脈沖測距系統(tǒng)的多徑干擾影響及消除

孫　曄，易克初，向　新，王　鋒

(1.西安電子科技大學(xué) 綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，陜西 西安710071；2.空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院，陜西 西安710038）

脈沖測距系統(tǒng)的多徑干擾影響及消除

孫曄1，2，易克初1，向新2，王鋒1，2

(1.西安電子科技大學(xué) 綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，陜西 西安710071；2.空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院，陜西 西安710038）

由于地空無線信道的多徑特性的影響，采用脈沖測距原理的機(jī)載脈沖測距系統(tǒng)的精度受到較大影響。在對機(jī)載脈沖測距設(shè)備原理進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，對多徑干擾對脈沖測距系統(tǒng)的影響進(jìn)行了分析，確定了最為不利的多徑形態(tài)，進(jìn)一步提出了一種針對多徑消除的基于第一脈沖延遲譯碼的解決方案，并予以了工程實(shí)現(xiàn)。仿真結(jié)果表明該方案效果良好。

脈沖測距系統(tǒng)；多徑干擾；第一脈沖延遲譯碼；FPGA

0　引言

機(jī)載無線電導(dǎo)航系統(tǒng)是保障飛行安全的重要系統(tǒng)，也是飛機(jī)最為基本的航電系統(tǒng)，其精度的提升對飛行的重要性不言而喻。顯然，選擇一種合適的導(dǎo)航方式，并且選取滿足精度要求的導(dǎo)航設(shè)備對于實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)航起著重要的作用。長期以來，利用TOA方法實(shí)施導(dǎo)航是導(dǎo)航定位系統(tǒng)中應(yīng)用最為普遍的方法之一，基于該技術(shù)形成了脈沖測距系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要用于測量飛機(jī)距導(dǎo)航臺的斜距，其機(jī)載設(shè)備就是大家所熟知的 DME(Distance Measure Equipment)，該設(shè)備可與其他導(dǎo)航設(shè)備如 VOR (VHF Omni-directional)、ILS(Instrument Landing System)等協(xié)調(diào)工作，為飛機(jī)提供高精度的近進(jìn)導(dǎo)航服務(wù)。由于DME設(shè)備與地面導(dǎo)航臺之間通過詢問-應(yīng)答方式完成導(dǎo)航工作，其信號的傳輸受到地空無線信道的影響[1]，由于地空無線信道通常建模為多徑信道（常見為雙徑信道），多徑干擾會造成脈沖檢測的誤差，并繼而造成測距精度的下降[3]。本文的目的在于針對這種情況，以 DME設(shè)備為對象，確定多徑現(xiàn)象對系統(tǒng)誤差造成影響的原因，提出一種針對多徑消除的基于第一脈沖延遲譯碼的解決方案，并完成脈沖譯碼電路的設(shè)計。

1　脈沖測距系統(tǒng)概述

1.1脈沖測距系統(tǒng)工作原理

圖1　脈沖測距系統(tǒng)原理波形圖

1.2脈沖編譯碼的抗干擾作用

為了降低系統(tǒng)假截獲概率，通?？刹捎妹}沖編譯碼的方法來克服各類干擾，其中包括：重復(fù)頻率、載頻、脈沖數(shù)碼及間隔和脈沖寬度編譯碼[3]。DME系統(tǒng)綜合采用以上四種方式。抗干擾具體參數(shù)：脈沖寬度詢問通道3.2 μs，應(yīng)答通道3.5 μs；兩個通道載頻工作于L波段相差63 MHz；搜索狀態(tài)重復(fù)頻率 150 Hz；采用雙脈沖編譯碼。這些措施有效克服了噪聲干擾、同型測距器的脈沖干擾、直達(dá)干擾、無源反射目標(biāo)干擾等，大大地提高了正確截獲的概率。經(jīng)過脈沖編碼后系統(tǒng)的波形圖如圖2所示。

