SSR 트랜스 폰더 용 자동 테스트 시스템
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SSR 트랜스 폰더용 자동 테스트 시스템
"NI는 자동화 된 테스트 시스템에 완전히 새로운 기술 기능을 제공합니다.이를 통해 장기적인 개발 테스트를 통해 확인 된 새로운 수준의 성능과 안정성을 구현할 수 있습니다."
- Tomasz Marzec, Becker Avionics Polska
- 과제
- RF 통신 테스트를 수행하고 시뮬레이션 할 수 있는 ADS-B (Automatic Dependent Surveillance-Broadcst) 기술을 준수하는 2차 감시 레이더 (SSR) 트랜스 폰더 (XPDR)에 대한 다양한 테스트 시나리오를 허용하는 유연하고 확장 가능하며 자동화된 테스트 시스템을 생성합니다. 전원 공급 장치에서 ARINC429, CAN, TIA-422와 같은 모든 종류의 통신 버스에 이르기까지 실제 공중 환경을 모니터링하고 제어합니다.
- 솔루션
- NI PXI 제품을 사용하여 RTCA / ICAO에 따라 SSR 트랜스 폰더의 기능 테스트를 용이하게 하기 위해 XPER 테스트 시스템을 개발하는데 필요한 문서.
저자 :
Tomasz Marzec- Becker Avionics Polska
Michał Kozarzewski- National Instruments 대한민국
Becker Avionics는 RTCA / ICAO 필수 문서에 따라 SSR 트랜스 폰더의 기능 테스트를 용이하게 하기 위해 NI PXI 제품을 사용하여 XPDR 테스트 시스템을 개발했습니다. 기능 테스트에는 여러 지상국의 시뮬레이터, 온보드 내비게이션 시스템 (실시간 궤적 모션), 조종실 계기, 디스플레이 및 스위치 (비행 제어 및 관리 시스템)가 포함되었습니다.
복잡한 RF 자극 생성 및 RF 응답 분석의 빠른 개발을 위해 RIO (재구성 가능한 I/O)가있는 NI PXI 시스템을 선택했습니다. NI의 하드웨어 및 소프트웨어 플랫폼 (LabVIEW 및 LabVIEW FPGA Module)의 유연성 덕분에 DO-181E 및 DO-260B 문서에 설명 된 가장 복잡한 테스트도 수행 할 수 있었습니다. 우리가 개발 한 소프트웨어의 RF 통신 기능이 분리되어 XPDR 통신 라이브러리로 출시되었습니다. DO-178C 및 DO-330에 따라 이 소프트웨어 도구를 내부적으로 검증했습니다.
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SSR 및 ADS-B 소개
SSR은 항공 교통 관제 (ATC)에서 항공기의 위치를 감지, 식별 및 측정하는데 사용되는 레이더 시스템입니다. 반사 된 무선 신호를 감지하여 표적의 범위와 방위 만 측정하는 1 차 감시 레이더 시스템과 비교하여 SSR은 인코딩된 데이터가 포함 된 응답을 전송하여 각 질문 신호에 응답하는 SSR 트랜스 폰더가 장착된 표적에 의존합니다. 트랜스 폰더는 1,030 MHz에서 수신하고 1,090 MHz에서 전송하는 무선 수신기 / 송신기입니다.
그림 1. SSR 개념
SSR은 기본적으로 양방향 공대지 데이터 통신을 제공하며 여러 질문 모드 (예 : 모드 A, 모드 C 및 모드 S)에서 작동합니다. 각 모드는 항공기에서 다른 응답을 생성합니다 (식별, 고도 및 다목적-비행 ID, 위도, 경도, 고도). 모드 A와 C는 간단한 펄스 위치 변조 질문 및 응답을 사용합니다. 모드 S는 심문에서 인코딩 된 데이터에 대해 차동 위상 편이 변조 변조를 사용합니다.
ADS-B (Automatic Dependent Surveillance–Broadcast) 기술은 데이터 링크를 통해 온-보드 내비게이션 시스템에서 파생 된 위치 데이터를 자동으로 전송합니다. ADS-B는 상황 인식 및 자가 분리를 위해 ATC (SSR의 대체품) 및 다른 항공기에 실시간 감시 정보를 제공합니다.
