基于DSP的微波著陸信號處理系統(tǒng)設(shè)計

在民用航空飛速發(fā)展的今天，民用航空運(yùn)輸已經(jīng)成為全球主要的和重要的運(yùn)輸手段之一，飛機(jī)如何安全著陸是飛機(jī)飛行過程中面臨的最重要的問題。微波著陸系統(tǒng)（MLS）由方位引導(dǎo)、仰角引導(dǎo)和拉平仰角引導(dǎo)等設(shè)備所組成。方位引導(dǎo)是在水平面上可在跑道中心線每邊20 ～60 區(qū)域內(nèi)提供任意要求的航道，仰角引導(dǎo)是在垂直面上可以提供許多下滑道 （如從1 ～15 ），拉平仰角引導(dǎo)基本原理與仰角引導(dǎo)相同，但所發(fā)射的是更窄 更薄的波瓣，以便為拉平階段的飛機(jī)提供精確的仰角引導(dǎo)信息，該系統(tǒng)具有提供精密測距信息的能力。微波著陸系統(tǒng)工作在微波波段，空間掃描的波瓣主要依靠天波來形成，受地形和地物的影響較小，因此具有儀表著陸系統(tǒng)無法比擬的高精度、高穩(wěn)定性、易架設(shè)、易調(diào)整等優(yōu)點；適用于作各種起落的各型飛機(jī)。本設(shè)計就是根據(jù)MLS的工作原理，介紹了基于DSP實現(xiàn)的算法——DPSK自適應(yīng)解調(diào)和系統(tǒng)硬件設(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(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。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)載接收機(jī)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(jī)著陸所需要的各個數(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。

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　　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，同時還產(chǎn)生一個同步脈沖。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(jìn)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(dá)到了一定數(shù)值時才允許接收機(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(jī)信號處理系統(tǒng)的設(shè)計原理

　　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)，同時計算出當(dāng)前飛機(jī)的角位置。為了實現(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。

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　　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)。基帶信息處理系統(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(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。

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　　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(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。