机载通信导航识别系统综合检测设备设计与实现*

童大鹏

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

0 引 言

通信导航识别(Communication，Navigation and Identification，CNI)系统是现代作战飞机航空电子系统中重要的基础功能组成部分，主要用于提供飞机与外界的话音和数据通信、飞行导航和起降引导以及敌我识别等任务功能。在机载电子设备的长期使用过程中，由于元器件指标漂移等原因，机载设备可能会出现发射功率、接收灵敏度等性能指标下降，此类性能指标的下降无法通过机内自检测(Build in Test，BIT)检测。同时,机上无源天线、连接电缆等硬件部分的故障也无法通过机内BIT进行检测。因此，需要配置外场检测设备，通过有线或无线检测的方式，覆盖CNI系统的硬件资源，弥补机内BIT检测能力的不足，通过指标测试分析，及早发现性能指标下降问题；在CNI系统出现故障时，与机内BIT结合，将故障准确隔离到现场可更换模块或单元(Line Replaceable Module/ Line Replaceable Unit，LRM/LRU)，提出维修策略和建议，对子系统维修提供有力支撑，同时在修复性维修完成后对维修效果进行确认。

当前各种平台飞机CNI系统功能多达数十种，频段覆盖宽，波形体制不同，带宽差异大，信号调制方式不一，从而导致CNI外场检测设备种类繁多，即使是模块综合化后的CNI外场检测设备，由于采用资源堆叠方式实现，综合化程度低，增加了转场保障的规模，不利于飞机机动部署和战时出动，而且也增加了寿命周期费用[1]。

基于航空电子系统的复杂性和能力增长快速的特性，新一代航空电子系统更加强调通过综合模块化航空电子(Integrated Modular Avionics，IMA)、先进航空电子体系结构(Allied Standard Avionics Architecture Council，ASAAC)等系统架构实现开放性[2]，在此基础上发展起来的CNI子系统加强模块的冗余备份和资源重构以提高传感器功能、执行任务的冗余度和可靠性[3]，从而对外场保障设备的系统集成、能力提升和故障隔离提出更高的要求。

基于上述需求和背景，本文提出了一种基于软件无线电架构的综合检测设备通用平台，具有高集成度和开放性特点，旨在解决传统保障设备功能设备化或功能模块化带来的体积大、不便于使用和检测功能升级等问题，同时为机载CNI系统设计提供参考。

1 平台设计需求分析

目前国内机载CNI系统的基本功能包括短波话音/数据通信、超短波语音/数据通信、卫星语音/数据通信、联合战术信息分发系统(Joint Tactical Information Distribution System，JTIDS)、塔康、罗盘、信标、精密测距、微波着陆、仪表着陆、无线电高度表、敌我识别询问/应答、航管应答等，扩展功能还有武器协同数据链、机间数据链、训练数据链、自动相关监视(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B)等。其工作频段分布在150 kHz～40 GHz之间，工作带宽、调制方式等各不相同。

传统的超外差设计架构是信号经模拟上下变频后生成窄带中频信号再进行信号和数据处理，由于需要多级混频电路和分段滤波，导致系统的射频前端部分复杂度极高，占用体积较大，并且功耗较高，且对如此宽频带的信号，该架构下的波形软件与射频前端电路紧耦合，波形扩展困难，信道资源基本无法复用。

根据国外航电系统的发展情况以及技术发展的趋势，射频系统的设计一直在朝着信道通用化、简约化、数字化的方向发展。将数字化环节由中频频段前移至射频频段，系统只配置少量宽带数字化信道，各项功能所需的信号通过宽带信道接收后，通过数字化处理进行分离，可以极大地简化射频信道部分的硬件需求。

根据软件无线电的设计思想，射频信号的数字化应该尽可能地靠近天线。但是在实际工程实践中，直接对天线接收信号进行数字化处理还无法实现。在进行系统架构设计时，首要的任务是划分射频信号处理与数字信号处理的界面，确定系统的数字化采样方案，不同的采样方式将决定射频处理部分的组成结构和复杂程度，也将影响其后数字信号处理的方式和对处理速度的要求。对射频模拟信号的采样有两种方法，一种是基于奈奎斯特定理的低通采样，另一种是带通采样，如图1所示。

