基于DSP的微波著陸信號處理系統(tǒng)設計
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、拉平引導臺、方位引導臺、精密測距應答機、全向著陸數(shù)據(jù)字發(fā)射臺，其中復飛方位引導臺為可選項。機載設備分為微波著陸接收機和精密測距收發(fā)機兩部分。機載設備在地面臺信號覆蓋范圍內，通過接收地面臺發(fā)射的信號，向飛機領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)地面設備布局，如圖1所示。其中1為方位引導臺；2為精密測距應答臺；3為拉平引導臺(測量離地高度)；4為下滑引導臺(測量仰角)；5為復飛引導臺。
基帶信息處理系統(tǒng)通過對限幅中頻信號進行解調，恢復出地面設備發(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。包絡處理系統(tǒng)根據(jù)包絡信號及時間閘門產(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包絡信號的大小，產(chǎn)生重置信號，重新復位角度計算系統(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，只允許包絡處理系統(tǒng)處理對時間閘門內的包絡信號進行分析，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，然后把時間間隔轉換成角度。置信計數(shù)用于確定處理器當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)的設計原理
2．1 接收機信號處理系統(tǒng)總體結構
接收機信號處理系統(tǒng)的主要任務是對中頻信號及包絡信號進行分析處理，最后恢復出地面設備發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，同時計算出當前飛機的角位置。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)，其結構框圖，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檢波信號作為有無掃描脈沖的判斷依據(jù)。基帶信息處理系統(tǒng)對30 MHz中頻進行中頻采樣，通過解調及重采樣恢復出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自適應解調的方法，對DPSK基帶信號進行恢復。
2．2．1 DPSK自適應解調原理
自適應DPSK解調是DPSK解調又一實現(xiàn)方法。自適應解調的誤碼性能比相干解調的誤碼性能優(yōu)越。自適應解調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調制方式中是可以滿足的。由于LMS算法的迭代關系，自適應解調算法更適用于DSP技術的一體化實現(xiàn)，其實現(xiàn)原理圖，如圖3所示。
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，直接恢復出基帶DPSK信號，不需要進行差分譯碼。
2．2．2 DPSK自適應解調仿真
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)設計仿真輸入信號，對自適應DPSK解調進行了Matlab仿真。設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。當原始信號為“1”時，相位發(fā)生變化，當原始信號為“0”時，相位不發(fā)生變化。差分編碼信號通過調制器調制到帶噪聲的載波上，形成如圖4(c)所示的DPSK調制信號。由于載波的頻率較高，所以相位突變的細節(jié)不清晰。DPSK已調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濾波器的調整步長有關。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。
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)輸出結果進行采樣，恢復出如圖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)是解調恢復后的數(shù)據(jù)波形。通過對比發(fā)現(xiàn)，自適應解調算法能夠正確地實現(xiàn)DPSK信號的解調。
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，同時擔負部分微波著陸信號的處理任務。DSP通過其內部的PPI(并行外設接口)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。同時設計了RS232通信單元，用于系統(tǒng)的調試及系統(tǒng)正常工作時設置系統(tǒng)參數(shù)。DSP采用外部并行Flash引導方式，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。
4 結束語
通過對微波著陸系統(tǒng)的分析，以及對DPSK解調的仿真。分析結果及仿真結果表明，使用自適應濾波解調原理對微波著陸系統(tǒng)信號進行解調是行之有效的，能夠取得良好的解調效果。同時對微波著陸接收機的結構設計，利用先進的DSP技術簡化了傳統(tǒng)的微波著陸信號處理方案。為微波著陸系統(tǒng)的設計提供了一種新的途徑。
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