基于EPLD的單脈沖二次雷達(dá)應(yīng)答處理器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

用EPLD實(shí)現(xiàn)的單脈沖二次雷達(dá)應(yīng)答處理器。其主要功能包括：應(yīng)答框架脈沖檢測，應(yīng)答信息解碼，將應(yīng)答信息裝配成飛機(jī)的同步應(yīng)答組形成目標(biāo)報(bào)告，丟棄非同步虛假應(yīng)答。

1 一次雷達(dá)與二次雷達(dá)

二次雷達(dá)與一次雷達(dá)基本上是并行發(fā)展的。與一次雷達(dá)相比，二次雷達(dá)有回波強(qiáng)、無目標(biāo)閃爍效應(yīng)、詢問波長與應(yīng)答波長不等的特點(diǎn)，從而消除了地物雜波和氣象雜波的干擾。單脈沖技術(shù)應(yīng)用于二次雷達(dá)，可以方便地基于多個(gè)波束對目標(biāo)測量，進(jìn)而有效地增加數(shù)據(jù)冗余度，提高角度測量的精度。對應(yīng)答處理而言，單脈沖技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了在混疊或交織情況下對應(yīng)答碼的解碼能力，使單脈沖二次雷達(dá)與常規(guī)二次雷達(dá)相比實(shí)現(xiàn)了一次質(zhì)的飛躍。

二次雷達(dá)與一次雷達(dá)的根本區(qū)別是工作方式不同。一次雷達(dá)依靠目標(biāo)對雷達(dá)發(fā)射的電磁波的反射機(jī)理工作，它可以主動(dòng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并對目標(biāo)定位;二次雷達(dá)則是在地面站和目標(biāo)應(yīng)答機(jī)的合作下，采用問答模式工作。目前的航管二次雷達(dá)共有七種詢問模式，分別稱為1、2、3/A、B、C、D和S模式。根據(jù)詢問脈沖P1與P3 的間距決定（S模式除外）各種詢問模式。

機(jī)載應(yīng)答機(jī)發(fā)出的應(yīng)答碼由16個(gè)信息碼位組成，這些碼位的代號(hào)依次是 F1、C1、A1、C2、A2、C4、A4、X、B1、D1、B2、D2、B4、D4、F2 和SPI。每個(gè)碼位都有兩種狀態(tài)，即有脈沖或無脈沖。有脈沖時(shí)為“1”，無脈沖時(shí)為“0”。F1與F2的0.5電平處的脈沖前沿間隔為 20.3±0.1μs，稱為框架脈沖，它們是二次雷達(dá)應(yīng)答信號(hào)的標(biāo)志脈沖，均恒為“1”狀態(tài)。X位是備用狀態(tài)，恒為“0”。兩個(gè)框架脈沖（F1與F2）之間的12個(gè)信息碼位，可以編成4 096個(gè)獨(dú)立的應(yīng)答碼。SPI是特殊定位識(shí)別碼，當(dāng)兩架飛機(jī)相互接近或者應(yīng)答碼相同時(shí)，調(diào)度員可以要求其中的一架飛機(jī)在已回答的12個(gè)碼位基礎(chǔ)上再增加一個(gè)SPI脈沖，以便準(zhǔn)確識(shí)別。二次雷達(dá)應(yīng)答信號(hào)組成如圖1所示。

2 應(yīng)答處理器系統(tǒng)組成

單脈沖二次雷達(dá)應(yīng)答信號(hào)處理的基本流程如圖2所示。

在視頻預(yù)處理器中，和與差支路的∑、△視頻信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字化處理后，變成兩組8位的數(shù)字信號(hào)傳送給應(yīng)答處理機(jī);將∑接收單元與△接收單元的信號(hào)經(jīng)相位鑒別器，生成表示目標(biāo)在波束中心左側(cè)或右側(cè)的軸向指示信號(hào)BI（2位），送應(yīng)答處理器;∑與Ω兩視頻幅度進(jìn)行比較，產(chǎn)生表示應(yīng)答為旁瓣應(yīng)答還是主瓣應(yīng)答的RSLS（1位）;接收信號(hào)經(jīng)6dB檢測、反窄處理、二分層產(chǎn)生PSV（處理后的和視頻，1位）。視頻預(yù)處理器產(chǎn)生上述信號(hào)并輸入給應(yīng)答處理機(jī)，進(jìn)行框架檢測、和差比計(jì)算、碼裝配等處理，最終形成應(yīng)答報(bào)告輸出給點(diǎn)/航跡處理計(jì)算機(jī)。應(yīng)答處理機(jī)系統(tǒng)的組成如圖3。

