張建明

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所,陜西西安710068)

0 引言

針對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的特性,采用軟件無線電原理進(jìn)行了接收機(jī)的設(shè)計(jì),該接收機(jī)的主要功能是完成導(dǎo)航系統(tǒng)角度參數(shù)及數(shù)據(jù)信息的解算,為飛機(jī)提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的引導(dǎo)信號(hào)。

軟件無線電技術(shù)是現(xiàn)代通信技術(shù)及信號(hào)處理中重要的研究領(lǐng)域,其核心思想是將天線接收到的射頻信號(hào)盡可能數(shù)字化,將模擬信號(hào)變換成適合于數(shù)字信號(hào)處理的數(shù)據(jù)流,然后通過軟件算法來完成各種功能。由于具有良好的開放性和可編程性,采用軟件無線電原理對(duì)接收機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì),并且對(duì)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了仿真。

1 系統(tǒng)功能及信號(hào)特性

系統(tǒng)分為地面設(shè)備和機(jī)載設(shè)備,地面設(shè)備由方位制導(dǎo)設(shè)備、仰角制導(dǎo)設(shè)備和基本數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)向飛機(jī)提供用于精密進(jìn)近和著陸的必要基本數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)信息。基本數(shù)據(jù)包括地面設(shè)備識(shí)別、信號(hào)覆蓋范圍、可用最低下滑道、設(shè)備性能級(jí)別和所用頻道等與著陸有關(guān)的數(shù)據(jù),而輔助數(shù)據(jù)一般包括地面設(shè)備的安裝狀況、航空氣象情報(bào)、跑道狀況和其他輔助信息。

系統(tǒng)工作頻率為C波段,分為200個(gè)波道,波道間隔為300 kHz。地面臺(tái)信號(hào)的發(fā)射采用了時(shí)分多路復(fù)用技術(shù),全部角度制導(dǎo)信息和數(shù)據(jù)都在同一頻率上發(fā)射,不同功能的信號(hào)都占有自己的發(fā)射時(shí)隙,在每個(gè)發(fā)射時(shí)隙前部用差動(dòng)相移鍵控(DPSK)調(diào)制的前導(dǎo)碼來區(qū)分不同的模塊。下面以角度制導(dǎo)功能為例說明信號(hào)特性,角度制導(dǎo)功能包括前導(dǎo)信號(hào)、扇區(qū)信號(hào)和“往”、“返”掃描波束等部分組成。

①前導(dǎo)信號(hào)。前導(dǎo)信號(hào)包括3個(gè)部分:載波截獲段、接收機(jī)基準(zhǔn)時(shí)間碼和功能識(shí)別碼,全部信號(hào)在±42°(對(duì)于高速方位制導(dǎo)功能)的比例覆蓋區(qū)中發(fā)射,載波截獲段中有段同步頭,它是一段未經(jīng)調(diào)制的純載波,接著是用差分相移鍵控(DPSK)調(diào)制的編碼。差分相移鍵控是利用前后碼元之間載波相位的相對(duì)變化來傳遞信息的一種編碼方式。接收機(jī)基準(zhǔn)時(shí)間碼即同步碼,采用5位Barker碼,其固定形式為11101,其功能是使接收機(jī)在每個(gè)功能段都產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間,各個(gè)功能格式中的其他碼均嚴(yán)格按照基準(zhǔn)時(shí)間而產(chǎn)生;

②扇區(qū)信號(hào)。對(duì)于不同的功能來說,扇區(qū)信號(hào)的內(nèi)容也有所不同,對(duì)方位制導(dǎo)功能而言,由機(jī)載天線選擇脈沖、覆蓋區(qū)外指示(OCI)信號(hào)和接收處理器檢查脈沖組成;