圖2　采用編碼后的測距系統(tǒng)原理波形圖

由圖2可以看出，經(jīng)過脈沖數(shù)目和間隔編譯碼的測距系統(tǒng)，發(fā)射和接收的脈沖是一組間隔不同編碼脈沖。譯碼電路根據(jù)編碼標(biāo)準(zhǔn)對符合相應(yīng)格式的詢問和應(yīng)答脈沖進(jìn)行相關(guān)性解調(diào)[5]，從而達(dá)到識別“協(xié)定信號”格式，減小干擾的目的。而解算電路常采用譯碼得到的“最后”一個脈沖位置，作為計時的標(biāo)準(zhǔn)計算距離R，詢問和應(yīng)答脈沖間隔的不同所引入的時間差通常被計算在系統(tǒng)總延遲中。

2　脈沖測距系統(tǒng)的多徑干擾

多徑現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是由于傳輸路徑中的反射物對無線電波的反射造成。它的主要影響是在接收天線端產(chǎn)生許多輻射信號的“復(fù)制品”，這些“復(fù)制品”稱為“多徑成分”，表現(xiàn)為經(jīng)過不同路徑產(chǎn)生隨機(jī)的延遲和衰減[1，2，6]。多徑現(xiàn)象作為一種干擾對脈沖測距系統(tǒng)的測距準(zhǔn)確性有很大的影響，上述脈沖編譯碼方案雖然可以大幅減少系統(tǒng)中的干擾脈沖數(shù)量，但是卻很難克服多徑干擾，這主要是因為多徑干擾無論是載頻、重復(fù)頻率、脈沖寬度還是脈沖數(shù)目和間隔都與有效信號完全一致。

多徑干擾對脈沖測距系統(tǒng)的影響主要為多徑成分經(jīng)隨機(jī)延遲后在有效信號的脈沖波形上疊加，使波形產(chǎn)生畸變，從而影響測距的準(zhǔn)確性。DME系統(tǒng)通常工作在LOS環(huán)境下，一般采用高斯波形或準(zhǔn)高斯波形，其仿真波形如圖3所示。圖中幅值較大的波形為有效信號，幅值較小的波形為多徑成分，根據(jù)其第二徑延遲與直達(dá)路徑的關(guān)系可以分為三種情況，即第二徑小于脈沖間隔，與脈沖間隔相當(dāng)以及大于脈沖間隔。

顯然第二種情況由于存在脈沖混疊現(xiàn)象，導(dǎo)致前沿發(fā)生變化，測距的基準(zhǔn)取樣點(diǎn)前移，因而對于脈沖測距準(zhǔn)確性的影響最為嚴(yán)重；其余兩種情況的干擾基本可以采用傳統(tǒng)的譯碼方案或文獻(xiàn)[5]中的譯碼方案以及脈沖測距“截獲”和“搜索”過程將其濾除。本文所討論的多徑干擾主要針對與脈沖間隔相當(dāng)?shù)那闆r。

圖3　測距系統(tǒng)中多徑干擾波形示意圖

3　延遲譯碼消除多徑干擾原理分析

文獻(xiàn)[5]中提到的譯碼方案和傳統(tǒng)的譯碼方案被稱為第二脈沖譯碼方案，這主要是因為譯碼輸出的波形前沿，即距離測算電路的計時基準(zhǔn)點(diǎn)通常取決于第二脈沖的前沿時刻，當(dāng)系統(tǒng)受到多徑分量的影響時，測距的準(zhǔn)確性會大大降低。

在LOS傳輸環(huán)境中，多徑延遲必然出現(xiàn)在有效信號的第一脈沖之后[3，4]，因此采用第一脈沖前沿作為距離測算電路計時的基準(zhǔn)就可以消除多徑干擾所引入的誤差，提高測距的準(zhǔn)確性，這就是基于第一脈沖延遲譯碼消除多徑干擾原理。圖4給出了DME系統(tǒng)X模式下，第一脈沖延遲譯碼的原理波形圖。圖中A為原始脈沖波形，B為整形后的方波，C和E為不同延遲的波形，D為B和C相與并展寬后的波形，F(xiàn)為D和E相與波形，即譯碼輸出波形。顯然，F(xiàn)脈沖相比B波形第一脈沖的延遲是固定的，不受多徑的影響。

圖4　DME系統(tǒng)X模式延遲譯碼原理波形圖

4　第一脈沖延遲譯碼的FPGA實(shí)現(xiàn)