在應(yīng)答處理機(jī)中選用了Lattice公司的EPLD作為主處理芯片（ispLSI1032E）。該芯片有64個(gè)I/O端，8個(gè)指定輸入端，6 000個(gè)邏輯門，192個(gè)寄存器，最大時(shí)延≤12ns，通過簡單的5線接口，即可用PC機(jī)對線路板上菊花鏈結(jié)構(gòu)的最多8個(gè)芯片進(jìn)行編程。PC104是嵌入式計(jì)算機(jī)，其CPU是一片兼容的64位第六代處理器，運(yùn)行速度可達(dá)300MHz，其圖形處理器可支持各種LCD及TFT顯示屏，同時(shí)支持PS/2鍵盤、 PS/2鼠標(biāo)、兩串行接口、一并行接口、USB接口、聲卡功能。

應(yīng)答處理機(jī)的工作原理：1位PSV、8位和視頻、8位差視頻、2位軸向指示及1位接收旁瓣抑制信號(hào)，在經(jīng)過輸入緩沖并與系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)同步后，其中的PSV 信號(hào)進(jìn)入邊沿產(chǎn)生電路，所產(chǎn)生的前沿延遲一個(gè)框架時(shí)間（20.3μs）后與未延遲的前沿信號(hào)相與給出目標(biāo)框架，啟動(dòng)4個(gè)解碼器中處于空閑狀態(tài)的裝配器開始解碼工作，產(chǎn)生解碼需要的定時(shí)脈沖序列。同時(shí)和視頻、差視頻、軸向指示、旁瓣抑制信號(hào)送入視頻采樣電路，經(jīng)過視頻采樣產(chǎn)生的SVA（和視頻幅度）和 DVA（差視頻幅度）經(jīng)和差比計(jì)算電路產(chǎn)生SDR值，SVA、DVA、SDR送數(shù)字寄存器進(jìn)行延遲，延遲及未延遲的SVA、SDR、軸向指示、接收旁瓣抑制和目標(biāo)前沿信號(hào)一起送入代碼裝配器，在定時(shí)脈沖的作用下，對目標(biāo)應(yīng)答信息進(jìn)行解碼、去除幻影應(yīng)答、解旁瓣應(yīng)答和軍事告急應(yīng)答。經(jīng)過進(jìn)一步相關(guān)、確認(rèn)和修正后，將目標(biāo)的SVA和SDR代碼、綜合的代碼置信度信息及一些標(biāo)志信息送代碼裝配總線，在輸出控制的情況下依次寫入先進(jìn)先出（FIFO），PC機(jī)依次讀出GPS時(shí)間信息及FIFO中的目標(biāo)報(bào)告。

3 系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)

3.1 旁瓣抑制與邊沿提取

近距離的飛機(jī)能夠被天線的旁瓣探測到，但如果沒有特殊的旁瓣抑制措施，就會(huì)使地面接收裝置接收到來自旁瓣的應(yīng)答信息，從而夸大飛機(jī)的數(shù)量。P2作為旁瓣抑制脈沖由Ω通道發(fā)射，在天線的主瓣波束內(nèi)，P1與P3的幅度會(huì)高于P2，而在天線的旁瓣內(nèi)，P2會(huì)高于P1與P3，機(jī)載應(yīng)答機(jī)根據(jù)P1、P3與P2的幅度關(guān)系決定是否做出應(yīng)答，對旁瓣內(nèi)的詢問不予應(yīng)答。

單脈沖二次雷達(dá)的PSV信號(hào)是由接收機(jī)和通道（∑）內(nèi)的應(yīng)答信號(hào)，經(jīng)過特定門限電平進(jìn)行二值化處理后輸出的0或1電平。前后沿的提取，可以將PSV信號(hào)輸入兩個(gè)寄存器，通過與門電路實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)電路如圖4所示。