③掃描波束。地面臺(tái)天線產(chǎn)生一個(gè)方向較窄的扇形波束,在比例覆蓋區(qū)內(nèi)進(jìn)行往返掃描,通過接收機(jī)得到一對(duì)“往”、“返”掃描脈沖,用于角度的測(cè)量。對(duì)方位臺(tái)而言,掃描波束在水平范圍內(nèi)順時(shí)針和逆時(shí)針掃描,對(duì)仰角臺(tái)則相對(duì)于向上和向下掃描。

2 基于軟件無線電接收電路的設(shè)計(jì)

2.1 電路組成

本電路主要由射頻接收前端、中頻電路、數(shù)據(jù)解調(diào)、幅度解調(diào)模塊和信號(hào)處理等模塊組成。接收機(jī)原理框圖如圖1所示。

圖1 接收機(jī)原理

天線接收到的地面設(shè)備發(fā)射信號(hào),經(jīng)低噪聲放大和混頻等電路后,把C波段信號(hào)下變頻為一固定頻率的中頻信號(hào),中頻信號(hào)經(jīng)過A/D采樣電路變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。采樣后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)帶通濾波處理后分2路輸出,一路信號(hào)通過DDC數(shù)字下變頻后進(jìn)行DPSK數(shù)據(jù)的解調(diào),輸出幀同步信號(hào)和基本數(shù)據(jù)字及輔助數(shù)據(jù)字,另一路信號(hào)進(jìn)行AM幅度解調(diào),解調(diào)出信號(hào)包絡(luò),最后通過信號(hào)處理模塊,解算出所需要的角度信息。

2.2 采樣頻率的確定

中頻直接采樣后的信號(hào)頻譜是原信號(hào)頻譜以采樣速率fs為周期的延拓。為了使頻譜不重疊,則信號(hào)作周期延拓時(shí)應(yīng)滿足一定的條件。

對(duì)于本接收機(jī)來說,中頻頻率f0=70 MHz,信號(hào)帶寬BW=120 kHz,根據(jù)帶通采樣定理,選取采樣頻率fs=40MHz。

2.3 數(shù)字下變頻及抽取電路

對(duì)A/D采樣后的數(shù)字信號(hào)先進(jìn)行帶通濾波,經(jīng)過數(shù)字下變頻(DDC),一路進(jìn)行數(shù)字信號(hào)解調(diào),另一路進(jìn)行幅度解調(diào)。

數(shù)字下變頻技術(shù)是軟件無線電的核心技術(shù)之一,其根本任務(wù)是實(shí)現(xiàn)從高數(shù)字中頻到低數(shù)字中頻或基帶信號(hào)的變換。A/D數(shù)字化后的中頻信號(hào)與數(shù)字本振cos(ω0n)相乘,經(jīng)過濾波處理,從而實(shí)現(xiàn)了將信號(hào)由高中頻搬到低中頻或基帶的變頻功能。

帶通濾波后的信號(hào)下變頻為800 kHz信號(hào),為了減小后續(xù)數(shù)字信號(hào)的處理壓力,對(duì)采樣率為40MHz的800 kHz信號(hào)進(jìn)行抽取。

2.4 數(shù)字信號(hào)的解調(diào)

數(shù)字信號(hào)解調(diào)相對(duì)比較復(fù)雜,包括載波恢復(fù)與跟蹤、幀同步信號(hào)的提取、相干解調(diào)和數(shù)據(jù)信號(hào)的抽樣判決等電路。

2.4.1 載波恢復(fù)與跟蹤

載波提取有平方環(huán)和costas鎖相環(huán)等幾種,平方環(huán)的工作頻率是載波頻率的2倍,當(dāng)工作頻率較高時(shí),平方環(huán)法不易實(shí)現(xiàn)。這里采用數(shù)字costas鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)載波恢復(fù)與跟蹤,并且根據(jù)環(huán)路鎖定時(shí)間、環(huán)路帶寬和采樣頻率等參數(shù)可設(shè)計(jì)出所需要的環(huán)路濾波器。costas環(huán)原理框圖如圖2所示。