4.1基于FPGA的第一脈沖譯碼方案

譯碼電路是脈沖測距系統(tǒng)接收機(jī)的重要組成部分，在設(shè)計時應(yīng)該遵循“譯碼電路能夠檢測并識別接收脈沖編碼對所有信息”，具體可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)原則：

(1)能夠識別系統(tǒng)規(guī)定的脈沖寬度，在規(guī)定技術(shù)指標(biāo)要求下，自動濾除不符合要求的脈沖；

(2)根據(jù)系統(tǒng)規(guī)定的脈沖間隔，識別編碼脈沖組中每一個脈沖的空間位置，濾除不符合規(guī)定間隔的脈沖對；

(3)譯碼電路輸出單脈沖，其前沿作為計時基準(zhǔn)；

(4)對于第一脈沖譯碼而言，還需注意譯碼輸出脈沖前沿與第一脈沖前沿間隔是固定值。

紅色節(jié)日其背后是許多影響歷史的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和歷史事件的原型，它猶如紅色文化中的顆顆珍珠，串起我黨紅色歷史與紅色文化。通過在這些節(jié)日舉辦的各種紀(jì)念活動，可以讓大學(xué)生重溫紅色歷史，加深對中國共產(chǎn)黨的理解與情感，因此可以以制度化的形式來推進(jìn)這些紅色節(jié)日，以促進(jìn)和弘揚(yáng)紅色文化的傳承。

本方案基于設(shè)計靈活、調(diào)試方便的FPGA進(jìn)行開發(fā)，根據(jù)上述原則設(shè)計的電路組成主要包括：波形整形、脈沖寬度譯碼、脈沖間隔譯碼和波形合成整形電路，其功能分別是將采樣的脈沖波形整理成方波；濾除過寬和過窄的脈沖；脈沖編碼相關(guān)檢測和譯碼輸出脈沖整形。其中脈沖間隔譯碼電路包括：第一脈沖檢測、波形延遲和第二脈沖檢測和編碼對間隔譯碼四個單元，如圖5所示。

圖5　接收譯碼電路基本組成框圖

4.2FPGA實(shí)現(xiàn)

顯然，上述方案中脈沖間隔譯碼電路是核心單元，設(shè)計中采用了狀態(tài)機(jī)的設(shè)計思想，設(shè)置了S0～S5共6種狀態(tài)，分別代表譯碼電路不同的工作狀態(tài)，箭頭代表狀態(tài)跳轉(zhuǎn)的方向，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖6所示。其中S0：系統(tǒng)的初始狀態(tài)；①無條件；S1：判斷方波中“0”的持續(xù)時間；②根據(jù)DME系統(tǒng)實(shí)際情況，設(shè)置為當(dāng)“0”持續(xù)40 μs即轉(zhuǎn)換；S2：判斷方波中“1”的持續(xù)時間，也即脈沖寬度的大小；③根據(jù)DME系統(tǒng)中脈沖寬度不小于 3.2 μs，此處設(shè)置為脈寬大于 1.6 μs即轉(zhuǎn)換，小于 1.6 μs的脈沖信號被視為干擾自動濾除；S3：判斷第一脈沖到下一個脈沖的間隔時間；④根據(jù)DME系統(tǒng)不同的工作狀態(tài)，可以靈活設(shè)置轉(zhuǎn)換時間，但每個DME工作狀態(tài)下該時間是固定的；S4：判斷第二脈沖是否出現(xiàn)，寬度是否滿足要求；⑤脈寬達(dá)到 1.6 μs或以上時，轉(zhuǎn)換到 S5，同時輸出譯碼后的波形；S5：判斷波形的是否再次回“0”；⑥第二脈沖沒有在系統(tǒng)規(guī)定的位置處出現(xiàn)，此時跳轉(zhuǎn)回S0初始狀態(tài)，重新判斷；⑦當(dāng)完成一次譯碼后，在第二脈沖的后沿，狀態(tài)跳轉(zhuǎn)回 S0，準(zhǔn)備下一次譯碼。

圖6　雙脈沖第一脈沖延遲譯碼狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

4.3仿真結(jié)論

本文在QuartusII環(huán)境下使用Signaltap工具進(jìn)行了設(shè)計方案抗多徑延遲的仿真，針對DME系統(tǒng)X模式下（脈沖間隔為12 μs，-3 dB處脈沖寬度為3.5 μs），采樣時鐘100 MHz，采樣深度為 16 K，“同步數(shù)字方波信號 digital_pulse”信號上升沿觸發(fā)。

