一種基于FPGA/MCU結構的線性調頻高度表

1 引言

　　無線電高度表不僅可以精確測量飛行器與地面或海面的相對高度，而且還可以測量地表 粗糙度、海洋波浪高度等多種參數，在飛機的自動著陸、自動導航、地形匹配等領域得到了 廣泛的應用。無線電高度表主要分為調頻連續波體制和脈沖體制兩種，調頻連續波體制適合 1500m 以內的低高度應用，脈沖體制適合1500m 以上的中高高度應用。本文介紹了一種基于 FPGA/MCU 結構的線性調頻（LFMCW）連續波高度表，具有精度高，結構簡單，可靠性高，成 本低等特點。

　　2 工作原理

　　線性調頻連續波高度表的基本原理為[2]：采用三角波線性調頻微波振蕩源，經發射天線 輻射等幅調頻波，經過與飛行器飛行高度成正比例的時間延遲τ，由地面發射并被接收天線接 收，經混頻后輸出差拍信號fb，該信號經窄帶濾波器選頻后，被一個增益隨高度變化的放大 器放大、濾波，送到跟蹤鑒頻器。跟蹤鑒頻器輸出高、低電平表示差拍信號是否進入跟蹤帶 內，控制單元根據保持或調整三角波的斜率，使差拍信號始終落入跟蹤帶內，保持恒定值。 整個系統通過地面構成閉環，飛行器的高度由三角波的斜率和最大頻偏Δf 來決定。

　　其主要性能指標為：

　　工作頻率：C 波段

　　體制：LFMCW（線性調頻連續波）

　　測高范圍：0?1500m

　　距離分辨率：1m

　　高度數據接口：RS422，9600 波特率

　　該高度表屬于收發天線分開、三角波調頻、頻譜前沿跟蹤、恒定差拍式無線電高度表，其工作原理如圖1 所示。

　　圖1 線性調頻高度表工作原理圖 上圖中，三角波發生器輸出信號的幅度是一個常數，而其斜率是控制電壓的函數。在測 高過程中，通過測高回路自動校正，使調制信號的斜率隨高度而變化，以保持差拍恒定。變 化規律是高度升高，斜率增大；高度降低，斜率減小。跟蹤鑒頻器判別差拍信號fb 是否進入 跟蹤帶內，如是則輸出鎖定信號。跟蹤鑒頻器的中心頻率為225kHz，帶寬僅為30kHz 左右， 使高度表有較高的抗噪聲和抗干擾的能力。在沒有跟蹤鎖定信號時，高度表進入搜索狀態， 變化三角波的斜率，從最低高度到限制的最高高度周期地掃描，并根據跟蹤鑒頻器是否輸出 鎖定信號進行調整。當調制斜率對應飛行高度時跟蹤鑒頻器輸出高電平，高度表環路鎖定并 保持跟蹤地面發射的信號。

接收、發射天線選用微帶集成平板天線，天線間距不小于1m，使收發隔離度大于70dB。 天線的3dB 帶寬為300MHz，旁瓣電平不大于-12dB，駐波比S=2，效率η≈80，總尺寸不大于 15cm×15cm。

　　收發組件采用自差結構，輸出為零中頻的差拍信號，其頻率跟地面高度成正比。VCO 的 調制帶寬最高可達200MHz，調制線性度優于1.2。組件的接收增益30dB，噪聲系數3.5dB。 視放組件對差拍信號進行選頻放大，總增益不低于80dB，增益控制范圍不低于90dB。

　　選頻濾波器為定制的機械濾波器，中心頻率225kHz，帶寬30kHz。主放大器選用AD 公司的視 頻放大器AD*，它內部集成了兩個放大器模塊，可以單獨使用其中的任何一個或將兩個級 聯使用以提高增益和擴大動態范圍，每個放大器模塊的增益最大可達54.4dB，增益控制范圍 48.4dB。

　　3 信號處理組件

　　3.1 硬件設計

　　信號處理組件完成地面高度的搜索/跟蹤、AGC、STC 等功能，其電路框圖如圖2 所示， 核心是1 片FPGA 和1 片MCU，通過軟件算法實現大部分信號處理功能。

　　圖 2 信號處理組件電路框圖

　　地面高度的搜索/跟蹤是FPGA 和MCU 根據鎖定門限判決電路的輸出狀態，按一定算法改 變VCO 調制信號的頻率，使差拍信號落入225kHz 的跟蹤帶內。在地面高度的搜索過程中，VGC 電壓與高度的對數呈線性關系，從而實現STC（時間-靈敏度控制）功能。在地面高度的跟蹤 過程中，VGC 電壓受控于飽和門限判決電路的輸出狀態，飽和時減小VGC 電壓，直到差拍信 號的強度低于飽和門限，降低地面回波強度對測高精度的影響，從而實現AGC（自動增益控 制）功能。

