基于DSP的微波著陸信號處理系統(tǒng)設(shè)計
1 微波著陸系統(tǒng)的工作原理
微波著陸系統(tǒng)(MLS)包括機場地面發(fā)射臺及機載接收設(shè)備兩部分。地面發(fā)射臺分為7個部分：方位掃描波束發(fā)射臺、仰角掃描波束發(fā)射臺、拉平引導(dǎo)臺、方位引導(dǎo)臺、精密測距應(yīng)答機、全向著陸數(shù)據(jù)字發(fā)射臺，其中復(fù)飛方位引導(dǎo)臺為可選項。機載設(shè)備分為微波著陸接收機和精密測距收發(fā)機兩部分。機載設(shè)備在地面臺信號覆蓋范圍內(nèi)，通過接收地面臺發(fā)射的信號，向飛機領(lǐng)航員或駕駛員提供航向、下滑角、所選地面臺的莫爾斯識別等諸多信息。機載接收機通過接收各個分系統(tǒng)的信號，識別出各個系統(tǒng)的功能識別碼，然后作出相應(yīng)的處理，計算出飛機著陸所需要的各個數(shù)據(jù)，控制飛機的飛行姿勢，達到安全著陸的目的。著陸系統(tǒng)地面設(shè)備布局，如圖1所示。其中1為方位引導(dǎo)臺；2為精密測距應(yīng)答臺；3為拉平引導(dǎo)臺(測量離地高度)；4為下滑引導(dǎo)臺(測量仰角)；5為復(fù)飛引導(dǎo)臺。
基帶信息處理系統(tǒng)通過對限幅中頻信號進行解調(diào)，恢復(fù)出地面設(shè)備發(fā)送的基本數(shù)據(jù)及輔助數(shù)據(jù)和莫爾斯碼，同時還產(chǎn)生一個同步脈沖。包絡(luò)處理系統(tǒng)根據(jù)包絡(luò)信號及時間閘門產(chǎn)生一對跟掃描脈沖時刻一致的鎖住閘門信號(脈沖對)，同時通過不斷比較時間閘門內(nèi)包絡(luò)信號的大小，產(chǎn)生重置信號，重新復(fù)位角度計算系統(tǒng)及掃描脈沖跟蹤系統(tǒng)。掃描脈沖跟蹤系統(tǒng)用于降低多徑干擾對系統(tǒng)的影響。由于多徑干擾產(chǎn)生的脈沖會影響鎖住閘門的可靠性，掃描脈沖跟蹤系統(tǒng)通過對掃描脈沖進行跟蹤，輸出時間閘門，只允許包絡(luò)處理系統(tǒng)處理對時間閘門內(nèi)的包絡(luò)信號進行分析，消除了多徑干擾的影響。角度計算系統(tǒng)計算鎖住閘門的時間間隔，然后把時間間隔轉(zhuǎn)換成角度。置信計數(shù)用于確定處理器當(dāng)前輸出角度的可靠性，只有置信計數(shù)達到了一定數(shù)值時才允許接收機的輸出結(jié)果送到飛行控制系統(tǒng)中。系統(tǒng)工作時鐘用于系統(tǒng)的時鐘同步，也用于角度計算系統(tǒng)的時間計數(shù)。
2 接收機信號處理系統(tǒng)的設(shè)計原理
2．1 接收機信號處理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
接收機信號處理系統(tǒng)的主要任務(wù)是對中頻信號及包絡(luò)信號進行分析處理，最后恢復(fù)出地面設(shè)備發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，同時計算出當(dāng)前飛機的角位置。為了實現(xiàn)系統(tǒng)要求，文中把接收機信號處理系統(tǒng)分為以下幾個部分：包絡(luò)處理系統(tǒng)、基帶信息處理系統(tǒng)、角度計算系統(tǒng)、掃描脈沖跟蹤系統(tǒng)、置信計數(shù)，其結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示。
2．2 基帶信息處理系統(tǒng)算法及仿真
微波著陸系統(tǒng)信息的傳輸使用二進制差分相位鍵控(2DPSK)方式調(diào)制。接收機天線接收到C波段(5 000 MHz)的射頻信號后，與本振信號進行混頻，得到30 MHz的中頻已調(diào)信號。該信號是一個限幅的中頻信號，丟失了幅度信息，所以接收機還會輸出一路只有幅度信息的包絡(luò)檢波信號作為有無掃描脈沖的判斷依據(jù)?；鶐畔⑻幚硐到y(tǒng)對30 MHz中頻進行中頻采樣，通過解調(diào)及重采樣恢復(fù)出15．625 kHz的基帶信號。微波著陸系統(tǒng)的中頻信號帶有很大的噪聲干擾，信噪比可能是負(fù)值，同時還會帶有多普勒頻移及相位干擾。針對微波著陸信號的特點，系統(tǒng)使用了LMS自適應(yīng)解調(diào)的方法，對DPSK基帶信號進行恢復(fù)。
2．2．1 DPSK自適應(yīng)解調(diào)原理
自適應(yīng)DPSK解調(diào)是DPSK解調(diào)又一實現(xiàn)方法。自適應(yīng)解調(diào)的誤碼性能比相干解調(diào)的誤碼性能優(yōu)越。自適應(yīng)解調(diào)的主要缺點是它要求載波頻率比數(shù)據(jù)頻率高得多，但這在DPSK調(diào)制方式中是可以滿足的。由于LMS算法的迭代關(guān)系，自適應(yīng)解調(diào)算法更適用于DSP技術(shù)的一體化實現(xiàn)，其實現(xiàn)原理圖，如圖3所示。
[!--empirenews.page--]
