CN108574565B - 一种s模式发射机信号质量检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种S模式发射机信号质量检测装置及方法，涉及发射机检测技术领域，包括电源管理、用于将ADS‑B发射机发射的射频信号转换为线性电压信号的缓冲单元、用于对一路线性电压信号进行信号放大和直流电压偏置的转换单元、用于对另一路线性电压信号进行同步头检测和PPM解码后组装成ADS‑B数据报文，并对放大和直流电压偏置后的模拟电压信号进行采样后转换为数字信号的解码单元、用于读取模数转换部分的数字信号和接收ADS‑B数据解码部分输出的ADS‑B数据报文，并进行分析和处理后输出的控制单元，本发明解决了现有技术无法快速、定性地检测ADS‑B发射机状态和无法精确地、定量地获得ADS‑B发射机参数的问题。
Description
技术领域
本发明涉及发射机检测技术领域，特别涉及一种S模式发射机信号质量检测装置及方法。
背景技术
ADS-B发射机是一种能发送航空器ADS-B广播信息的装置，具有将航空器的航班号、ICAO地址、经纬度、高度、速度、升降率、航向等信息以广播的形式向外发送的功能。
目前，ADS-B发射机一般通过发送信号到另一接收端来判断是否正常工作，实施起来比较麻烦，很费时间，市场上也还未出现有可以对ADS-B发射机进行专业的全面检测的设备，无法准确地判断ADS-B发射机某一指标或参数是否正常，因此，有必要设计一种可以对ADS-B发射机进行快速并全面检测的设备。
发明内容
本发明的目的在于：提供了一种S模式发射机信号质量检测装置及方法，解决了现有技术无法快速、定性地检测ADS-B发射机状态和无法精确地、定量地获得ADS-B发射机参数的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种S模式发射机信号质量检测装置，包括电源管理、缓冲单元、转换单元、解码单元、控制单元、输出单元；
缓冲单元：用于将ADS-B发射机发射的射频信号转换为线性电压信号；
转换单元：用于对一路线性电压信号进行信号放大和直流电压偏置；
解码单元：用于对另一路线性电压信号进行同步头检测和PPM解码后组装成ADS-B数据报文，并对放大和直流电压偏置后的模拟电压信号进行采样后转换为数字信号；
控制单元：用于读取模数转换部分的数字信号和接收ADS-B数据解码部分输出的ADS-B数据报文，并进行分析和处理后输出。
进一步地，所述缓冲单元包括用于将ADS-B发射机发射的射频信号进行衰减的衰减器和用于将衰减后的信号进行线性检波的对数检波器。
进一步地，所述转换单元包括对一路线性电压信号进行信号放大的运算放大器和对放大后的电压信号进行直流电压偏置的基线偏置。
进一步地，所述解码单元包括ADS-B数据解码部分和模数转换部分。
更进一步地，所述ADS-B数据解码部分包括对另一路线性电压信号进行数字化处理的1bit数字化模块、对数字脉冲信号进行同步头检测和PPM解码的解码器，以及对解码后的信号进行组装的ADS-B数据输出模块。
更进一步地，所述模数转换部分包括对模拟电压信号进行采样后转换为数字信号的模数转换器、存储数字信号的FIFO存储器，以及为模数转换器和FIFO存储器提供同步工作时钟SCLK的时钟逻辑模块。
更进一步地，所述解码器与FIFO存储器之间还设置有采样闭锁模块。
进一步地，所述输出单元包括键盘和显示屏，配合完成整个系统的指标、波形显示以及交互式参数设置。
一种S模式发射机信号质量检测方法，包括以下步骤：
步骤1：将ADS-B发射机发射的射频信号转换为线性电压信号并输出；
步骤2：对一路线性电压信号进行信号放大和直流电压偏置；
步骤3：对另一路线性电压信号进行同步头检测和PPM解码后组装成ADS-B数据报文，并对放大和直流电压偏置后的模拟电压信号进行采样后转换为数字信号；