图1 射频采样结构框图

射频低通采样结构如图1(a)所示，其射频处理前端采用全宽开设计。射频低通采样结构简单，射频前端电路少，是最为理想的实现方案。但该结构对模数(Analog/Digital，A/D)转换器的要求极高。设fmax为模拟信号最高频率，考虑前置超宽带低通滤波器矩形系数为r，根据奈奎斯特采样定理，则要求采样频率fs满足

fs≥2rfmax。

根据CNI波形特点，取fmax=2 GHz，r=2时，采样频率高达8 GHz。如此高速的A/D转换器，尤其是需要大动态、多位数时无法实现。同时，由于射频处理前端完全宽开，同时进入接收通道的信号数大幅上升，对动态范围的要求更高，工程实现难度极大。这种射频全宽开低通采样结构一般只适用于工作频率不高的场合，譬如短波(High Frequency，HF)频段。

射频带通采样结构如图1(b)所示。射频前端并不是全宽开，而是先由窄带带通滤波器选择所需信号进行放大后再进行带通采样，可有效提高接收通道信噪比，改善动态范围。该结构要求A/D转换器有足够高的模拟工作带宽，但对采样速率要求不高。和射频低通采样结构相比，该结构对后续的数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)处理速度要求也低得多[4]。

基于射频带通采样方案的宽带射频信道在接收信道部分主要完成宽带接收信号的低噪声放大、预选滤波、自动增益控制(Auto Gain Control，AGC)、A/D采样以及对数字采样信号的预处理。在发射部分主要完成发射信号的数模(Digital/Analog，D/A)转换和滤波放大，其设计的难点主要集中在接收信道部分。结合射频带通采样的要求，对接收通道进行细化，如图2所示。

图2 基于射频带通采样的接收信道框图

在该结构中，接收的射频信号先经过低噪声放大器进行放大。因为是宽带系统，对噪声的影响较为敏感，将预选带通滤波器置于第一级低噪放之后，可以降低整个系统的噪声系数，提高宽带接收系统的灵敏度。接收信号的检测在数字域完成，同时通过反馈环路对宽带AGC进行控制，再经放大和抗混叠滤波处理后，送入A/D转换器进行带通采样。

采用射频带通采样结构进行设计，去除了本振、混频器等模拟器件，射频处理前端硬件比较简洁，无需针对不同波形的需求设计专门的射频处理电路，可大幅降低系统的重量、体积和功耗；接收信道的主要功能均通过软件完成，在不修改硬件的条件下，只需更改软件即可实现多模信号的接收，提高了系统的灵活性和扩展性。

2 硬件平台总体设计

采用软件模块化思想进行CNI综合检测设备硬件的设计，如图3所示，硬件平台主要分为综合数字信道化模块、射频前端模块、声码话模块、高度表模块、时密模块和电源模块。

图3 CNI综合检测设备硬件平台总体设计框图

(1)综合数字信道化模块作为整个设备的核心，负责对射频已调信号进行A/D变换为基带信号，或是将基带信号D/A变换为射频信号；实现各种模式的调制/解调、解扩/解跳、纠错编译码、波束包络处理、时间测量等功能。同时，其也是主机的控制核心。该模块包括2个相同的数字信号处理通道，每个通道可被分配一个或多个特定任务或服务，形成可重构、可配置的标准信号处理平台，通过对通用处理通道的配置，可成为某一特定CNI检测功能的信号处理平台。

(2)射频前端模块实现150 kHz～35 GHz之间频段的天线接口适配及处理，主要完成收发射频信号的放大、滤波、增益控制，UV频段、L频段、S频段、C频段、K/Ka频段收发射频信号的上下变频、放大、滤波、增益控制，产生高精度校准源信号，完成各收通道信号校准和各发射通道的功率检测，产生全系统参考钟。

(3)声码话模块用于UV频段、HF、JTIDS、UHF频段卫通、S频段卫通、Ka频段卫通、机间数据链(Intra-flight Data Link，IFDL)、搜救、JTIDS音频编解码处理。

(4)高度表模块用于对高度的模拟。

(5)时密模块完成识别卡信息的读取。

(6)电源模块为整个设备完成电源滤波及供电。

3 硬件平台主要模块设计

在设计硬件平台时，选用的元器件均充分考虑体积小、重量轻、功耗低、环境适应性和可靠性高等要求。并且，平台中所有元器件均考虑国产化要求，并尽量选用最小封装的器件信号，使得设备具有良好的扩展性、高集成度等特点。

3.1 综合数字信道化模块

作为整个检测设备核心模块，所选用的基带数据处理模块、射频信号收发模块关系到整个检测平台是否能够良好运行。对于实时性、可靠性要求较高的CNI综合检测设备，选用器件必须具有极强的运算能力、较好的稳定性和扩展能力。

