ILS雙載波干擾測(cè)試的處理方法

賀 星，王 濤，吳秀明，李 闊

ILS雙載波干擾測(cè)試的處理方法

賀 星，王 濤，吳秀明，李 闊

（中電科星河北斗技術(shù)（西安）有限公司，西安 710068）

描述了針對(duì)RTCA/DO-195（Radio Commission for Aeronautics/Document-195）標(biāo)準(zhǔn)要求中提到的雙載波測(cè)試干擾問(wèn)題所采取的措施方法。重點(diǎn)介紹了在頻域內(nèi)如何處理帶內(nèi)信號(hào)干擾并提高解算精度的過(guò)程，這種設(shè)計(jì)方法為類似的無(wú)線電帶內(nèi)信號(hào)干擾問(wèn)題提供了一種有效實(shí)用的解決方案。

雙載波測(cè)試；信號(hào)干擾；帶內(nèi)信號(hào)

0 引言

儀表著陸系統(tǒng)（Instrument Landing System，ILS）由地面和機(jī)載兩部分組成，它被國(guó)際民航組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）采納為飛機(jī)進(jìn)場(chǎng)著陸引導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。地面設(shè)備提供進(jìn)近過(guò)程中引導(dǎo)飛機(jī)到跑道所必須的航向和下滑信號(hào)。機(jī)載設(shè)備接收該信號(hào)并解調(diào)出航向偏差和下滑偏差信息，用于引導(dǎo)飛機(jī)著陸。

無(wú)線電接收信號(hào)的抗干擾技術(shù)廣泛應(yīng)用于通信、導(dǎo)航、監(jiān)視和雷達(dá)接收機(jī)等技術(shù)領(lǐng)域，是數(shù)據(jù)接收處理的重要組成部分。ILS機(jī)載設(shè)備是民用航空器上十分重要的組成部分，有效的抗干擾技術(shù)對(duì)航空器的安全性、可靠性以及其它功能的完成和保障起著十分重要的作用，它們直接關(guān)系和影響著民用航空器的飛行安全。

1 調(diào)制度差解算原理

1.1 航向角檢測(cè)

航向發(fā)射臺(tái)裝置于著陸方向跑道端頭的外側(cè)，它發(fā)射兩個(gè)沿跑道中心線的有一邊相互重疊的相同形狀的波束，如圖1所示。

在跑道中心線的左側(cè)波束是用90 Hz音頻信號(hào)調(diào)制的調(diào)幅載波，右側(cè)的波束是用150 Hz音頻信號(hào)調(diào)制的調(diào)幅載波，其調(diào)幅度均為20%。兩種音頻調(diào)制度差值（Difference of Degree of Modulation，DDM）的變化是根據(jù)兩個(gè)波束彼此場(chǎng)強(qiáng)而變化的。

圖1 航向道波束

1.2 下滑角檢測(cè)

下滑發(fā)射臺(tái)裝置于近跑道入口的一側(cè)，它發(fā)射兩個(gè)沿一定仰角的有一邊相互重疊的相同形狀的波束，如圖2所示。波束上下分布，上方的波束載波用90 Hz音頻信號(hào)調(diào)制的調(diào)幅載波，下方的波束載波用150 Hz音頻信號(hào)調(diào)制的調(diào)幅載波，其調(diào)幅度均為40%。

圖2 下滑道波束

1.3 DDM值計(jì)算

在儀表著陸系統(tǒng)中，最關(guān)鍵的就是DDM值的計(jì)算。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)調(diào)幅（Amplitude-Modulated，AM）信號(hào)的產(chǎn)生公式如式（1）所示