圖2 costas環(huán)原理

2.4.2 相干解調(diào)及碼變換

解調(diào)器的任務(wù)是恢復(fù)出傳輸?shù)脑夹畔?在DPSK編碼中,數(shù)字信息是用前后碼元已調(diào)信號(hào)的相位變化來表示的,在輸入相同信噪比的情況下,雖然相干解調(diào)比非相干解調(diào)實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)復(fù)雜一些,但相干解調(diào)的誤碼率比非相干解調(diào)的誤碼率要低,為了盡可能提高系統(tǒng)的測(cè)試精度,在設(shè)計(jì)中采用相干解調(diào)方式來實(shí)現(xiàn)DPSK信號(hào)的解調(diào)。

2.4.3 幀同步信號(hào)的提取

為保證數(shù)字解調(diào)和后續(xù)信號(hào)處理,必須有一個(gè)同步系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中,采用5位巴克碼實(shí)現(xiàn)每一功能段的同步。巴克碼組具有尖銳單峰特性的自相關(guān)函數(shù),在求它的自相關(guān)函數(shù)時(shí),除了在時(shí)延j=0的情況下,序列中的全部元素都參加相關(guān)運(yùn)算外,在j≠0的情況下,序列中只有部分元素參加相關(guān)運(yùn)算,其表達(dá)式為:

巴克碼識(shí)別器輸出同步脈沖表示一幀的開始,作為每一功能段的同步信號(hào)。

2.5 幅度解調(diào)

為了保證解調(diào)的效果,幅度解調(diào)采用數(shù)字正交解調(diào)的方法,這種方法具有較強(qiáng)的抗載頻失配能力,即參考信號(hào)與輸入信號(hào)載波之間允許有一定程度的偏差,并且不要求嚴(yán)格的同頻同相。

設(shè)輸入信號(hào)為:S(n)=A(n)cos(ωcn+φ0)。式中,A(n)=A0+m(n),m(n)為幅度調(diào)制信號(hào)。

對(duì)信號(hào)正交分解后的同相分量和正交分量取模得:A0+m(n),減去直流分量A0就可得調(diào)制信號(hào)m(n)。

2.6 角度的測(cè)量

角度的測(cè)量基于時(shí)基掃描波束技術(shù),接收機(jī)在接收到“往”掃和“返”掃2次掃描波束后,測(cè)定其時(shí)間差,這個(gè)時(shí)間差值的大小與飛機(jī)在空中相對(duì)于跑道的角位置有直接關(guān)系,由此得到飛機(jī)在空中的角位置。

式中,θ為方位(或仰角)制導(dǎo)角度值(°);t為任意進(jìn)近角時(shí)飛機(jī)接收到“往”和“返”脈沖之間的時(shí)間差;T0為以零角度進(jìn)近飛機(jī)時(shí)接收到“往”和“返”脈沖之間的時(shí)間差;v為波束掃描速率,這里為20 000°/s。

以高速方位為例,此時(shí)最大掃描角度為-42°～+42°,往返掃描2次經(jīng)過中心0°之間的時(shí)間T0=4.8 ms,則

3 MATLAB仿真試驗(yàn)

為了分析系統(tǒng)解調(diào)的性能及角度解算的精度,采用MATLAB語言對(duì)信號(hào)解算進(jìn)行系統(tǒng)仿真,仿真分為模擬信號(hào)的產(chǎn)生、中頻采樣、數(shù)字下變頻及信號(hào)抽取、數(shù)據(jù)解調(diào)、幅度解調(diào)、角度信息解算等幾部分。

3.1 信號(hào)的產(chǎn)生

模擬信號(hào)為:

式中,數(shù)字中頻fc=70 MHz±2 kHz;采樣頻率fs=40 MHz;φ為產(chǎn)生的隨機(jī)相位;am(n)為基帶幅度調(diào)制信號(hào)。