步骤4：读取模数转换部分的数字信号和接收ADS-B数据解码部分输出的ADS-B数据报文，并进行分析和处理后输出。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.一种S模式发射机信号质量检测装置及方法，能精确、定量地获得发射机的功率大小、每个PPM编码发射脉冲的波形参数和单个脉冲的功率大小，同时还能将波形和测试的参数结果直观的显示出来，便于使用者查看；
2.本发明不仅可以在外场快速定性地检测发射机的状态，还能作为一种专用的内场检测设备；
3.本发明模数转换部分包括存储数字信号的FIFO存储器，使用者可以在数据未更新前反复从FIFO存储器中读取之前采集到的数据，再以文本或图形的方式显示出来，方便后续查阅使用；
4.本发明模数转换部分还包括为模数转换器和FIFO存储器提供同步工作时钟SCLK的时钟逻辑模块，模数转换器在采集完一帧ADS-B信号后停止后续数据保存以便控制单元及时读取FIFO存储器中的数据；
5.本发明ADS-B数据解码部分包括对另一路线性电压信号进行数字化处理的1bit数字化模块，该1bit数字化模块可以简易且有效地将模拟信号转换为数据流信息。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是一种S模式发射机信号质量检测装置的原理框图；
图2是本发明对数检波器的输出线性图；
图3是本发明FIFO存储器的结构图；
图4是本发明1bit数字化的原理图；
图5是步骤7的解码器工作流程图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
下面结合图1至图5对本发明作详细说明。
一种S模式发射机信号质量检测装置，包括电源管理、缓冲单元、转换单元、解码单元、控制单元、输出单元；
缓冲单元：用于将ADS-B发射机发射的射频信号转换为线性电压信号；
转换单元：用于对一路线性电压信号进行信号放大和直流电压偏置；
解码单元：用于对另一路线性电压信号进行同步头检测和PPM解码后组装成ADS-B数据报文，并对放大和直流电压偏置后的模拟电压信号进行采样后转换为数字信号；
控制单元：用于读取模数转换部分的数字信号和接收ADS-B数据解码部分输出的ADS-B数据报文，并进行分析和处理后输出。
进一步地，所述缓冲单元包括用于将ADS-B发射机发射的射频信号进行衰减的衰减器和用于将衰减后的信号进行线性检波的对数检波器。
进一步地，所述转换单元包括对一路线性电压信号进行信号放大的运算放大器和对放大后的电压信号进行直流电压偏置的基线偏置。
进一步地，所述解码单元包括ADS-B数据解码部分和模数转换部分。
更进一步地，所述ADS-B数据解码部分包括对另一路线性电压信号进行数字化处理的1bit数字化模块、对数字脉冲信号进行同步头检测和PPM解码的解码器，以及对解码后的信号进行组装的ADS-B数据输出模块。
更进一步地，所述模数转换部分包括对模拟电压信号进行采样后转换为数字信号的模数转换器、存储数字信号的FIFO存储器，以及为模数转换器和FIFO存储器提供同步工作时钟SCLK的时钟逻辑模块。
更进一步地，所述解码器与FIFO存储器之间还设置有采样闭锁模块。
进一步地，所述输出单元包括键盘和显示屏，配合完成整个系统的指标、波形显示以及交互式参数设置。
一种S模式发射机信号质量检测方法，包括以下步骤：
步骤1：将ADS-B发射机发射的射频信号转换为线性电压信号并输出；
步骤2：对一路线性电压信号进行信号放大和直流电压偏置；
步骤3：对另一路线性电压信号进行同步头检测和PPM解码后组装成ADS-B数据报文，并对放大和直流电压偏置后的模拟电压信号进行采样后转换为数字信号；
步骤4：读取模数转换部分的数字信号和接收ADS-B数据解码部分输出的ADS-B数据报文，并进行分析和处理后输出。
本发明的工作原理为：
ADS-B发射机发射的射频信号接入到本装置的射频端口，通过装置缓冲单元的衰减器后，将发射机的输出信号减少到0dBm以下，然后输入到对数检波器AD8313，对数检波器在-60～0dBm输入信号范围内获得20mV/dB的线性检波电压信号并输出，为精确的功率测量提供基础。