선택된 기술적 과제
SSR 트랜스 폰더 테스트는 분리되지는 않지만 서로 크게 의존하는 다양한 복잡한 엔지니어링 영역과 기술을 이해해야 하는 매우 까다로운 작업입니다. 전문 지식과 경험은 이러한 테스트 개발의 성공을 위해 매우 중요하며 다음을 포함합니다.
- RF 생선 및 분석-단기간, 비 주기적 필수
- 강력한 간섭이 있는 경우 동적 범위 고려 사항 및 약한 관심 신호
- 실시간 신호 분석
- RF 다중 채널 타이밍 및 동기화
- 고 대역폭 및 저 지연 데이터 스트리밍
앞서 언급 한 주제와 관련된 노력을 줄이기 위해 NI의 상용 기성품 (COTS) 기술을 사용했습니다.
- AIT PXI ARINC429 : ARINC735B (교통 컴퓨터 TCAS), ARINC718A (ATCRBS), ARINC743A (GNSS 센서), 항공 데이터 컴퓨터, 관성 기준 시스템, 전파 고도계, 비행 제어 컴퓨터, 비행 관리 컴퓨터 등 처리
- 2x NI PXI Express FlexRIO : 인라인 디지털 신호 처리, 컨트롤러 메모리로 /에서 스트리밍, 피어-투-피어 데이터 스트리밍을 지원하는 FPGA 타겟 (자세한 내용은 XPDR 통신 라이브러리 장 참조)
- 2x NI FAM : 디지털 고속 데이터 I / O (100MHz), 예를 들어 RF 입력 및 RF 출력 신호의 모니터링 IQ 인터페이스를 제공합니다.
- 2x NI PXI Express VSG : RF 질문 신호를 테스트중인 트랜스 폰더로 전송 (RIO에서 생성 한 사용자 정의 파형)
- 2x NI PXI Express VSA : 테스트중인 트랜스 폰더에서 RF 응답 신호 수신
또한 시스템은 맞춤형으로 설계된 RF 박스와 인터페이스 박스를 사용합니다. RF 박스는 고정 RF 감쇠기 (트랜스 폰더 출력 전력이 57dBm에 도달 할 수 있으며 선형 단위에서 500W에 해당), RF 스위칭 매트릭스 (RF 장치와 XPDR 안테나 간의 원격 제어 연결) 및 순환기가 있는 USB 제어 장치입니다. 인터페이스 박스는 PXI 시스템과 XPDR (신호 컨디셔닝)간에 쉽고 보호 된 상호 연결을 제공합니다.
그림 1은 XPDR 테스트 시스템의 개략도를 보여줍니다.
소프트웨어 플랫폼
RF 통신 관련 소프트웨어는 XPER Communication Library로 별도로 출시되었습니다. 우리는 LabVIEW와 LabVIEW FPGA Module을 사용하여 개발하고 .NET 어셈블리로 컴파일했습니다. 다른 부서에서는 XPDR 통신 라이브러리를 사용하여 SSR 관련 RF 통신을 기존 테스트 프레임 워크 (.NET 플랫폼 기반)에 통합 할 수 있습니다.
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XPDR 통신 라이브러리
XPDR 통신 라이브러리는 SSR 신호 생성 및 분석을 지원합니다. SSR 신호에 대한 측정을 수행하는 .NET API를 제공합니다. 그림 2는 XPDR 통신 라이브러리에 대한 높은 수준의 데이터 흐름 그래프를 보여줍니다.
데이터 흐름의 연속 단계는 다음과 같이 설명 할 수 있습니다.
- 1. 호스트 PC (NI PXI Express 컨트롤러)는 주로 데이터베이스에서 테스트 매개 변수를 저장 및 검색하고 테스트 일정을 생성하는데 사용됩니다. 요청된 테스트 자극은 DMA 채널을 사용하여 FPGA 타겟 (NI PXI Express FlexRIO)으로 지속적으로 스트리밍됩니다.
