[0001] 本发明涉及一种小型的机载空中交通预警和防撞系统(TCAS)的信号自动收发设计，属于空中交通管理和空中交通安全领域。

[0002] 飞机上的防撞系统，美国航空体系称为空中交通预警和防撞系统(以下简称TCAS)，欧洲航空体系称为机载防撞系统，两者的含义、功能是一致的，而且组成也基本相似，因此本发明申请说明书以TCAS为技术背景进行描述。

[0003] 经过多年的发展，TCAS系统已发展出多种型号，如：TCAS I、TCAS II、TCAS III、TCAS IV。其中TCAS II目前应用最为广泛，它可以给飞机驾驶员提供以不同颜色和形状显示临近飞机的相对高度、距离、方位、上升/下降状态等信息的交通提示(TA)和显示俯仰通道改变、姿态保持、高度保持等信息的解决方式(RA)。其他更高版本型号体系结构以TCASII为基础，只是在功能上略有差别。

[0004] TCAS系统的时序关系：以两架同时装有TCAS和S模式应答机的飞机进行说明，其通信情况如下：本机S模式应答机1以大约每秒一次的频率发送断续振荡信号，即“S模式全呼叫回答信号”，报告本机的代号；当对方飞机的TCAS2接收到这种断续信号后，根据相应飞机的代号以点名的方式(飞机代号是唯一的)发送专门监视的1030MHz“S模式询问信号”；S模式应答机1接收到TCAS2发送的询问信号后，由本机TCAS1通过总线将包含高度、方位等信息的应答信息传输至S模式应答机1，并由S模式应答机1以1090MHz发射“S模式应答”；对方TCAS2接收应答信息，并做出相应决策。TCAS1和S模式应答机2的工作原理完全相同，其过程如图1所示。

[0005] 由图2的信号格式可以看到，S模式全呼叫回答信号由前同步脉冲和数据脉冲组成。其中，前同步脉冲由起始的8μs内四个脉冲形成，应答数据是由脉冲位置调制(PPM)的，其脉冲位置随调制信息的二进制数而变化，所有脉冲幅度和宽度不变。数据脉冲是经PPM调制的56位数据码元，数据发送速率为1MHz。

[0006] 以往TCAS为了实现信号的收发，使用了大量的电路元件，并用控制器进行控制，实现方法复杂，占用资源多。使用大规模FPGA则可以对这一缺陷进行改进。

[0007] 为了克服现有技术的上述缺点，本发明提出了一种信号的收发方法，使用FPGA，完成信号的自动调制与解调，实现了系统的功能；

[0008] 本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

[0009] 1)根据TCAS系统的功能，设定通信流程，并在FPGA中实现；

[0010] 2)使用FIFO电路解决控制器发送时间与编码器不匹配的问题；

[0011] 3)对于信号的头脉冲，用有限状态机的设计来完成头脉冲发生器；

[0012] 4)编码器完成两个任务，即将FIFO输出的数据进行编码、并将其前同步脉冲结合，形成完整的信号；

[0013] 5)预处理电路在信号接收端，用于还原信号经过空间传输的畸变；

[0014] 6)采用门限判决和最大值判决相结合的方法，由判决电路将信号还原为标准的信号；

[0015] 7)使用同步提取电路与解调模块，对信号进行解调，得到原始发送的信号。

[0016] 本发明相比于现有技术的优点在于：稳定、可靠的实现了信号的收发功能，为一体化TCAS系统的实现打下了基础。

[0017] 下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

[0018] 图1是TCAS/S模式应答机的询问和回答；

[0019] 图2是S模式全呼叫回答信号示意图；

[0020] 图3是TCAS与S模式应答机通信流程图；

[0021] 图4是S模式全呼叫信号编解码电路实现模型；

[0022] 图5是PPM信号示意图；

[0023] 图6是PPM调制程序流程图；

[0024] 图7是积分鉴相器程序流程图；

[0025] 图8是时隙信号产生模块程序流程图。

[0026] 本发明使用一片FPGA，完成信号的自动收发功能。参照图3描述的通信流程，[0027] 对于编解码实现，这里以“S模式全呼叫回答”为例。对于全呼叫回答信号的传输，从硬件结构上分为发射和接收电路两大部分，其中，发射部分包括有原始回答信号产生电路、编码电路、发射电路；接收电路包括预处理电路、头脉冲检测电路、同步提取电路以及解码电路；参照图4可知整个编解码电路的实现模型；

[0028] 参照图5，TCAS控制器要将应答信息送往FPGA进行编码，由于控制器的发送时钟与编码器的时钟速度不匹配，这里使用FIFO电路来进行缓冲；头脉冲发生器使用有限状态机的设计方法，将前同步脉冲的高低电平分别作为一个状态，通过对高频时钟进行计数的方法来实现状态的转换，当计数值达到脉冲电平持续的时间，比如说0.5μs时，转入下一状态；PPM编码器承担两个任务：一是将FIFO输出的数据进行PPM编码，其实质是将一段时间分成M等份，每等份称为一个时隙(slot)，在一帧时间内的某个时隙发出一个脉冲，这一帧时间就是一个PPM信号。它包括M段长度为t秒的时隙；参照图6，PPM全呼叫回答采用的是单码元传输，一帧时间包含两个时隙周期。PPM编码分为两个步骤，首先，针对PPM信号的特点，需要对时隙时钟二分频作为前面m序列生成器的时钟信号，这样，一个输入码元持续两个时隙时钟周期；其次，设计一个二进制计数器，对时隙时钟计数，计至“01”时，计数器清‘0’；然后，将输入码元的值与计数器的值相比较，相等则输出高电平，否则输出低电平；最后，将比较器输出的脉冲信号进行整形输出，就得到我们需要的PPM调制输出信号，实现的信号流程就确定了；二是将前同步脉冲与PPM调制器的输出组合，形成完整的“S模式全呼叫回答”信号；预处理电路用于还原信号经过空间传输后的畸变；判决电路采用门限判决和最大值判决相结合的方法，首先将采样值经过门限判决算法进行初步判决，然后将初步判决的结果送入最大值判决器进行二次判决，经过判决电路后，输出值就是标准的PPM脉冲信号，如果设定的门限值合理，得到的脉冲信号就能够与原始的发送信号很好的对应起来；同步提取电路用于恢复PPM的同步信号，对时隙时钟的恢复，采用了基于锁相环的积分鉴相器实现方法，参照图7，可以得到积分鉴相器的的流程；参照图8给出的时隙信号产生模块流程，对于帧同步信号的恢复采用纯逻辑电路实现；解调模块利用同步信号，对接收的PPM调制信号进行解调，得到原始发送的“S模式全呼叫回答”数据。

[0029] 在得到原始发送的“S模式全呼叫回答”数据后，本机TCAS对上述信息进行处理，如果得到了对方飞机的S模式地址，将直接进入图3描述的流程中下一个环节，即本机TCAS发送“点名式S模式询问”信号。接下来的过程与对方机发送“S模式全呼叫回答“信号时的总体流程相似，变化之处在于数据源是本机TCAS，调制解调方式变为DPSK。

[0030] 通过上述措施，我们在一体化TCAS防撞系统中实现了信号的自动收发，为一体化TCAS系统打下了基础。