对数检波器检波后的信号分为两路输出：一路输出到转换单元，由运算放大器LT1801组成的信号调理电路进行信号放大，再由基线偏置进行直流电压偏置，直到适合模数转换部分的模数转换器ADS830可采集的范围内才输出；另一路则输出到解码单元的ADS-B数据解码部分，对ADS-B信号进行同步头检测和PPM解码。
根据图2的对数检波器的输出线性图，由于对数检波器AD8313在-60dBm输入信号时，检波直流输出电压在0.5V左右，而在最大0dBm输入时，检波直流输出电压在1.7V左右，因此，整个60dB线性输入动态范围内最大变化电压为：△V＝1.7-0.5＝1.2V。所以，把信号调理电路放大倍数设置为2/1.2＝1.67倍，正好适合模数转换器ADS830的2V满幅度Vpp输入范围，然后将模数转换器ADS830的分辨率设计为最大：2V/28＝7.8125mV。
再根据以上公式，将对数检波器的检波线性度斜率设计为20mV/dB，在整个60dB动态范围内，每毫伏电压等效为功率值为：60dB/2000mV＝0.03dB/mV，由于模数转换器的分辨率为7.8125mV，则理论设计功率分辨率为7.8125*0.03＝0.234375dB，在实际需求中完全能够满足内外场检测的需要。
由于模数转换器ADS830使用差分参考电压方式，共模端直流电压为2.5V，最大允许输入模拟电压为±1V，针对0V参考电压端的电压输入范围为1.5～3.5V，因此，基线偏置电路将对数检波器输出的电压在-60dBm输入时，调整至直流1.5V输出，使用双运放TL1801中的一个，设计为加法器模式，通过微调电位器调整运放的静态输出电平，确保输入信号≤-60dBm时，输出电压为1.5V，同时调整电位器，使输入信号为0dBm时，输出电压为3.5V。
模数转换器ADS830的采样率高达60M，分辨率高达8bit，完全满足ADS-B的1MHz调制的PPM信号的采集，将输出的模拟电压进行采样并转换为数字信号，然后存入FIFO存储器。根据乃奎斯特定理，采样频率至少是被测信号最高频率的2倍才能复现出被测信号，本发明采用32倍采样率对PPM信号进行采样，尽可能的还原对数检波后原始模拟信号的真实性。针对ADS-B的PPM信号最窄的脉冲宽度为0.5us的情况，32M采样率情况下，一个脉冲的取样点为16个点，即在液晶显示器上面每个脉冲可以显示16个像素，考虑到折中性能和实现成本，该指标具有良好的性价比。同时脉冲宽度的测量理论值为0.5us/16＝0.03125us，能够满足国际标准RTCA DO260B定义的脉冲宽度公差0.05～0.1us的要求。
所述FIFO存储器采用IDT7205高速FIFO存储器，是一种双口的SRAM，这种存储器没有地址线，随着写入或读取信号对数据地址指针进行递加或递减，来实现存储区寻址。在模数转换器和控制单元之间加入FIFO存储器，起到了高速数据缓冲的作用。因为模数转换器的最高工作频率为32MHz，远高于MCU处理器的处理能力，以免模数转换器采样到的数据因为来不及处理而丢失，所以让FIFO存储器与模数转换器同步工作存储模数转换器的输出数据。
根据图3的FIFO存储器结构图，FIFO存储器有3个标志位引脚，分别为FF(满标志：当存储器存满内部存储区域后，置位该标志，此时存储器将忽略一切写数据操作)；HF(半满标志：当存储器存满一半存储区域后，置位该标志)；EF(空标志：当存储器内容被读空时，置位该标志，此时存储器忽略一切读数据操作)。本发明使用HF标志，用于MCU处理器和FIFO存储器复位端的交联，在ADS-B同步触发信号到来之前存储同步头之前的ADS-B信息，以免在检测到ADS-B同步头后再启动模数转换器存储数据导致前端信号丢失。
本发明FIFO存储器的容量选择，按以下公式计算：
FIFOsize＝2(Sclk*TADS-B)
