基于DSP的微波著陸信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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1 微波著陸系統(tǒng)的工作原理
微波著陸系統(tǒng)(MLS)包括機(jī)場地面發(fā)射臺及機(jī)載接收設(shè)備兩部分。地面發(fā)射臺分為7個(gè)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(jī)、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(xiàng)。機(jī)載設(shè)備分為微波著陸接收機(jī)和精密測距收發(fā)機(jī)兩部分。機(jī)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(jī)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(jī)載接收機(jī)通過接收各個(gè)分系統(tǒng)的信號,識別出各個(gè)系統(tǒng)的功能識別碼,然后作出相應(yīng)的處理,計(jì)算出飛機(jī)著陸所需要的各個(gè)數(shù)據(jù),控制飛機(jī)的飛行姿勢,達(dá)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(jìn)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(shí)還產(chǎn)生一個(gè)同步脈沖。包絡(luò)處理系統(tǒng)根據(jù)包絡(luò)信號及時(shí)間閘門產(chǎn)生一對跟掃描脈沖時(shí)刻一致的鎖住閘門信號(脈沖對),同時(shí)通過不斷比較時(shí)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(jì)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(jìn)行跟蹤,輸出時(shí)間閘門,只允許包絡(luò)處理系統(tǒng)處理對時(shí)間閘門內(nèi)的包絡(luò)信號進(jìn)行分析,消除了多徑干擾的影響。角度計(jì)算系統(tǒng)計(jì)算鎖住閘門的時(shí)間間隔,然后把時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換成角度。置信計(jì)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(jì)數(shù)達(dá)到了一定數(shù)值時(shí)才允許接收機(jī)的輸出結(jié)果送到飛行控制系統(tǒng)中。系統(tǒng)工作時(shí)鐘用于系統(tǒng)的時(shí)鐘同步,也用于角度計(jì)算系統(tǒng)的時(shí)間計(jì)數(shù)。
2 接收機(jī)信號處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理
2.1 接收機(jī)信號處理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
接收機(jī)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(jìn)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(shí)計(jì)算出當(dāng)前飛機(jī)的角位置。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求,文中把接收機(jī)信號處理系統(tǒng)分為以下幾個(gè)部分:包絡(luò)處理系統(tǒng)、基帶信息處理系統(tǒng)、角度計(jì)算系統(tǒng)、掃描脈沖跟蹤系統(tǒng)、置信計(jì)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(jìn)制差分相位鍵控(2DPSK)方式調(diào)制。接收機(jī)天線接收到C波段(5 000 MHz)的射頻信號后,與本振信號進(jìn)行混頻,得到30 MHz的中頻已調(diào)信號。該信號是一個(gè)限幅的中頻信號,丟失了幅度信息,所以接收機(jī)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(jìn)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(shí)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(diǎn),系統(tǒng)使用了LMS自適應(yīng)解調(diào)的方法,對DPSK基帶信號進(jìn)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(shí)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(diǎn)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(shí)現(xiàn),其實(shí)現(xiàn)原理圖,如圖3所示。
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中頻信號通過相位檢測濾波后,得到一個(gè)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(gè)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(gè)方波信號。最后通過位同步時(shí)鐘對該方波進(jìn)行抽樣判決,直接恢復(fù)出基帶DPSK信號,不需要進(jìn)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(diǎn),根據(jù)微波著陸信號的參數(shù)設(shè)計(jì)仿真輸入信號,對自適應(yīng)DPSK解調(diào)進(jìn)行了Matlab仿真。設(shè)計(jì)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(jī)噪聲。仿真時(shí)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(shí),相位發(fā)生變化,當(dāng)原始信號為“0”時(shí),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(gè)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(gè)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(jìn)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(shí)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(gè)響應(yīng)時(shí)間。因此前一個(gè)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(jìn)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(shí)現(xiàn)DPSK信號的解調(diào)。
3 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)使用ADI公司的新一代定點(diǎn)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(shí)現(xiàn)中頻采樣,同時(shí)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(jìn)行采樣數(shù)據(jù)的交換,同時(shí)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(jìn)行。同時(shí)設(shè)計(jì)了RS232通信單元,用于系統(tǒng)的調(diào)試及系統(tǒng)正常工作時(shí)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。考慮到系統(tǒng)的程序代碼量比較大,所以設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)性。在電源的設(shè)計(jì)中,模擬電源與數(shù)字電源獨(dú)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(shí)現(xiàn)。接收機(jī)的中頻處理系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)框圖,如圖6所示。
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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(jìn)行解調(diào)是行之有效的,能夠取得良好的解調(diào)效果。同時(shí)對微波著陸接收機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),利用先進(jìn)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(jì)提供了一種新的途徑。