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(diǎn)；適用于作各種起落的各型飛機(jī)。本設(shè)計(jì)就是根據(jù)MLS的工作原理，介紹了基于DSP實(shí)現(xiàn)的算法——DPSK自適應(yīng)解調(diào)和系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。

　　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。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)。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(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。

?

　　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)

　　DSP（digital signal processor）是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號。再對數(shù)字信號進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。

　　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。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，因此設(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，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。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。

?

　　4 結(jié)語

　　本文通過對微波著陸系統(tǒng)的分析，以及對DPSK解調(diào)的仿真結(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。

?