由于仰角功能段中既有數(shù)據(jù)信息,又包含角度信息,同時(shí)相對(duì)于方位功能段時(shí)間長(zhǎng)度略短,有利于減小仿真時(shí)間,這里選取仰角功能段作為所需要的模擬信號(hào)。仰角功能的角度設(shè)為10.000°,中頻信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻偏為2 kHz,中頻信號(hào)輸出信噪比設(shè)為30 dB,采樣后的信號(hào)如圖3(a)所示。

3.2 中頻采樣及數(shù)字下變頻

載波為70MHz的信號(hào)經(jīng)采樣頻率40 MHz的信號(hào)采樣,經(jīng)帶通濾波后輸出載波頻率為800 kHz的信號(hào)。同時(shí),為減小后續(xù)電路的處理壓力,此時(shí)將采樣率為40MHz的800 kHz數(shù)字信號(hào)進(jìn)行10倍抽取,最終輸出采樣率為4MHz的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)和角度的解算。

3.3 數(shù)據(jù)信號(hào)的解調(diào)

3.3.1 同步

同步在信號(hào)解算中起著至關(guān)重要的作用,針對(duì)信號(hào)特性,分為載波同步和幀同步2個(gè)部分。

①載波同步信號(hào)的解算。由于數(shù)據(jù)信號(hào)為DPSK調(diào)制,在相干解調(diào)過程中,需要與一個(gè)接收載波同頻同相的本振信號(hào)。這里進(jìn)行科斯塔斯環(huán)算法進(jìn)行載波信號(hào)的提取。由仿真可以看出:當(dāng)輸入頻偏為2 kHz時(shí) ,經(jīng)過500 μ s后,恢復(fù)后的載波與輸入信號(hào)的載波頻率和相位誤差都非常小,滿足數(shù)據(jù)信號(hào)的相干解調(diào);

②幀同步信號(hào)的解算。通過幀同步信號(hào)的解算,可以對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行正確的抽樣判決,最終解算出信號(hào)所攜帶的數(shù)據(jù)信息。這里采用5位巴克碼信號(hào)作為接收機(jī)的幀同步碼,與標(biāo)準(zhǔn)巴克碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算后的峰值作為接收機(jī)信號(hào)解算的時(shí)間基準(zhǔn),如圖3(b)所示。

圖3 仿真結(jié)果輸出波形

3.3.2 基帶信號(hào)與數(shù)據(jù)信息的解算輸出

相干載波解算完成后,與輸入信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)即可解調(diào)出接收信號(hào)所攜帶的基帶信息,如圖3(d)所示。經(jīng)幀同步信號(hào)的解算,確定了整個(gè)接收機(jī)的基準(zhǔn),通過抽樣判決及碼變換電路最終得到巴克碼后所攜帶的數(shù)據(jù)信息為1100001,與仰角的功能識(shí)別碼相同,表明數(shù)據(jù)解算正常。

3.4 角度信息的解調(diào)

幅度解調(diào)如圖3(c)所示,通過測(cè)量2個(gè)掃描波束的時(shí)間就可得到具體的仰角數(shù)值,經(jīng)過多次仿真后發(fā)現(xiàn),當(dāng)輸入中頻信號(hào)信噪比大于30 dB時(shí),所測(cè)得的角度在±0.005°范圍內(nèi)變化,滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

由仿真結(jié)果可以看出,信號(hào)解調(diào)方案可行。為接收機(jī)各功能模塊的指標(biāo)分配及其參數(shù)的確定提供了依據(jù)。另外,經(jīng)多次仿真,發(fā)現(xiàn)隨著輸入信號(hào)信噪比的下降,角度解調(diào)誤差也隨之增大。

上述只是一些功能性仿真,由于實(shí)際信號(hào)比較復(fù)雜,有很多細(xì)節(jié)方面還考慮不周,需在今后的具體工作中不斷改進(jìn)。

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