根据所需检测功能各资源配置情况分析，综合数字信道化模块具备1个处理器单元，采用PowerPC+FPGA架构；2个信号处理通道，采用FPGA+ZYNQ的硬件架构；射频信号收发通道采用捷变频架构；低速数模/模数转换则采用低通采样和射频直采芯片。该架构满足所有检测功能所需信号处理及信息处理资源，且资源平台可复用，PowerPC及FPGA外挂NOR FLASH和NAND FLASH，将各检测功能线程软件按地址段顺序排列存入到FLASH中，当需进入某项检测功能时，通过FPGA切换地址，将所需检测功能软件加载到DDR中并跳转执行，从而在通用的硬件平台上实现检测功能软件可重构、可配置。

PowerPC采用NXP公司的P2020处理器，运行频率为1.2 GHz的双Power ArchitectureTMe500v2内核。

处理器存储单元设计如下：

(1) Cache——支持2级cache；

(2) SDRAM——采用DDR3存储器，容量为256 MB，支持ECC检验；

(3) 程序存储器——通过GPCM控制模式，采用NOR FLASH，容量为256 MB；

(4) 数据存储器——采用并行 FLASH，容量为64 GB，写入速率为1 MB/s。

处理器单元外部接口采用SGMⅡ、串行Rapid IO和高速USART-422接口，将16位地址/数据复用的LocalBus总线与FPGA连接，将双向4组传输速率为50 Mb/s/line的LVDS总线与FPGA连接，并预留双向16根GPIO离散线。工业无线数传采用Zigbee模块，输出功率最大为8 dBm，工作频段覆盖2.380～2.500 GHz，设置20个通信频段，避开对周边无线信号的干扰。

射频信号收发模块由AD9361捷变频收发一体机完成四通道接收和四通道发射射频信号功能。AD9361工作频段为70 MHz～6 GHz，支持通道带宽为200 kHz～56 MHz，芯片内部集成射频放大器、发射和接收通道的频率合成器、混频器、模拟滤波器、数据转换器等。射频前端模块由巴伦电路组成，实现射频信号的接收与发送、单端信号与差分信号的转换，输入输出的基带数字信号则与FPGA的可配置IO引脚相连。AD9361的配置函数采用统一软件接口函数，并开放给各检测功能，在功能软件加载成功后，由各检测功能软件配置AD9361的信号带宽、增益和模式，实现了零中频变频统一处理的通用平台架构。

3.2 射频前端模块

CNI综合检测设备硬件平台涉及多种频段的传感器检测功能，包括HF频段、UV频段、L频段、S频段、C频段、K频段和Ka频段，每个频段带宽及指标均有不同。针对以上特点，本文采用一种可重构的射频前端设计方法，合理分配各频段的上下变频、功率放大、滤波和增益控制，将这些收发系统统一到通用平台。

射频前端的设计采用了直接射频采样、零中频采样和宽带中频采样三种设计架构。射频前端的可重构化，重点是实现关键器件的可重构化，包括预选器、滤波器、放大器、VCO等等[5]。射频前端模块主体框架如图 4所示，主要由接口控制板、DC-DC电源组件、各个频段收发通道和参考源组成。

图4 射频前端模块设计框图

以UV通道为例进行设计分析。UV频段收发通道原理图如图 5所示，UVR和UVT是与综合数字信道化模块收发中频信号的模拟接口，校准通道用于独立校准射频前端模块的收发通道。

图5 UV频段收发通道原理框图

3.2.1 UV频段接收链路设计

(1)UV接收增益、P-1输出、UV接收动态：根据总体指标分解，通过设计及选型射频开关、电调滤波器、程控衰减器、限幅器、混频器、低通滤波器、声表滤波器、π衰的增益、输入及输出功率，得到的链路增益满足接收增益的指标要求，P-1满足接收输出的指标要求。

(2)UV接收抗烧毁功率：接收抗烧毁功率由低噪放前的限幅器保证，限幅器的最大输入功率、限幅电平均需低于低噪放的最大允许输入功率。

(3)UV接收噪声系数：将接收链路器件指标代入噪声系数计算软件，调整器件选型，得到的噪声系统需满足指标要求。

(4)UV接收增益控制：UV接收增益选用器件的工作频率、衰减步进、精度和可控衰减量均需满足技术指标要求，并且精度要小于指标要求的75%。

(5)UV接收镜频抑制：由接收输入端的两级电调滤波器保证。

(6)UV接收杂散抑制：采用高本振变频，通过计算本振频率，使得中频滤波器带内无杂散。

(7)UV接收滤波器：采用电调滤波器，通带频率覆盖UV功能频率范围，1.5 dB带宽为3.5%，插损≤5 dB，带外抑制≥25 dB@f0±20%×f0(f0为测试点的中心频率)，通过功率≤1 W，跳频速率≤10 μs，控制方式选用TTL电平。