ALE與ATE分別是與時(shí)鐘脈寬（0.1208μs）相同的前沿與后沿。當(dāng)PSV信號(hào)的寬度大于一個(gè)應(yīng)答碼的寬度時(shí)，就認(rèn)為接收到的是兩個(gè)或多個(gè)脈沖的混疊，于是產(chǎn)生了一個(gè)偽前沿（PLE）。PLE的產(chǎn)生時(shí)間是從ATE開始向前數(shù)四個(gè)時(shí)鐘周期（因?yàn)橐粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)的脈沖寬度為四個(gè)時(shí)鐘周期），如果PSV的脈寬更長，可認(rèn)為有更多個(gè)應(yīng)答脈沖的交疊，一個(gè)額外前沿（XLE）在ALE與PLE之間產(chǎn)生，在以后的處理中只用于幫助判斷結(jié)果的正確性。前沿與PSV的關(guān)系如圖5所示。

3.2 視頻采樣

視頻采樣分為ALE采樣與PLE采樣。

ALE采樣使用了4×4寄存器陣列，這樣就能夠存儲(chǔ)多于一個(gè)的采樣值。為確保寄存器陣列的建立與保持時(shí)間，ALE脈沖經(jīng)一級觸發(fā)后，由延遲器產(chǎn)生一個(gè) 40μs的延遲，并限制寫脈沖到30μs。寄存器陣列的寫地址由4位計(jì)數(shù)器產(chǎn)生，每個(gè)采樣脈沖計(jì)數(shù)器加1。PLE采樣與ALE采樣電路不同之處是它只需要存儲(chǔ)一個(gè)PLE采樣值。本系統(tǒng)的采樣時(shí)鐘為8.276MHz。

3.3 SDR計(jì)算

由于SDR模塊中采用了對數(shù)運(yùn)算，所以在進(jìn)行和幅度與差幅度比值的運(yùn)算時(shí)，只需要將差信號(hào)反相后接在加法器的輸入端。除在波束中心外的和信號(hào)小于差信號(hào)外，△-∑在波束中心出現(xiàn)負(fù)峰值，所以在負(fù)峰值最大處為波束的中心。根據(jù)其他△-∑的值并參照負(fù)峰值，可轉(zhuǎn)化為偏離波束中心的角度。

3.4 框架檢測與應(yīng)答解碼

正常情況下，兩個(gè)框架脈沖的間隔為20.3±0.1μs，因此，一個(gè)框架就認(rèn)為兩個(gè)前沿間有167、168或169個(gè)時(shí)鐘周期。本系統(tǒng)框架脈沖的檢測是根據(jù)比較延時(shí)的前沿與非延時(shí)情況下的重合情況，如圖6所示。延時(shí)的前沿對應(yīng)于框架脈沖F1，非延時(shí)的前沿對應(yīng)脈沖F2，F(xiàn)1相對于F2延時(shí)20.3μs。由于F2相對于F1有3個(gè)時(shí)鐘脈沖的變化范圍，所以F2與F1的前沿延時(shí)167、168或169個(gè)時(shí)鐘周期的任一個(gè)對齊，都認(rèn)為是一個(gè)正確的框架。

以下三種情況下框架檢測將被禁止：

（1）F1、F2都是來自旁瓣的應(yīng)答信號(hào);

（2）兩個(gè)相鄰的框架之間的間隔小于3個(gè)時(shí)鐘周期;

（3）S模式的頭應(yīng)答被檢測到，框架檢測間被禁止120μs，因?yàn)橐粋€(gè)S模式應(yīng)答持續(xù)120μs。

應(yīng)答信息相互交織產(chǎn)生幻影框架，如圖7所示。假如只用框架脈沖間的時(shí)間間隔為20.3μs的原則檢測，可檢測到4個(gè)框架脈沖對，框架檢測器不能區(qū)分“虛假”框架和來自飛機(jī)的真實(shí)框架脈沖對。

補(bǔ)救措施是同時(shí)只處理兩個(gè)應(yīng)答。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)應(yīng)答被檢測到，隨后21μs中檢測到的應(yīng)答為臨時(shí)應(yīng)答，如果另外又發(fā)現(xiàn)一個(gè)重疊應(yīng)答，這個(gè)臨時(shí)應(yīng)答就被取消此過程重復(fù)進(jìn)行，直到檢測到最后一個(gè)應(yīng)答，此應(yīng)答被保留。因?yàn)榈谝粋€(gè)檢測到的框架肯定是真實(shí)應(yīng)答，沒有更早的脈沖產(chǎn)生錯(cuò)誤框架。同樣，最后一個(gè)框架肯定是真實(shí)應(yīng)答，沒有更晚的脈沖能產(chǎn)生錯(cuò)誤框架，中間檢測到的框架是可疑的，假定它們不正確。

