PXI 모듈형 계측기 및 LabVIEW를 사용한 보조 감시 레이더 ATE

Vishwanath Kalkur, Captronic Systems Pvt Ltd

“NI PXI 모듈형 계측기와 LabVIEW로 개발한 SSR용 ATE를 사용하여, 우리 고객은 이전 데스크탑 계측기 수동 연결과 비교하여 레이더 테스트 시간을 90% 단축했습니다. 또한 전통적 박스형 계측기로 만든 다른 ATE와 비교해 비용을 60% 절감했습니다.”

- Vishwanath Kalkur, Captronic Systems Pvt Ltd

과제:

PXI 모듈형 계측기 및 LabVIEW를 사용한 보조 감시 레이더 ATE

해결책:

LabVIEW FPGA Module과 NI PXI 모듈형 계측기를 사용하여 전체 레이더 기능을 테스트할 수 있는 확장 가능한 맞춤 솔루션 개발.

필자:

Vishwanath Kalkur - Captronic Systems Pvt Ltd
Mondeep Duarah - Captronic Systems Pvt Ltd

 

 

주 레이더와는 달리 SSR은 양방향 통신 링크를 사용하여 정체, 고도, 국가 코드와 같은 정보를 수집하여 항공기와 같은 타겟의 범위와 방위각을 계산합니다. 엔지니어는 군용 및 민간 항공 모두에서 SSR을 사용하며 전자에는 적군 식별 시스템이 통합되어 있습니다.

 

SSR은 다양한 모드에서 작동하여 타겟에서 정보를 얻습니다. 시스템은 양방향 회전 안테나의 레이더에서 1,030MHz의 질의 펄스를 보냅니다. 타겟은 질의 펄스를 감지하면 1,090MHz의 펄스 프레임으로 응답합니다. 지상국의 레이더는 질의 펄스를 생성하고 mode-A/3A, mode-C 또는 mode-S로 표현되는 타겟으로부터 정체, 고도 또는 국가 코드와 같은 정보를 요청합니다. 항공기는 표준 응답 펄스 형식으로 응답합니다. 시스템은 속도 대 거리 관계와 북극 또는 진행 방향에 대한 회전 안테나 위치를 기반으로 범위와 방위각을 계산합니다.

 

오늘날의 레이더는 군사 또는 민간 항공에 배치되기 전에 엄격한 테스트가 필요합니다. 우리는 NI PXI 모듈형 계측기를 사용한 ATE를 개발하여 Rx 대역폭, Rx 감도, Tx 전력 및 Tx 펄스 파라미터를 포함하여 레이더의 기능 테스트와 수신기 (Rx) 및 송신기 (Tx)의 물리적 파라미터 테스트를 용이하게 했습니다. 기능 테스트에는 1,090MHz의 레이더에 대한 타겟 시뮬레이터, 비디오 신호 감지, 합성 트랜지스터-트랜지스터 로직 (TTL) 비디오 신호 및 LAN 통신을 사용한 레이더 스캔 변환기 표현이 포함되었습니다. 타겟과 여러 다중 타겟 시뮬레이터의 응답 펄스는 정지 및 궤도 모션이었습니다. 그림 1은 SSR에 연결된 ATE의 전체 아키텍처를 보여줍니다.

 

 

시스템 개요

우리는 NI는 NI PXI-1042 8-슬롯 섀시와 NI PXI-8196 임베디드 컨트롤러로 구성된 시스템을 만들었습니다. Tx 및 Rx 기능을 테스트할 때 레이더는 송신 모드 또는 수신 모드로 유지했습니다. 외부 안테나 신호의 북극 및 방위각 카운트 펄스 (ACP)는 FPGA 보드를 통해 생성 및 시뮬레이션되었습니다. 타겟 응답 펄스는 NI PXI-5671 벡터 신호 생성기 (VSG)를 통해 1,090 MHz에서 생성되었습니다. 시스템은 Rx 기능 테스트를 위해 오실로스코프 카드를 통해 수신기에서 복조 비디오 신호를 수집했습니다. NI PXI-5661 벡터 신호 분석기 (VSA)를 통해 고전력 RF 펄스를 수집하여 Tx 신호 전력 및 펄스 파라미터를 측정했습니다. 레이더 처리 장치에서 생성된 TTL 레벨에서 통합된 비디오는 FPGA 디지털 입력을 통해 수집되었고, 레이더 스캔 변환기에서 범위와 방위각, 정보 코드, 고도 및 국가 코드로 타겟을 극좌표 플롯에 표시하는 데 사용되었습니다. 그림 2는 SSR에 연결된 ATE의 세부 다이어그램을 보여줍니다.

