李 輝,張一韜

(1.中國電子科技集團公司第20研究所，西安710068；2.空軍駐西安地區(qū)軍事代表室，西安 710068)

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一種ILS接收機數(shù)字中頻處理方法的研究與實現(xiàn)

李 輝1,張一韜2

(1.中國電子科技集團公司第20研究所，西安710068；2.空軍駐西安地區(qū)軍事代表室，西安 710068)

介紹了在新型儀表著陸系統(tǒng)(ILS)接收機中，利用數(shù)字信號處理技術(shù)處理中頻信號的一種方法，根據(jù)接收機的特點完成了對輸入信號的解調(diào)、濾波等設(shè)計，實現(xiàn)了ILS著陸信號處理的功能，并給出了實驗驗證結(jié)果，證明了方案的可行性。

儀表著陸系統(tǒng)接收機；數(shù)字中頻處理技術(shù)；數(shù)字解調(diào)；數(shù)字濾波

0 引 言

儀表著陸系統(tǒng)(ILS)是現(xiàn)今國際民航組織(ICAO)的標準著陸設(shè)備。其功能是為進場著陸的飛機提供一條固定的下滑線和2～3個距離檢查點，以保證飛機在能見度不低于400 m、云層高度不低于30 m的氣象條件下安全著陸,基本上屬于II類著陸系統(tǒng)。作為一種標準的導航系統(tǒng)，ILS幾十年來在飛機的進場著陸引導中發(fā)揮了很大作用，為了提高系統(tǒng)的性能和可靠性，已經(jīng)過多次改進，目前仍在大量地使用。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，基于軟件無線電思想的中頻信號數(shù)字化技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代通信領(lǐng)域。由現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和數(shù)字信號處理器(DSP)構(gòu)成的硬件系統(tǒng)為先進數(shù)字信號處理技術(shù)的實用化、工程化提供了實現(xiàn)平臺。

針對國內(nèi)某飛機平臺的需要，采用一種中頻數(shù)字化處理的方法和技術(shù)，研制出了新型ILS著陸接收機，顯著改善了設(shè)備的綜合性能指標，具有成本低、體積小、性能高、可靠性高的優(yōu)點。

1 ILS信號特點分析

ILS信號分為航向信號和下滑信號，格式基本相同。以航向信號為例，ILS信號由90 Hz和150 Hz分別以幅度調(diào)制的方式調(diào)制在射頻載波上，2種音頻調(diào)制度差值(DDM)的變化是根據(jù)2個波束彼此場強而變化的。在跑道中心線上，兩者調(diào)制度差值為零，隨著偏離中心線的角度的增加，調(diào)制度差值逐漸增大。在航道中心線的左邊，90 Hz音頻成分大于150 Hz音頻成分，航道中心線的右邊則與此相反。在以跑道中心線為中心的±4°～±6°范圍內(nèi)其調(diào)制度差值是隨角度呈線性變化的。

為了區(qū)分臺站，ILS地面臺還發(fā)射臺站識別碼，用(1 020±50) Hz的音頻調(diào)制到航向地面臺發(fā)射的載頻上，由航向接收機在接收到航向信號的同時，輸出一個導航識別信號給音響設(shè)備。導航識別信號通常由2個或3個國際電碼字組成，以10～20 s間隔發(fā)送。調(diào)幅信號的數(shù)學表達式為：

S(t)=K(1+Asinω1t+Bsinω2t+Cm(t)sinω3t)sinωct

(1)

式中：sinω1t，sinω2t，sinω3t分別為90 Hz、150 Hz、1 020 Hz正弦信號；A、B、C分別為其相應(yīng)的調(diào)制度；m(t)為莫爾斯碼；sinωct為正弦載波；K為復合調(diào)幅信號的調(diào)制度。