3.2.2 UV频段发送链路设计

(1)UV发射增益、输出电平、输出P-1：通过合理选用射频开关、π衰、31 dB程控衰减、LNA低噪放、电调滤波器的输入输出功率和增益，满足UV发射通道指标要求。

(2)UV发射增益控制：UV发射增益控制采用数控衰减器实现，其衰减控制可满足衰减步进1 dB，衰减范围30 dB，衰减精度≤±1 dB的指标要求。

(3)UV发射谐杂波抑制：谐波及杂散由输出端的电调滤波器进行抑制，谐杂波≥60 dBc。

通过以上电路分析可知，工作在UV频段的检测功能均可在配置射频前端资源的情况下实现UV射频前端资源共用。

4 CNI检测功能信号实现

CNI综合检测设备涉及的功能较多，本文在通信导航识别三大类检测功能中各选取一种功能进行描述。

4.1 超短波话音信号实现

发送话音过程，声码话模块完成模拟话音的数字化采集并输出至FPGA。FPGA对收到的数字音频信号按不同的模式进行编码、送保密机加密，输出数字中频信号。超短波功能软件接收到系统下发的话音发射指令后，处理过程描述如图6所示。

接收话音过程，FPGA收到数字IQ基带信号，根据模式选择相应的方式解调后，恢复可识别的话音帧格式，再解密后送至声码话模块恢复至模拟话音信号，驱动耳机发声，处理过程描述如图6所示。

(a)超短波话音发送信号

(b)超短波话音接收信号图6 超短波话音收发信号实现原理框图

4.2 塔康信号实现

对机载设备发出的询问信号送至FPGA进行数字下变频、数字包络检波和功率检测，检波器输出的信号叠加了噪声和干扰的信号，经过脉冲限幅、整形处理，询问脉冲检测到后，启动距离延迟控制，产生应答脉冲。塔康基带信号处理由脉冲产生、15 Hz/135 Hz包络产生及AM调制模块完成。塔康信号包含了主辅基准脉冲、台识别脉冲、应答脉冲(或A/A模式下的询问脉冲)及填充脉冲，输出的是15 Hz、135 Hz合成包络调制的信号。输出的信号经过数模变换后，直接形成塔康射频发射信号。其实现框图如图7所示。

图7 塔康信号实现原理框图

4.3 航管应答信号实现

航管应答检测信号包括询问信号的模拟和应答信号的接收处理，有A、C两种模式：对于询问信号的产生，通过接口控制单元切换选择脉冲发生器；对于应答信号的接收，首先通过包络检波、门限检测，确定脉冲或脉冲对信号以后，按照A或C模式的框架检测脉冲对以及译码应答信号。其实现原理框图如图 8所示。

图8 航管应答信号实现原理框图

5 工程验证

本文设计的CNI综合检测设备，可以产生及接收短波话音/数据通信、超短波语音/数据通信、卫星语音/数据通信、JTIDS、武器协同数据链、机间数据链、训练数据链、塔康、罗盘、信标、精密测距、微波着陆、仪表着陆、无线电高度表、敌我识别询问/应答、航管应答等多种功能的信号格式，原理样机及模块如图9所示。

图9 原理样机及模块实物图

在实验室常温测试条件下，按产品规范对CNI综合检测设备进行测试，将CNI综合检测设备的射频端口输出至频谱分析仪(型号为N9030B)，并设置频谱分析仪相关参数(参考电平、频率、扫频宽度、分辨率带宽和扫描时间)，观察超短波话音信号、塔康功能信号和航管功能信号，试验结果如图10所示。

图10 功能波形测试结果

以某型CNI检测设备为例，分别采用模块化、软件无线电架构进行系统方案设计，系统质量、体积、功耗、模块数量、可靠性指标、二级维护能力等方面的设计结果如表1所示。

表1 采用两种架构设计的对比

6 结束语

本文提出的CNI综合检测设备采用高集成度开放式软硬件体系架构设计，综合了HF、UV、L、C、S、K和Ka等频段，在一个通用硬件平台上内完成通信、导航和识别等20余项检测功能，综合化程度高，技术难度大，使得外场保障设备的种类减少，操作难度降低，维修性提高，可以有效提高装备的可用性，减少机载设备的保障规模。内部采用通用总线互联，极大地提升了设备的扩展性和重构性，设备稳定可靠，满足工程使用要求。其高度综合集成设计技术可用于各种地面保障设备平台，并可推广到机载设备的平台开发，降低开发周期及费用，提高装备研制的及时性、部署性，具有极大的经济效益和广泛的应用前景。今后可在航空电子内外场检测能力提升等方面开展研究以进一步提高设备的集成度和测量精度。