 

각 트리거 및 동기화 펄스는 SSR의 질의 RF 펄스와 동기화되었습니다. 장비를 보호하기 위해 레이더에 내장된 TR 모듈이 있기 때문에 Rx 테스트 중에는 레이더의 송신기를 껐습니다. Tx 및 Rx 포트는 모두 안테나에 연결된 동일한 물리적 포트를 공유했습니다. VSA 및 VSG는 이 동일한 물리적 포트에 연결되어 안테나를 대체하고 1,090MHz 및 1,030MHz에서 RF 신호를 생성 및 획득했습니다.

 

 

측정 파라미터

Tx 파라미터
레이더의 Tx 출력은 감쇠기와 함께 ATE의 VSA에 연결됩니다. 전송은 약 1μs의 펄스 폭과 5ms의 펄스 반복 시간을 가진 RF 주파수에서 게이트된 사인 펄스입니다.

  • Tx 주파수 안정성 (1,030MHz + 0.03MHz)
  • 펄스 피크 전력 (2.0KW)
  • 펄스 반복 주기 (ms)
  • 출력 전원 모드 및 PRF 안정성
  • 출력 전원 선택 및 섹터링
  • 펄스 간격
  • 펄스 모양
  • 주기 점유율 (0.01% – 66%)
  • 펄스 폭 (µs)
  • 펄스 상승 시간 (ns)
  • 하강 시간
  •  주파수 스펙트럼

 

Rx 파라미터

레이더의 Rx는 트리거/동기 펄스와 동기화된 VSG를 통해 생성된 RF 펄스에 의해 수신됩니다. 각 동기화 펄스는 질의 펄스와 동기화되었습니다. VSG 및 FPGA의 트리거 포트로 동기 펄스를 수신한 후 VSG를 통해 RF 펄스 출력이 생성되었습니다. Rx 비디오 출력은 다음 Rx 파라미터를 측정하기 위해 오실로스코프 카드에 연결되었습니다.

  • 수신기 민감도
  • 수신기 대역폭
  • 수신기 동적 범위
  • 수신기 주파수 안정성
  • 위상차 측정
  • 수신 체인 작동 감도 (STC)
  • 수신 체인 부엽 억제 (RSLS)

 

 

기능 테스트

기능 테스트에서 시스템은 북극 신호 및 ACP와 같은 안테나 시뮬레이션 신호를 생성했습니다. 정지 및 궤적 동작 모두에서 서로 다른 방위각과 범위로 여러 타겟을 시뮬레이션하고 레이더 스캔 변환 어플리케이션에서 응답기의 방위각과 범위를 나타냈습니다.

 

 

타겟 시뮬레이터

동기화 펄스 기반의 VSG를 사용하면 타겟 시뮬레이션을 통해 Rx의 적절한 기능 테스트를 수행할 수 있습니다. 이 경우, ATE는 안테나에서 오는 타겟 신호 생성기로 작동합니다. 각 질의는 VSG 트리거와 FPGA에 연결된 트리거 펄스에 의해 동기화됩니다. 사용자는 타겟으로 시뮬레이션할 범위와 방위각을 구성할 수 있습니다. 타겟을 시뮬레이션할 준비가 되면, FPGA에서 방위각 카운트에 도달하고 레이더에서 다음 동기화 트리거가 수신된 후, VSG는 타겟의 응답 RF 펄스를 생성합니다. 사용자는 응답 코드와 모드를 선택할 수 있으며 지정된 범위와 방위각에서 스크립트로 설정된 펄스가 생성됩니다. 타겟은 정지 및 궤적 동작에 대해 시뮬레이션됩니다. 사용자는 다른 궤도에서 이동 경로를 설정합니다. 시스템은 동일한 VSG에서 다양한 범위와 방위각으로 여러 타겟을 시뮬레이션할 수 있습니다. 사용자가 지정한 대로 다른 코드 패턴이 응답 펄스에 적용됩니다. 응답 펄스는 450ns의 펄스 폭으로 1µs 간격으로 떨어진 펄스 시퀀스입니다. 각 타겟의 응답 시퀀스의 시작과 끝에는 F1 및 F2 펄스가 있습니다. 프레임의 펄스 수는 GUI에서 선택한 질의 모드에 의해 결정됩니다. 각 동기화 펄스는 선택된 질의 모드에 따라 다른 응답 모드를 가질 수 있습니다. 이러한 3-응답 펄스는 별도로 구성할 수 있으며 각 동기 펄스를 참조하여 VSG를 통해 생성할 수 있습니다. 그림 5는 범위 지연, 방위각 및 코드 시뮬레이션을 통한 응답 펄스 생성을 보여줍니다.