當(dāng)一個(gè)正確的框架被檢測到，接下來的任務(wù)就是檢測此次應(yīng)答碼的內(nèi)容。首先，解碼過程依據(jù)每個(gè)應(yīng)答碼間的時(shí)間間隔都是1.45μs，SPI與F2間的時(shí)間間隔是4.35μs，因此在離框架脈沖各個(gè)應(yīng)答碼可能出現(xiàn)的位置上檢測是否有應(yīng)答脈沖出現(xiàn)?？紤]到每個(gè)應(yīng)答碼與框架脈沖間的時(shí)間間距有一定的允許誤差，在距框架脈沖相應(yīng)的應(yīng)答碼出現(xiàn)的位置上，提前或延后一個(gè)時(shí)鐘周期都認(rèn)為是正確應(yīng)答碼的位置。將相對于框架脈沖可能出現(xiàn)應(yīng)答碼的位置上的值與框架脈沖（非旁瓣脈沖）比較，得出應(yīng)答碼為1或0，有以下幾種情況：

（1）高置信度0：在應(yīng)答碼出現(xiàn)的地方?jīng)]有檢測到應(yīng)答脈沖的存在，若僅以幅度測量，則僅出現(xiàn)低幅度值。

（2）高置信度1：在應(yīng)答碼出現(xiàn)的地方出現(xiàn)主波束內(nèi)的應(yīng)答碼，幅度與其對應(yīng)的參考脈沖相關(guān)，與其他應(yīng)答的參考脈沖不相關(guān)。

（3）低置信度0：若此應(yīng)答脈沖被標(biāo)記為旁瓣應(yīng)答脈沖或此應(yīng)答脈沖與相應(yīng)的參考脈沖不相關(guān)，則與其他應(yīng)答的參考脈沖相關(guān)。

（4）低置信度1：主波束應(yīng)答碼存在，但與參考脈沖不相關(guān)或與另外應(yīng)答的參考脈沖相關(guān)，或既與相應(yīng)的應(yīng)答框架相關(guān)又與另外的框架相關(guān)。

3.5 碼裝配

碼裝配包括SVA代碼裝配器和SDR代碼裝配器兩部分。SVA代碼裝配器的功能根據(jù)SVA平均值進(jìn)行置信度確定，產(chǎn)生對應(yīng)的置信度碼位;SDR代碼裝配器的功能是檢測到一個(gè)框架對 F1、F2時(shí)，便檢查該應(yīng)答脈沖的內(nèi)容。對每個(gè)代碼位，根據(jù)SDR 平均值進(jìn)行置信度確定，產(chǎn)生對應(yīng)的置信度碼位，然后將該代碼和置信度位與來自SVA裝配器的相應(yīng)位進(jìn)行組合。

因?yàn)樽疃嗄芡瑫r(shí)處理四個(gè)應(yīng)答，故有四組相同的SVA代碼裝配器和SDR代碼裝配器。其主要工作原理是：為了求得SVA的平均值，需要在一個(gè)應(yīng)答的起始時(shí)刻建立一個(gè)SVA的參考值。一般情況下，以F1為參考值，若F1為旁瓣應(yīng)答或反射應(yīng)答，則用F2為參考值。當(dāng)應(yīng)答碼與參考值相比，得到一個(gè)高置信度碼時(shí)，產(chǎn)生的SVA值才被認(rèn)為是一個(gè)應(yīng)答碼。SDR的工作過程與SVA類似。把SVA代碼/置信度與相應(yīng)的SDR代碼/置信度進(jìn)行組合，串行輸出的代碼和置信度碼經(jīng)過串-并轉(zhuǎn)換輸出到FIFO，計(jì)算機(jī)（PC104）讀取FIFO的內(nèi)容，送給點(diǎn)/航跡計(jì)算機(jī)處理，顯示飛機(jī)的相關(guān)信息。

二次雷達(dá)在民航系統(tǒng)和軍用敵我識(shí)別系統(tǒng)中起著非常重要的作用。隨著飛機(jī)密度的增加，對二次雷達(dá)的性能提出了更高的要求。利用上述應(yīng)答處理器，使單脈沖二次雷達(dá)達(dá)到≥400批/天線轉(zhuǎn)的處理能力，同時(shí)提高了處理精度，減小了系統(tǒng)的體積，增加了靈活性。