- 2. FPGA 타겟은 맞춤형 질문 신호를 생성하고 신호에 대해 간단한 수학 연산을 수행하며 선택된 이득, 펄스 폭 및 간격으로 필요한 시퀀스를 생성합니다. 선택적으로 디지털 주파수 편이를 IQ 데이터에 적용 할 수 있습니다. 생성된 신호 (IQ 데이터)는 P2P를 사용하여 VSG로 스트리밍됩니다.
- 3. VSG는 IQ 스트림을 수신하고 원하는 반송 주파수 및 전력 레벨을 사용하여 테스트중인 응답기에 RF 신호를 생성합니다. 펄스 특성 (50..100ns 범위의 상승 시간)과 관련된 시스템 요구 사항에 따라 VSG는 10ns (100MHz 샘플 속도의 결과)의 짧은 시간 분해능으로 IQ 샘플을 생성합니다.
- 4. XPDR은 심문을 수집 및 분석하고 응답을 다시 보냅니다. 응답 내용은 XPDR 구성, 시뮬레이션 된 내비게이션 데이터 (예 : GNSS 데이터), 고도계 표시 등에 따라 다릅니다.
그림 3. XPDR 통신 라이브러리에 대한 데이터 흐름 그래프
XPDR 통신 라이브러리의 소프트웨어 정의 처리는 XPDR 테스트 시스템에 새로운 기술 기능을 제공합니다. FPGA는 엄격하게 정의된 클록을 사용하여 포인트 별 처리를 통해 실시간 분석을 보장합니다. 이 맥락에서 이것은 다음을 의미합니다.
- 샘플링된 모든 데이터가 처리되고, 획득 사이에 데드 타임 없이 프로세스가 계속됩니다 (갭 프리).
- 모든 DSP 알고리즘은 하드웨어로 구현되어 (예: FFT 스펙트럼 생성) 최고의 안정성을 위해 실리콘에서 일관된 속도와 전용 로직을 제공합니다.
- 모든 측정은 병렬 처리 (작업 병렬 처리, 데이터 병렬 처리, 파이프 라이닝)에 의해 달성되는 높은 속도로 수행됩니다.
사용자 프로그래밍이 가능하고 완전히 결정적인 FPGA는 새로운 수준의 성능과 유연성을 제공합니다.
XPDR 통신 라이브러리는 모든 NI PXI RF 벡터 신호 생성기 및 분석기는 물론 FlexRIO RF 트랜시버와 같은 NI 소프트웨어 정의 무선 (SDR) 플랫폼과 호환됩니다 (피어 투 피어 스트림은 타겟 범위의 FIFO로 대체 됨).
시스템 대역폭
전체 시스템 대역폭은 RF 장비를 다룰 때 가장 중요한 문제 중 하나입니다. NI PXI Express 섀시는 광범위한 고성능 테스트 및 측정 어플리케이션 요구를 충족하는 고 대역폭 백플레인을 제공합니다. NI 피어-투-피어 기술은 높은 처리량과 짧은 지연 시간 (~ 10us) 모듈 간 데이터 전송을 보장합니다.
XPDR 테스트 시스템에서 다음 링크로 데이터 전송을 그룹화 할 수 있습니다.
- FPGA-VSG 피어-투-피어 링크 —100MS / s, 4B / S, 2X TX 채널은 800MB / s 제공
- VSA-FPGA 피어-투-피어 링크 —50MS / s, 4B / S, 2X RX 채널은 400MB / s 제공
- FPGA DMA 링크로 /로부터 호스트 — 최대 16 개의 DMA 채널, 시스템 부하에 따라 다름, 평균 10MB / s
총 시스템 대역폭이 1.2 GB/s를 초과합니다.