2 中頻數(shù)字處理平臺

ILS接收機組成框圖見圖1，接收機主要采用FPGA完成數(shù)字濾波、數(shù)字抽取、數(shù)字下變頻、數(shù)字解調(diào)和數(shù)據(jù)處理等數(shù)字信號處理功能，并通過雙口隨機存儲器(RAM)與接口電路進行數(shù)據(jù)交換，完成通道控制命令接收和調(diào)制度差值數(shù)據(jù)輸出功能。

圖1 中頻數(shù)字處理平臺

3 中頻數(shù)字處理方法

3.1 中頻數(shù)字信號處理流程

由于在中頻信號的處理過程中含有大量乘法運算，本系統(tǒng)綜合系統(tǒng)容量與降低成本的考慮，選用FPGA芯片spantan3A，實現(xiàn)一系列的數(shù)字解調(diào),見圖2。圖2中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器對射頻輸出端輸出的21.4 MHz中頻實施12.5 MHz帶通采樣，這樣中頻信號頻譜發(fā)生搬移，取其中3.6 MHz信號作為次中頻信號[1]。頻譜搬移后的信號首先通過帶通濾波器去除其他頻率成分，然后送入幅度調(diào)制(AM)解調(diào)器進行AM解調(diào)，這之后的基帶信號經(jīng)過各帶通濾波器濾出不同頻率成分再利用包絡(luò)檢波求其幅度，從而計算出調(diào)制度差輸出。另外，還要由導航識別信號解調(diào)得到莫爾斯碼。同時帶通濾波器的輸出還要由鑒頻器判斷其頻率是否在信號頻差的允許范圍內(nèi)，并根據(jù)結(jié)果和各頻率信號的信號強度產(chǎn)生告警信號，最后輸出單元根據(jù)告警情況輸出計算數(shù)據(jù)。

圖2 信號處理流程框圖

3.2 主要處理單元設(shè)計

3.2.1 帶通濾波器設(shè)計

經(jīng)過12.5 MHz頻率采樣后的調(diào)制信號先經(jīng)過帶通濾波器濾除直流成分、其他頻率成分和部分帶外噪聲。帶通濾波器設(shè)計見圖3。

圖3 帶通濾波器設(shè)計

3.2.2 AM信號解調(diào)

AM解調(diào)通常有相干解調(diào)和包絡(luò)檢波2種方案。這里采用包絡(luò)檢波的方案，以取絕對值的方法對輸入的AM信號進行檢波，再經(jīng)過低通濾波器濾波解調(diào)出基帶信號。

經(jīng)過帶通濾波器的AM信號中包含90 Hz、150 Hz的調(diào)制信號和1 020 Hz的導航識別信號，為有用信號。低通濾波器的設(shè)計要求能充分抑制載波頻率以上的其它頻率成分，同時要保留90 Hz和150 Hz信號[2]。根據(jù)后續(xù)的硬件實現(xiàn)以及設(shè)計資源的綜合考慮，濾波器的設(shè)計見圖4。

圖4 低通濾波器設(shè)計

3.2.3 90 Hz、150 Hz帶通濾波器設(shè)計

經(jīng)過AM解調(diào)后的基帶信號包含有90 Hz、150 Hz和1 020 Hz 3個信號，分別對載波進行調(diào)幅。為了求出每個信號成分的強度，需要對其分別進行濾波。

其中對90 Hz和150 Hz信號的濾波器要求比較高，因為這些頻率在頻譜上距離較近，要求帶寬盡量窄，帶外衰減盡量陡峭，保證在需要濾出90 Hz信號時濾波器在150 Hz處衰減足夠大，最大限度地減小了150 Hz信號對90 Hz信號的影響；同理，150 Hz濾波器也要遵循此規(guī)則。由于單級窄帶濾波器很難保證通帶內(nèi)平滑，并且這些濾波器通帶與阻帶非常接近，在較高采樣率的情況下，要做到滿足要求需要較長的乘法器，會導致硬件資源占用量過大；而采樣率過低又會導致輸出結(jié)果精度變差，無法滿足設(shè)計要求。為解決這一問題，本系統(tǒng)采用了兩級濾波器級聯(lián)的形式。經(jīng)過帶通濾波器的90 Hz和150 Hz信號還需經(jīng)過低通濾波器求其幅度值才能最終求出2種信號的調(diào)制度差(DDM)值。濾波器設(shè)計見圖5、圖6、圖7。