中頻信號通過相位檢測濾波后，得到一個帶有陷落的本振信號，對其求絕對值，再經(jīng)過均值濾波，濾除噪聲引起的小陷落及本振信號，得到一個平滑的不帶本振的陷落信號。把該信號與陷落門限相比較，并通過單穩(wěn)整形，恢復(fù)出一個方波信號。最后通過位同步時鐘對該方波進行抽樣判決，直接恢復(fù)出基帶DPSK信號，不需要進行差分譯碼。
2．2．2 DPSK自適應(yīng)解調(diào)仿真
針對微波著陸系統(tǒng)信號的特點，根據(jù)微波著陸信號的參數(shù)設(shè)計仿真輸入信號，對自適應(yīng)DPSK解調(diào)進行了Matlab仿真。設(shè)計仿真輸入信號的中頻載波為30 MHz，系統(tǒng)采樣率為100 MHz，調(diào)制信號的數(shù)據(jù)速率為15．625 kHz，信噪比為0 dB，本地載波的頻率為30 MHz。噪聲源為方差為1的正態(tài)分布隨機噪聲。仿真時間取0．6 ms，仿真的輸出波形如下。
如圖4所示，圖4(a)為原始信號，原始信號通過差分編碼器后，輸出如圖4(b)所示的差分編碼信號。當(dāng)原始信號為“1”時，相位發(fā)生變化，當(dāng)原始信號為“0”時，相位不發(fā)生變化。差分編碼信號通過調(diào)制器調(diào)制到帶噪聲的載波上，形成如圖4(c)所示的DPSK調(diào)制信號。由于載波的頻率較高，所以相位突變的細(xì)節(jié)不清晰。DPSK已調(diào)信號通過相位檢測后，輸出如圖4(d)所示的帶有波形陷落的信號。該波形陷落是由于已調(diào)信號的相位突變，本振信號跟蹤相位突變造成的。這個波形的陷落程度與自適應(yīng)濾波器的調(diào)整步長有關(guān)。由圖4(d)可以看出，每一次波形的陷落都反映了差分編碼信號相位的變化。相位檢測輸出波形經(jīng)過取絕對值后輸出波形，如圖4(e)所示。圖4(e)的波形再通過均值濾波器后，形成圖4(f)波形。圖4(f)是一個平滑的陷落波形，其平滑程度與噪聲大小及均值濾波的階數(shù)有關(guān)。
如圖5所示，對圖5(a)輸出的均值濾波波形進行門限比較，并且通過單穩(wěn)的方式輸出比較結(jié)果。單穩(wěn)的時間與DPSK傳輸碼元的寬度一致。圖5(c)是位同步脈沖的輸出，該脈沖是由濾波器濾波輸出的，所以需要一個響應(yīng)時間。因此前一個同步脈沖是無效的。用同步脈沖的下降沿對單穩(wěn)輸出結(jié)果進行采樣，恢復(fù)出如圖5(d)所示的數(shù)、據(jù)。如圖4(a)是發(fā)送的原始信號波形，如圖5(d)是解調(diào)恢復(fù)后的數(shù)據(jù)波形。通過對比發(fā)現(xiàn)，自適應(yīng)解調(diào)算法能夠正確地實現(xiàn)DPSK信號的解調(diào)。
3 系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)
系統(tǒng)使用ADI公司的新一代定點DSP—BF532作為系統(tǒng)的信號處理器。使用Altera公司的Stratix系列FPGA及高速AD實現(xiàn)中頻采樣，同時擔(dān)負(fù)部分微波著陸信號的處理任務(wù)。DSP通過其內(nèi)部的PPI(并行外設(shè)接口)接口與FPGA進行采樣數(shù)據(jù)的交換，同時通過DSP的數(shù)據(jù)總線協(xié)調(diào)FPGA的工作。與飛行控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信則通過數(shù)據(jù)總線和地址總線的方式進行。同時設(shè)計了RS232通信單元，用于系統(tǒng)的調(diào)試及系統(tǒng)正常工作時設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)。DSP采用外部并行Flash引導(dǎo)方式，F(xiàn)lash通過數(shù)據(jù)總線及地址總線連接到DSP系統(tǒng)中?？紤]到系統(tǒng)的程序代碼量比較大，所以設(shè)計了外部SRAM單元，DSP的部分程序放置到外部的SRAM空間中，中頻采樣回來的數(shù)據(jù)則放在DSP內(nèi)部的SRAM中，這樣做可以更好地發(fā)揮DSP的數(shù)據(jù)處理能力，提高系統(tǒng)的實時性。在電源的設(shè)計中，模擬電源與數(shù)字電源獨立。為了降低系統(tǒng)的功耗，數(shù)字系統(tǒng)電源采用開關(guān)電源。為了提高模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的精度及穩(wěn)定性，模擬部分電源則采用線性穩(wěn)壓電源實現(xiàn)。接收機的中頻處理系統(tǒng)具體實現(xiàn)框圖，如圖6所示。
[!--empirenews.page--]
4 結(jié)束語
通過對微波著陸系統(tǒng)的分析，以及對DPSK解調(diào)的仿真。分析結(jié)果及仿真結(jié)果表明，使用自適應(yīng)濾波解調(diào)原理對微波著陸系統(tǒng)信號進行解調(diào)是行之有效的，能夠取得良好的解調(diào)效果。同時對微波著陸接收機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用先進的DSP技術(shù)簡化了傳統(tǒng)的微波著陸信號處理方案。為微波著陸系統(tǒng)的設(shè)計提供了一種新的途徑。
下載文檔