其中，FIFOsize为FIFO存储器总容量选择，单位为字节；Sclk为模数转换器的采样率，单位为赫兹，此处为32MHz；TADS-B为采样时间，单位为秒；根据国际标准RTCA DO260B可以知道一帧ADS-B信息长度为120us，可以推导出，FIFOsize＝2(32000000*0.00012)＝7680字节。因此，FIFO存储器采用IDT7205高速FIFO存储器，该IC容量为8K字节(8192byte)，满足系统7680字节的基本要求。
上述选择FIFO存储器容量的公式中，需要至少2倍采样时间的原因为：本发明中HF信号与MCU的FIFO自动复位使能信号(FIFO_AUTO_RST_EN)进行逻辑与后，控制FIFO存储器的清零引脚，当FIFO_AUTO_RST_EN有效时，且FIFO存储器存储到一半空间后，如果ADS-B数据解码部分没有检测到ADS-B同步头，在HF信号有效的同时，FIFO存储器复位脚会被触发(15ns)，FIFO存储器自动复位，则HF信号也在复位后清除(25ns)，FIFO存储器又开始自动存储采样数据；当FIFO存储器在自动存储采样数据过程中，如果ADS-B数据解码部分检测到ADS-B同步头，FIFO存储器则输出触发信号到MCU，MCU经过判断后送出FIFO_AUTO_RST_EN闭锁信号，不允许FIFO存储器自动清零，此时FIFO存储器继续存储采样数据，直到120us以后由MCU主动停止FIFO存储器写入操作。
所述模数转换部分还包括为模数转换器和FIFO存储器提供同步工作时钟SCLK的时钟逻辑模块，模数转换器部分的SCLK处于连续运行状态，而FIFO存储器部分的SCLK处于受控工作状态，目的是在采集完一帧ADS-B信号后停止后续的模数转换数据保存，以便MCU及时读取FIFO存储器中的数据。SCLK输出到FIFO存储器的WR端口，通过与门方式受控于MCU的CLK_EN口。MCU及时读取FIFO存储器，获得停止采样之前存储在FIFO存储器中的模数转换数据，读取完毕后再次启动允许FIFO存储器写入操作，MCU获得模数转换数据后，进行数据分析并显示在液晶显示屏上。
另一路输入到解码单元的信号，由于对数检波器输出的模拟脉冲信号的幅度随输入信号成对数关系，受输入信号强度影响，其输出幅度值和宽度是不固定的，因此不能直接送往ADS-B数据解码部分进行数字化判断，需要通过1bit数字化处理，将动态变化的模拟脉冲信号变为单一的逻辑电平数字脉冲信号，作为理想化的1bit数据流送往解码器进行解码。根据图4的1bit数字化原理图，使用一个高速比较器作为核心部件，原始检波信号由比较器正端输入，比较器负端由原始信号耦合一部分进行RC积分，并严格调整积分参数，让比较器负端幅度比正端低3dB左右，这样比较器便输出工整的脉冲方波，达到1bit量化目的。
根据图5的解码器工作流程图，解码器对量化后的数字脉冲信号进行解析，具体流程为：解码器对量化后的脉冲信号进行初始化；捕获同步头，并缓存同步头序列；判断同步头，若判断正确，则进行后续bit捕获；若判断错误，则重新捕获同步头；捕获的后续bit，进行bit序列缓冲；判断bit捕获是否完成，若完成，则进行CRC校验；若没有完成，则重新捕获后续bit；判断CRC校验是否正确，若正确，则发送解码报文给ADS-B数据输出；若校验错误，则返回重新捕获同步头。经过同步头判断、CRC校验检查无误后组装成ADS-B数据报文传输至ADS-B数据输出进行交互处理。
所述解码器与FIFO存储器之间还设置有采样闭锁模块，当FIFO存储器在自动存储采样数据过程中，如果ADS-B数据解码部分的解码器检测到ADS-B同步头信号后，便锁定当前FIFO存储器的复位信号，使FIFO存储器不再被无效数据复位，以便能进行当前一帧ADS-B数据信息保存，再连续采集至少120us的数据信息。
控制单元采用MCU处理器，读取FIFO存储器，获得模数转换器停止采样之前存储在FIFO存储器中的采样数据和模数转换数据，并获得ADS-B数据输出传送到MCU的ADS-B解码数据，进行MCU处理分析，通过显示单元进行显示。