 

레이더 스캔 변환기

시스템은 FPGA 보드를 통해 레이더에서 TTL 형식의 비디오 신호를 수집하고 처리합니다. 타겟의 응답 펄스는 레이더 수신기에서 복조되고 원시 비디오 신호는 레이더 처리 장치에서 처리됩니다. 이 프로세서는 응답 프레임을 나타내는 합성 TTL 펄스를 제공합니다.

 

이 프레임은 개별 펄스의 정확한 폭으로 FPGA에서 디코딩됩니다. 수신기가 안테나에서 노이즈도 포착하기 때문에 원하는 범위에서 원하지 않는 노이즈 펄스도 일부 생성됩니다. 우리는 이러한 노이즈 펄스를 버리고 실제 프레임을 디코딩하는 알고리즘을 개발했습니다. 그 후 FPGA는 타겟의 정보 코드, 고도, 국가 코드를 사용하여 타겟의 범위와 방위각을 계산합니다.

 

시스템은 안테나에서 획득한 실제 타겟, 레이더에서 내부적으로 생성된 시뮬레이션 타겟, 질의 펄스를 기반으로 VSG를 통해 생성된 시뮬레이션 타겟을 형식으로 하는 합성 TTL 비디오를 수신할 수 있습니다.

 

그림 4는 FPGA를 통해 디코딩된 스캔 변환기 화면을 보여줍니다. 그림 5는 ACP, FPGA를 통한 북극 시뮬레이션, 트리거/동기화 펄스 수집, 범위 및 방위각 선택에 기반한 응답 펄스 시뮬레이션, TTL 비디오 신호 수집, 응답 프레임 디코딩을 보여줍니다.

 

VSG의 변조된 펄스는 1,030MHz RF파의 캐리어를 포함합니다.

 

안테나 시뮬레이션

FPGA 출력을 통한 북극 마커 펄스 생성과 FPGA 디지털 출력을 통한 ACP 생성은 안테나 시뮬레이션을 제공합니다. 우리는 LabVIEW 를 기반으로 사용자 구성 가능한 GUI를 생성하여 펄스 폭, PRT 및 북극 회전당 방위각 카운트를 설정하여 안테나 파라미터를 시뮬레이션했습니다.

 

 

소프트웨어 기능

전체 기능을 테스트하기 위해 편집 가능한 모듈형 테스트 시퀀스를 개발했습니다. 사용자는 개별 파라미터 테스트를 위해 자동 또는 수동 모드를 선택할 수 있습니다. 진단 패널을 사용하면 개별 PXI 계측기에 접근하여 루프백 또는 셀프 테스트를 수행할 수 있습니다. 그림 6은 ATE에 존재하는 테스트 시퀀스를 보여줍니다.

 

NI 플랫폼으로 레이더 테스트 시간 단축

NI PXI 모듈형 계측기와 LabVIEW로 개발한 SSR용 ATE를 사용하여, 우리 고객은 이전 데스크탑 계측기 수동 연결과 비교하여 레이더 테스트 시간을 90% 단축했습니다. 또한 전통적 박스형 계측기로 만든 다른 ATE와 비교해 비용을 60% 절감했습니다. 또한 새로운 시스템은 펄스 생성기와 변조기를 하나의 NI PXI VSG로 대체하여 타겟 시뮬레이션, 원시 비디오 수집 및 타겟 감지에 대한 완전한 기능 테스트를 제공함으로써 폐루프 테스터 역할을 합니다.

 

자동화된 스위칭 통합으로 레이더의 중복 6개 포트를 테스트하도록 시스템을 업그레이드할 계획입니다. 긴 케이블 연결을 피하기 위해 업그레이드에는 NI PXI-2596 SP6T 멀티플렉서를 사용할 것입니다.

 

National Instruments의 얼라이언스 파트너는 National Instruments와는 별도의 독립적인 사업체이며, 대리점, 제휴 및 합작 투자 관계가 없습니다.

 

저자 정보:

Vishwanath Kalkur
Captronic Systems Pvt Ltd
No 3,Victorian Meadows,Menkolalu Village,Airport Varthur Road,Marathahalli
Bangalore
India
전화: +918040373923
vishwanath@captronicsystems.com

그림 1. SSR 테스트용 ATE 전체 아키텍처
그림 2. ATE 및 SSR의 상세 다이어그램
그림 3. 타겟 시뮬레이터 소프트웨어 화면
그림 4. 레이더 스캔 변환기
그림 5. DUT의 북극, ACP 및 트리거 동기화 펄스, 응답 프레임 시뮬레이션, SSR의 통합 TTL 비디오
그림 6. 테스트 시퀀스