DME應(yīng)答接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：

應(yīng)答接收機(jī)是通用航空測距機(jī)地面設(shè)備的核心，接收來自飛機(jī)的高斯脈沖對(duì)測量其與地面臺(tái)之間的距離。接收機(jī)采用數(shù)字化、模塊化的設(shè)計(jì)方法，按功能劃分成不同的模塊，以FPGA為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)。將設(shè)計(jì)分為接收機(jī)通道部分和后端信號(hào)處理部分兩大模塊，其中，接收機(jī)通道部分又分為射頻處理、半幅檢波等模塊；后端信號(hào)處理部分又分為譯碼編碼、莫爾斯識(shí)別脈沖生成、發(fā)射脈沖優(yōu)先權(quán)控制等模塊。經(jīng)測試表明，電路性能穩(wěn)定，工作可靠。

0 引言

距離測量設(shè)備(Distance Measuring Equipment，DME)是國際民航組織(ICAO)批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)[1]，由地面設(shè)備和機(jī)載設(shè)備兩部分組成，為飛機(jī)提供相對(duì)于地面臺(tái)的斜距[2]。

隨著通用航空迅速的發(fā)展，天空中的飛行器會(huì)越來越多，這就對(duì)接收機(jī)的處理能力提出了更高的要求[3]。目前現(xiàn)有接收機(jī)采用模擬信號(hào)接收機(jī)，本設(shè)計(jì)充分利用FPGA的并行處理能力，大大提高了信號(hào)處理速度，提高了系統(tǒng)的容量。本次設(shè)計(jì)的數(shù)字接收機(jī)將在射頻端完成數(shù)字化。

1 DME應(yīng)答接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DME是一種詢問回答式脈沖測距系統(tǒng)，距離是通過對(duì)無線電脈沖信號(hào)在飛機(jī)與地面信標(biāo)之間往返時(shí)間的測量獲得的[4]。DME測距系統(tǒng)簡化組成如圖1所示。

地面應(yīng)答器接收機(jī)接收到機(jī)載詢問器發(fā)射機(jī)發(fā)射來的詢問脈沖信號(hào)，經(jīng)過一個(gè)固定的延時(shí)后轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)適當(dāng)?shù)幕卮鹦盘?hào)[5]。該回答信號(hào)由機(jī)載設(shè)備接收，通過計(jì)算機(jī)載發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)之間的延時(shí)時(shí)間，得出飛機(jī)與地面臺(tái)間的斜距，如式(1)所示。

式中：T為DME機(jī)載設(shè)備測量得到的發(fā)射和接收信號(hào)之間的時(shí)間間隔；T0為系統(tǒng)延時(shí)，即DME地面臺(tái)內(nèi)部的固定時(shí)延，一般為50 μs；C為電磁波傳播速度，即光速。

針對(duì)DME應(yīng)答器接收機(jī)的功能與特性，將其分為接收機(jī)通道和信號(hào)處理兩個(gè)模塊進(jìn)行研究，應(yīng)答接收機(jī)配置如圖2所示。

2 接收機(jī)通道模塊設(shè)計(jì)

接收機(jī)通道的作用從整體來說是接收發(fā)來的詢問信號(hào)，進(jìn)行判斷處理，若為有效信號(hào)，則發(fā)送給信號(hào)處理板。接收機(jī)通道硬件組成如圖3所示。

2.1 射頻處理模塊

預(yù)選器、射頻放大器和第一混頻器可以起到抑制發(fā)射頻率信號(hào)、鏡像頻率信號(hào)和其他雜散信號(hào)、低噪聲放大天線接收到的信號(hào)及轉(zhuǎn)換接收頻率為63 MHz中頻的作用。

2.2 半幅度檢測電路

半幅度檢測電路是接收機(jī)通道的核心，主要包括：

(1)視頻運(yùn)算放大器：63 MHz檢波輸出與來自調(diào)制器的接收機(jī)禁止脈沖都送至視頻運(yùn)算放大器。

(2)峰值監(jiān)測器：峰值監(jiān)測器檢測已被衰減一半的詢問視頻信號(hào)的峰值。

(3)觸發(fā)比較器：當(dāng)詢問視頻信號(hào)大于靈敏度門檻設(shè)置時(shí)，當(dāng)詢問視頻信號(hào)大于自動(dòng)增益降低控制電壓時(shí)，當(dāng)詢問視頻信號(hào)大于抗回波制約值時(shí)（制約值=直達(dá)波+3 dB），觸發(fā)半幅檢波“使能”信號(hào)。

2.3 詢問觸發(fā)產(chǎn)生電路

半幅度檢測電路輸出較寬的觸發(fā)脈沖，經(jīng)微分電路變成寬度為100 ns的脈沖，受鑒頻器的控制，輸出詢問觸發(fā)脈沖，送至信號(hào)處理作進(jìn)一步的信號(hào)處理。

3 信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)處理器承擔(dān)著系統(tǒng)所有信號(hào)的譯碼、編碼、識(shí)別脈沖的生成、信號(hào)發(fā)射順序等工作，它也是測距系統(tǒng)中重要的組成部分之一。

3.1 譯碼器

譯碼器受控制器的控制，有X—模式、Y—模式等二種譯碼時(shí)間的設(shè)置。信號(hào)處理譯碼器的邏輯原理關(guān)系示于圖4。

3.2 主延時(shí)