FPGA 選用Xilinx 公司的XC2V500[4]，完成高速信號處理算法的運行，如VCO 調制信號 的產生、VGC 控制電壓的生成、搜索/跟蹤的控制等。外圍的高速D/A 采用AD 公司的AD9754AR， 40MSPS 采樣率，14 位分辨率，能滿足VCO 調制信號對其線性度的要求。AD9754AR采用差分 電流輸出接口，以抑制共模干擾，通過運放將電流轉換成電壓輸出。

　　VGC 接口采用D/A 轉換器和運放，來產生精密的VGC 電壓，VGC 電壓的輸出范圍為0?9V。 D/A 轉換器選用并行12 位D/A 轉換器AD7392AR，速度比較快。

　　MCU 選用SST 公司的8 位單片機SST89V564RD[5]，64K Flash 編程空間，完成高度表狀態 的控制、高度數據的校正/補償等工作。RS422 接口采用MAXIM 公司的AD844E，全雙工工作， 既可輸出地面高度數據，也可通過該接口實現SST89V564RD的在線編程和在線仿真。

　　MCU 與FPGA 之間采用8 位的數據/地址復用總線接口，速度快，通過訪問特定地址的寄 存器來實現邏輯控制和數據的讀取。SST89V564RD 的工作電壓為3.3V，可直接與FPGA 進行通 訊，不需進行電壓轉換。

　　3.2 軟件設計

　　該高度表的軟件設計包括兩部分：一部分是FPGA 的編程，采用VHDL 語言編寫；另一部 分是MCU 的編程，采用匯編語言編寫。兩部分軟件共同實現高度表的搜索、跟蹤等功能。

　　a. 搜索算法

　　當高度表的差拍信號未落入225kHz 的跟蹤帶內時，高度表進入搜索狀態：通過改變調 制頻率fm從低高度到高高度進行搜索。fm的值是離散的，滿足fm=112.5kHz/n，n 為分頻系數， n=1?1500（正整數）。

　　采用了線性搜索算法，分頻系數n 從小到大連續變化，使高度表從低到高，以距離分辨 率Δh=1.0m 為步長連續搜索，即fm=112.5kHz/n，n=1→1500。當差拍信號fb0=225kHz±15kHz 時，鎖定門限輸出高電平，高度表進入跟蹤狀態，由跟蹤鑒頻回路與地面組成閉環系統，伺服于高度的變化。

　　b. 跟蹤算法

　　當高度表進入鎖定狀態時，由跟蹤鑒頻回路與地面組成閉環系統。由于線性調頻信號的 特殊性，其譜線是離散的，當高度變化時，各個頻率成分的信號都有，只是各個譜線的幅度 不同。在低高度上，由于跟蹤帶寬很窄（30kHz），調制頻率變化量Δfm大于30kHz 時，造成 高度表失鎖。另外，由于面目標的回波差拍信號的能量并不是集中在一根譜線上，而是多根 譜線或譜線帶具有相同量級的回波能量，要使高度表能跟蹤到最低譜線，即最低高度，要采 用具有頻譜前沿跟蹤能力的算法。

我們設計了誤差抖動跟蹤算法，具有頻譜前沿跟蹤能力，其基本思路為：在當前跟蹤高 度上產生一個誤差搜索區域，在此區域內從低到高進行線性搜索，使高度表出現失鎖→鎖定 的狀態變化，從而跟蹤到最低高度。

　　n 為當前高度所對應的分頻系數，誤差量Δn 取為5（對應的高度誤差量為±5m），在（n- Δn）→（n+Δn）范圍內從低到高進行搜索。如n 小于6，則從1→（n+Δn）進行搜索。如 該誤差搜索區域內的最小n 值都能滿足鎖定條件，則以該最小n 值為當前n 值，再產生誤差 搜索區域進行跟蹤。如在整個誤差搜索區域內都未出現鎖定信號，高度表從跟蹤狀態轉為搜 索狀態。 誤差抖動跟蹤算法的流程圖如圖3 所示。

　　圖 3 誤差抖動跟蹤算法的流程圖

　　4 飛行試驗

　　該高度表采用動力滑翔機，進行了多個架次的飛行試驗，飛行地貌有城市、田地、樹林、 水面等，最高飛行高度超過1500m。試驗過程中高度表性能穩定，數據完整，50m 以下高度的 測高精度可達1m。

　　5 結束語

　　本文介紹了一種新型調頻連續波高度表，主要創新點在于：采用了FPGA/單片機的硬件 平臺，通用性強，并具備現場軟件升級能力；通過軟件算法實現了高度搜索、高度跟蹤、STC、 AGC 等功能，改變信號處理算法和控制軟件能實現多種功能，滿足更多應用場合的需要；采 用恒定差拍結構，抗干擾能力強,并具有頻譜前沿跟蹤能力；具有0?1500m 的大范圍測高能 力，在低高度上具有1m 的測高精度。

　　該高度表已用于某型無人機，創造經濟效益50 萬元。