시스템 타이밍 및 동기화
적절한 타이밍과 신뢰할 수 있는 동기화 방법은 테스트 시스템의 핵심 요소입니다. NI PXI Express 섀시의 PXI 백플레인은 장기적이고 안정적인 RF 측정을 충족하기 위해 타이밍, 동기화 및 트리거를 지원합니다. 동기화는 PXI 10MHz 참조 클럭을 공유하여 이루어집니다. 타이밍 정렬을 용이하게 하기 위해 NI PXI 모듈은 시작 트리거를 공유합니다. 생성과 수집은 정확히 동시에 시작됩니다 (나머지 XPDR 테스트 시스템에 대해 엄격하게 정의 됨).
예제 테스트 절차
XPDR 둔감 화 및 복구 테스트 절차 (DO-181E 문서의 2.4.2.6)는 XPDR 수신기가 신호 강도가 있는 둔감성 펄스를 수신 한 후 15us 이내에 최소 트리거링 레벨 (MTL 약 74dBm)의 3dB 이내에서 감도를 복구해야 하는지 확인합니다. MTL보다 최대 50dB 높습니다. 예를 들어, 고전력 모드 S 질의 신호 (예 : MTL을 통한 50dB)가 트랜스 폰더로 전송되고 그 고출력 신호 직후 (수 µs 후) MTL +3에 도달하는 모드 A 질의 신호가 있습니다. dB 레벨. 트랜스 폰더는 입력에서 이러한 동적 범위 RF 신호에 대해 정의된 응답 효율로 반응해야 합니다.
XPDR 최대 감수성 테스트 절차는 부하 테스트로, 4 초 이내에 수백 개의 질문이 생성됩니다 (지연, 기간, 전력, 콘텐츠 및 간섭이 다양한 모드 A, 모드 C 및 모드 S). 4 초 후 응답기는 거의 2,000 ADS-B In 신호로 1 초 동안 조사됩니다. 트랜스 폰더는 나중에 RF 응답을 생성 할뿐만 아니라 수신 된 모든 ADS-B 메시지 스트림을 이더넷 인터페이스로 반복해야 합니다. 이 테스트는 수백 대가 아니더라도 수십 대의 비행기가 공항과 충돌 방지 시스템에 근접한 극한 상황에서 시스템의 동작을 분석하는 데 매우 중요합니다.
이 두 가지 예제 테스트는 소프트웨어 정의 계측기 및 PXI 폼 팩터의 NI RF 솔루션에 기반한 솔루션의 성능을 보여줍니다. 시스템은 간섭 신호 생성 가능성을 포함하여 고도로 사용자 정의 가능한 지연, 전력 및 모양으로 많은 수의 신호 조사를 예약 할 수 있습니다.
비즈니스 결과 및 다음 단계
우리는 트랜스 폰더 연구 및 개발의 여러 단계에서 XPDR 테스트 시스템을 개발했습니다. 쉽게 재구성 할 수 있는 FPGA의 특성 덕분에 테스트 세트를 새로운 기능에 빠르게 적용 할 수 있었습니다. 상용 RF 하드웨어를 사용하는 개방형 소프트웨어 정의 펌웨어 (FPGA)를 사용하여 플랫폼을 테스트하는 혁신적인 NI 접근 방식은 복잡한 테스트 시나리오를 준비하고 수행하는데 필요한 시간을 단축했습니다.
NI는 자동화 된 테스트 시스템에 완전히 새로운 기술 기능을 제공합니다. 이를 통해 장기 개발 테스트를 통해 새로운 수준의 성능과 신뢰성을 확인할 수 있습니다 (전체 테스트 세트는 연중 무휴 2주, 단일 테스트 세트는 수개월 동안 작동). 테스트 시스템의 오류는 테스트 시간을 상당히 연장시켜 결과적으로 추가 제품 개발을 지연시킬 수 있습니다.
또한 NI가 FlexRIO와 RF 계측기 간의 스트리밍 기능에 대한 중요한 정보, 벤치 마크 및 LabVIEW FPGA 예제를 제공하여 프로젝트를 지원함으로써 NI PXI RF 플랫폼으로 이동하는 프로세스를 간소화했다는 점도 주목할 가치가 있습니다.
XPDR 테스트 시스템을 사용하여 제조 과정에서 XPDR을 테스트합니다.