主延時(shí)受控于控制器，根據(jù)兩個(gè)監(jiān)測器對(duì)應(yīng)答延時(shí)的監(jiān)測結(jié)果，求出應(yīng)有的主延時(shí)量，主延時(shí)結(jié)束時(shí)產(chǎn)生應(yīng)答觸發(fā)脈沖。主延時(shí)原理方框圖示如圖5。

3.3 信號(hào)處理模塊邏輯設(shè)計(jì)

譯碼編碼、自動(dòng)增益控制等模塊是利用狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換進(jìn)行編寫的。狀態(tài)機(jī)共分為4個(gè)狀態(tài)：rev_s0、rev_s1、rev_s2、rev_s3，具體實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示。

其中，rev_s0為等待狀態(tài)，當(dāng)有詢問脈沖到來時(shí)進(jìn)入rev_s1狀態(tài)。

在rev_s1狀態(tài)下，判斷是否為有效的詢問脈沖，如果是有效的詢問觸發(fā)脈沖，則進(jìn)入rev_s2狀態(tài)。

在rev_s2狀態(tài)下，判斷應(yīng)答脈沖是否發(fā)送完畢，如果發(fā)送完畢，則進(jìn)入rev_s3狀態(tài)。

在rev_s3狀態(tài)下，判斷靜寂時(shí)間是否結(jié)束，如果靜寂時(shí)間結(jié)束，則返回rev_s0的等待狀態(tài)。

4 應(yīng)答接收機(jī)功能仿真與測試

采用Xilinx ISE Design Suite 13.1自帶仿真軟件I-sim進(jìn)行仿真[6]。

4.1 接收機(jī)通道功能仿真

A/D采樣數(shù)據(jù)仿真（由十進(jìn)制表示）如圖7所示。

在上述仿真示意圖中，系統(tǒng)時(shí)鐘為50 MHz，A/D采樣頻率為20 MHz，A/D采樣到的數(shù)據(jù)是經(jīng)過MATLAB模擬出來以供仿真使用。

根據(jù)脈沖檢測模塊的工作原理，如果接收到的高斯脈沖對(duì)是有效的，而且半幅度值計(jì)算也正確，那么可以通過詢問觸發(fā)脈沖的檢測確定該模塊的正確性，詢問觸發(fā)脈沖的仿真如圖8。

如上圖所示，圖中前兩行為系統(tǒng)時(shí)鐘和A/D采樣時(shí)鐘，第三行每一個(gè)陰影部分表示一組數(shù)據(jù)。因此，可以看到每兩個(gè)數(shù)據(jù)組結(jié)束后，第五行將會(huì)生成一個(gè)詢問觸發(fā)脈沖，表示接收機(jī)通道模塊的功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。

4.2 信號(hào)處理功能仿真

采用接收機(jī)通道生成的詢問觸發(fā)脈沖，對(duì)信號(hào)處理模塊功能進(jìn)行檢驗(yàn)。首先，應(yīng)答脈沖的生成仿真如圖9所示。

如圖9所示，第一行為詢問觸發(fā)脈沖，第二行為應(yīng)答脈沖，二者之間有一個(gè)固定延時(shí)，用來進(jìn)行距離測量。信號(hào)處理模塊功能得以實(shí)現(xiàn)。

4.3 測試結(jié)果

首先，檢測A/D能正常工作之后，對(duì)接收機(jī)通道模塊的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，詢問觸發(fā)脈沖經(jīng)示波器顯示，當(dāng)發(fā)送脈沖為符合半幅脈沖檢測要求的高斯脈沖對(duì)時(shí)，測得實(shí)際接收到的詢問觸發(fā)脈沖寬度為12.2 μs，與12 μs的標(biāo)準(zhǔn)脈沖相差0.2 μs，符合要求。

信號(hào)處理模塊接收到詢問脈沖對(duì)，進(jìn)行譯碼處理，并生成莫爾斯識(shí)別脈沖。通過示波器觀察，測試結(jié)果如表1所示。

如上表所示，經(jīng)過大量試驗(yàn)后，詢問脈沖對(duì)與應(yīng)答脈沖之間的固定延時(shí)最大為50.4 μs，與設(shè)置的50 μs標(biāo)準(zhǔn)延時(shí)相差最大0.4 μs，在誤差范圍內(nèi)。因此，信號(hào)處理模塊的譯碼功能得以實(shí)現(xiàn)。

莫爾斯脈沖的生成，是以1 MHz為時(shí)鐘基準(zhǔn)，分頻產(chǎn)生1 350 Hz的脈沖方波，方波寬度為1 μs，1 350 Hz的脈沖方波作為MORSE碼的點(diǎn)或劃的調(diào)制輸出脈沖，因此1 M/1 350=741 μs。根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)，每兩個(gè)脈沖之間最大間隔為744 μs，符合要求。

5 結(jié)論

本文對(duì)DME應(yīng)答接收機(jī)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，通過模擬飛機(jī)發(fā)送的高斯詢問脈沖對(duì)應(yīng)答接收機(jī)進(jìn)行測試，從測試結(jié)果可以看出該接收機(jī)可以正常接收并生成應(yīng)答脈沖，實(shí)測結(jié)果符合理論分析。此外，通過模擬畸變的詢問脈沖對(duì)對(duì)接收機(jī)抑制回波、抗干擾等性能測試，從各個(gè)指標(biāo)的測試結(jié)果來看，半幅檢波的功能得以實(shí)現(xiàn)，且識(shí)別脈沖、隨機(jī)脈沖、靈敏度控制等功能均滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。目前，本接收機(jī)已制成樣機(jī)，投入調(diào)試使用。