圖7　第二徑位于脈沖間隔不同位置的波形仿真

由圖7和表1，不難得出以下結(jié)論：

(1)觀察圖7中①-⑦信號的波形說明，該設(shè)計方案滿足了第一脈沖譯碼方案的設(shè)計原則，對脈沖寬度、脈沖間隔和所有脈沖位置進(jìn)行了準(zhǔn)確的檢測或識別，符合設(shè)計需求。

(2)對比觀察表1第4行和第5行，在不同多徑延遲影響條件下，圖7中信號③和④脈沖間隔發(fā)生了變化，但是信號⑦脈沖的位置，其相比第一脈沖的延遲量恒為定值；

(3)基于第二條結(jié)論，選取譯碼電路輸出脈沖前沿作為時間基準(zhǔn)取樣點(diǎn)，取樣點(diǎn)不受多徑的影響，能夠克服多徑的干擾，測距精度能夠保證。

表1　第二徑延遲不同情況下該方案性能對比（單位：樣點(diǎn)個數(shù)）

5　結(jié)論

由于采用第二脈沖譯碼的方式，所以多徑延遲分量若接近第二脈沖的位置，則容易對脈沖測距系統(tǒng)準(zhǔn)確性造成影響。據(jù)此本文采用第一脈沖延遲譯碼方案，該方案可有效地克服多徑干擾對脈沖測距系統(tǒng)準(zhǔn)確性的影響；論文中對該方案采用 FPGA予以實(shí)現(xiàn)，仿真測試結(jié)果表明，基于第一脈沖延遲譯碼電路有效地消除了多徑的干擾，提高了數(shù)字化脈沖測距系統(tǒng)的測距精度。

[1]BELLO P A.Aeronautical channel characterization[J].IEEE Trans.Commun，1973，COM-21：548-563.

[2]Haas Erik.Aeronautical channel modeling[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2002，51(2)：254-264.

[3]王芳，秦偉.影響DME測距精度的因素分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2013(36)：56-57.

[4]王鼎，張曉梅，欒寶寬.塔康地面信標(biāo)半幅探測電路對測距精度的影響分析[J].現(xiàn)代導(dǎo)航，2014，2(5)：117-120.

[5]孫曄，陳高平，郭巖.一種基于FPGA/CPLD的脈沖測距系統(tǒng)譯碼方案[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)，2006，26(3)：256-258.

[6]Li Kuangmin，Pelgrum Wouter.Optimal time-of-arrival estimation for enhanced DME[C].Proceedings of the 24th International Technical Meeting of The Satellite Division of the Institute of Navigation.ION GNSS 2011，Portland，2011：3493-3502.

The effect and elimination of multipath interference in pulse distance measuring system

Sun Ye1，2，Yi Kechu1，Xiang Xin2，Wang Feng1，2
(1.State Key Lab.of Integrated Service Networks，Xidian University，Xi′an 710071，China；2.College of Aeronautics and Astronautics Engineering，Air Force Engineering University，Xi′an 710038，China)

Because of the influence of the multipath in air to ground wireless channel,the accuracy of pulse distance measuring system using pulse distance measuring principle is greatly affected.In this paper,the principle of DME(Distance Measuring Equipment) was deeply studied at first,the effect of multipath interference in pulse distance measuring system was analyzed carefully,the worst condition of multipath interference was confirmed.Furthermore,a novel eliminate scheme on multipath interference based on the first pulse delay decoding was presented,and the scheme was realized by FPGA.The simulation results show that the scheme is effective.

pulse distance measuring system；multipath interference；first pulse delay decoding；FPGA

TN96

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.02.007

2015-07-30)

孫曄(1979-)，男，博士研究生，講師，主要研究方向：無線電通信導(dǎo)航，綜合航電。

中文引用格式：孫曄，易克初，向新，等.脈沖測距系統(tǒng)的多徑干擾影響及消除[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(2)：28-31.

英文引用格式：Sun Ye，Yi Kechu，Xiang Xin，et al.The effect and elimination of multipath interference in pulse distance measuring system[J].Application of Electronic Technique，2016，42(2)：28-31.