显示单元与输入单元配合完成整个系统的指标、波形显示以及交互式参数设置等。所述输入单元采用键盘输入，所述显示单元采用320*240点阵TFT液晶显示屏，横向显示320个点，在波形显示界面下，可以1:1的显示320的采样点，即10us长度的PPM编码波形。整帧ADS-B波形单屏需要分12次显示完毕，配合键盘操作可以方便的左右移动查看显示关心的脉冲波形。在波形幅度显示上，由于模数转换器采用8位分辨率，显示范围从0～255，根据前述的参数，折算为每单位表示0.234375dB功率，液晶显示屏垂直方向分辨率为240，所以每个像素代表60/240＝0.25dB。
液晶显示屏最终获得ADS-B发射机的功率波形、脉冲参数宽度、脉冲上升沿、脉冲下降沿、原始解码数据、航空器ICAO地址、航班号、经纬度、高度、速度、航向等信息，并以图形和文本方式显示出来，便于使用者查看。
本发明能精确、定量地获得发射机的功率大小、每个PPM编码发射脉冲的波形参数和单个脉冲的功率大小，同时还能将波形和测试的参数结果直观的显示出来，便于使用者查看，不仅可以在外场快速定性检测发射机状态，还能作为一种专用的内场检测设备。
以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种S模式发射机信号质量检测装置，其特征在于：包括电源管理、缓冲单元、转换单元、解码单元、控制单元、输出单元；缓冲单元：用于将ADS-B发射机发射的射频信号转换为线性电压信号；转换单元：用于对一路线性电压信号进行信号放大和直流电压偏置；解码单元：用于对另一路线性电压信号进行同步头检测和PPM解码后组装成ADS-B数据报文，并对放大和直流电压偏置后的模拟电压信号进行采样后转换为数字信号；控制单元：用于读取模数转换部分的数字信号和接收ADS-B数据解码部分输出的ADS-B数据报文，并进行分析和处理后输出；
所述缓冲单元包括用于将ADS-B发射机发射的射频信号进行衰减的衰减器和用于将衰减后的信号进行线性检波的对数检波器；
所述解码单元包括ADS-B数据解码部分和模数转换部分。
2.根据权利要求1所述的一种S模式发射机信号质量检测装置，其特征在于：所述转换单元包括对一路线性电压信号进行信号放大的运算放大器和对放大后的电压信号进行直流电压偏置的基线偏置。
3.根据权利要求1所述的一种S模式发射机信号质量检测装置，其特征在于：所述ADS-B数据解码部分包括对另一路线性电压信号进行数字化处理的1bit数字化模块、对数字脉冲信号进行同步头检测和PPM解码的解码器，以及对解码后的信号进行组装的ADS-B数据输出模块。
4.根据权利要求1所述的一种S模式发射机信号质量检测装置，其特征在于：所述模数转换部分包括对模拟电压信号进行采样后转换为数字信号的模数转换器、存储数字信号的FIFO存储器，以及为模数转换器和FIFO存储器提供同步工作时钟SCLK的时钟逻辑模块。
5.根据权利要求3或4所述的一种S模式发射机信号质量检测装置，其特征在于：所述解码器与FIFO存储器之间还设置有采样闭锁模块。
6.根据权利要求1所述的一种S模式发射机信号质量检测装置，其特征在于：所述输出单元包括键盘和显示屏，配合完成整个系统的指标、波形显示以及交互式参数设置。
7.一种S模式发射机信号质量检测方法，其特征在于，包括权利要求1-6中任一项所述的S模式发射机信号质量检测装置；
采用S模式发射机信号质量检测装置进行信号质量检测时，包括以下步骤：
步骤1：将ADS-B发射机发射的射频信号转换为线性电压信号并输出；
步骤2：对一路线性电压信号进行信号放大和直流电压偏置；
步骤3：对另一路线性电压信号进行同步头检测和PPM解码后组装成ADS-B数据报文，并对放大和直流电压偏置后的模拟电压信号进行采样后转换为数字信号；
步骤4：读取模数转换部分的数字信号和接收ADS-B数据解码部分输出的ADS-B数据报文，并进行分析和处理后输出。
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