圖5 90 Hz帶通濾波器設(shè)計

圖6 150 Hz帶通濾波器設(shè)計

圖7 90 Hz、150 Hz低通濾波器設(shè)計

3.2.4 1 020 Hz臺站識別碼解調(diào)

1 020 Hz濾波器要求較低，能分辨其信號有無即可。經(jīng)過帶通濾波器的AM信號求絕對值之后通過1 020 Hz低通濾波器完成解調(diào)，得到莫爾斯碼波形，帶通濾波器設(shè)計見圖8。

圖8 1 020 Hz帶通濾波器設(shè)計

3.2.5 調(diào)制度差計算方案

調(diào)制度差計算的方法較多，但大體上可以分為2種：歸一化法和直接法。本系統(tǒng)選擇歸一化法。

歸一化法是建立在調(diào)制度和已知基礎(chǔ)上的，90 Hz和150 Hz的調(diào)制度和在航向和下滑通道上分別是40%和80%，根據(jù)AM信號的產(chǎn)生公式：

S=A(1+msinωst)sinωct

(2)

以及AM信號解調(diào)后的信號公式：

x(t)=A(1+msinωst)

(3)

可以看出，解調(diào)信號中交流部分的幅值與調(diào)制度是成正比的，根據(jù)ILS信號的特點，利用其調(diào)制度和固定不變的特性[3]，可以在不需要知道載波信號強度而僅僅根據(jù)90Hz與150Hz信號比例的情況下求出調(diào)制度差。因此，可以通過計算90Hz與150Hz信號的幅度差來得到歸一化的調(diào)制度差。因為調(diào)制度和是已知的，以航向為例，實際的調(diào)制度差可以通過下式求得：

(4)

式中：A、B分別為90 Hz與150 Hz信號的幅度。

對于下滑通道，只需要把式中的40%更換為80%即可。

4 實驗驗證

該數(shù)字中頻處理方法已在實際產(chǎn)品中得到應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度ILS解算功能。實際信號處理過程中各信號chipscope采集波形如圖9、圖10、圖11所示。

圖9 ILS輸入信號波形

圖10 ILS解調(diào)基帶波形

圖11 90 Hz、150 Hz信號波形

5 結(jié)束語

本文介紹了一種ILS接收機數(shù)字中頻處理方法，并結(jié)合數(shù)字信號處理技術(shù)的優(yōu)點和大規(guī)模數(shù)字集成電路的應(yīng)用提出了一種中頻信號處理方法，該方法在接收機中得到了較好的應(yīng)用，并進行了整機驗證。結(jié)果表明，采用此方法的ILS接收機完全達到了ILS接收機的性能要求，并且在穩(wěn)定度、抗干擾能力等方面均有較大提高。

[1] 胡廣書.數(shù)字信號處理[M].北京：清華大學出版社,2003.

[2] 楊小牛,樓才義，徐建良.軟件無線電原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.

[3] 陳邸非.VOR/ILS導航接收機中的數(shù)字信號處理技術(shù)[J].航空電子技術(shù)，1997(4)：8-13.

Research and Realization of A Digital IF Processing Method in ILS Receiver

LI Hui1，ZHANG Yi-tao2

(1.The 20th Research Institute of CETC,Xi'an 710068,China；2.Air Force Representative Office in Xi'an Area,Xi'an 710068,China)

This paper introduces a method using digital signal processing technique to process intermediate frequency (IF) signal in the new instrument landing system (ILS) receiver,which implements the designs such as demodulation and filtering,etc.according to receiver characteristics,realizes the landing signal processing function of ILS,and presents the experiment validation result,proves feasibility of the scheme.

instrument landing system receiver;digital intermediate frequency processing technique;digital demodulation;digital filter

2015-04-10

TN850

A

CN32-1413(2015)02-0081-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.02.021