編程邏輯電路FPGA上；
3.—種將TCAS與S模式應(yīng)答機(jī)的收發(fā)電路集成在一起的方法，其特征在于由FPGA內(nèi) 部的PLL(鎖相環(huán))來(lái)提供編解碼所需的定時(shí)時(shí)鐘信號(hào)，直接在FPGA內(nèi)部編寫(xiě)計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí) 現(xiàn)定時(shí)器，對(duì)于發(fā)射脈沖信號(hào)，我們使用多個(gè)FPGA內(nèi)的計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)；
4.一種將TCAS與S模式應(yīng)答機(jī)的收發(fā)電路集成在一起的方法，其特征在于在FPGA內(nèi) 部編寫(xiě)狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各脈沖數(shù)據(jù)的識(shí)別；
5.一種將TCAS與S模式應(yīng)答機(jī)的收發(fā)電路集成在一起的方法，其特征在于通過(guò)設(shè)置 緩沖區(qū)與優(yōu)先級(jí)來(lái)處理集成后收/發(fā)電路的沖突問(wèn)題以及多架飛機(jī)同時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題。
全文摘要
一種將TCAS與S模式應(yīng)答機(jī)收發(fā)電路的集成方法，針對(duì)以往系統(tǒng)收發(fā)電路結(jié)構(gòu)重復(fù)，造成成本提高、體積和重量大等缺點(diǎn)，使用一片大型FPGA將TCAS系統(tǒng)中的收發(fā)電路集成在一起，使用PLL(鎖相環(huán))提供定時(shí)時(shí)鐘信號(hào)，并且在FPGA內(nèi)部編寫(xiě)計(jì)數(shù)器以實(shí)現(xiàn)定時(shí)器，使用多個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)，并在FPGA內(nèi)編寫(xiě)狀態(tài)機(jī)識(shí)別脈沖信號(hào)；設(shè)置緩沖區(qū)和優(yōu)先級(jí)來(lái)解決系統(tǒng)的沖突和多架飛機(jī)同時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題；與以往系統(tǒng)相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方式靈活，可擴(kuò)展性強(qiáng)，最重要的是能夠更好的體現(xiàn)出系統(tǒng)一體化的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G08G5/04GK102063804SQ20091021896
公開(kāi)日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2009年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月16日
發(fā)明者史忠科, 李超 申請(qǐng)人:西安費(fèi)斯達(dá)自動(dòng)化工程有限公司