以及AM信號(hào)解調(diào)后的信號(hào)公式如式（2）所示

可以看出，解調(diào)信號(hào)中交流部分的幅值與調(diào)制度是成正比的，根據(jù)儀表著陸系統(tǒng)信號(hào)的特點(diǎn)，利用其調(diào)制度和是固定不變的這一特性，可以在不需要知道載波信號(hào)強(qiáng)度而僅僅根據(jù)90 Hz與150 Hz信號(hào)比例的情況下求出調(diào)制度差，因此可以通過(guò)計(jì)算90 Hz與150 Hz信號(hào)的幅度差來(lái)得到歸一化的調(diào)制度差，因?yàn)檎{(diào)制度和是已知的，以航向?yàn)槔?，?shí)際的調(diào)制度差可以通過(guò)式（3）求得

2 ILS雙載波測(cè)試要求及設(shè)計(jì)方法

2.1 ILS雙載波測(cè)試要求

在RTCA/DO-195《航空ILS航向接收設(shè)備工作頻率范圍108～112 MHz的最低性能標(biāo)準(zhǔn)》中2.2.2.3章節(jié)，對(duì)于航向信號(hào)接收性能測(cè)試，提出了雙載波測(cè)試的基本要求，其測(cè)試條件和指標(biāo)要求匯總?cè)绫?所示。

表1 雙載波干擾測(cè)試要求

雙載波測(cè)試要求在三個(gè)不同的條件下，同時(shí)加入兩個(gè)載波調(diào)制信號(hào)，削弱其中之一的低功率電平的載波調(diào)制信號(hào)對(duì)接收信號(hào)解調(diào)精度的影響，以使DDM計(jì)算值滿足DO-195標(biāo)準(zhǔn)中要求的指標(biāo)范圍。

2.2 信號(hào)干擾處理措施及設(shè)計(jì)方法

2.2.1 信號(hào)干擾處理措施的原理

在傳統(tǒng)的時(shí)域處理流程中，增加快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）頻域信號(hào)處理模塊，在頻域當(dāng)中將帶內(nèi)所不希望的干擾信號(hào)，進(jìn)行剔除，然后再將剔除干擾的頻域信號(hào)恢復(fù)到時(shí)域當(dāng)中進(jìn)行信號(hào)處理，恢復(fù)之后的處理過(guò)程與傳統(tǒng)的時(shí)域處理流程保持一致。增加FFT頻域信號(hào)處理模塊的流程圖如圖3所示。

圖3中虛線框內(nèi)的部分是在原有ILS信號(hào)處理流程的基礎(chǔ)上所增加的信號(hào)處理步驟。0±5 kHz的雙載波信號(hào)首先通過(guò)射頻前端下變頻到 21.4 MHz±5 kHz的中頻信號(hào)，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器以12.5 MHz的頻率對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行欠采樣，并通過(guò)帶通濾波器濾出3.6 MHz±5 kHz的中頻信號(hào)，其數(shù)據(jù)率為12.5 MHz；之后3.6 MHz±5 kHz的中頻信號(hào)與3.580 MHz本地載波進(jìn)行混頻，再次通過(guò)帶通濾波器，濾出所需的中頻信號(hào)頻率為20 kHz± 5 kHz左右，數(shù)據(jù)率抽取為50 kHz；最后正式進(jìn)入設(shè)計(jì)好的FFT頻域處理模塊進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理；通過(guò)FFT頻域處理模塊之后的信號(hào)，將恢復(fù)為已剔除干擾的時(shí)域信號(hào)，送入AM解調(diào)器進(jìn)行幅度解調(diào)，選用截止頻率為6 kHz的低通濾波器，得到90 Hz和150 Hz信號(hào)的復(fù)包絡(luò)，然后分別經(jīng)過(guò)帶寬為 20 Hz的帶通濾波器進(jìn)行濾波，再經(jīng)過(guò)級(jí)聯(lián)積分梳狀（Cascaded Integrator Comb，CIC）濾波器進(jìn)行平滑濾波，進(jìn)行DDM的計(jì)算及數(shù)據(jù)的后處理。

圖3 增加FFT頻域信號(hào)處理的ILS信號(hào)處理流程

2.2.2 FFT頻域處理流程

FFT信號(hào)處理過(guò)程主要作用是將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)，在頻域當(dāng)中可以很容易剔除帶內(nèi)信號(hào)的干擾，剔除干擾后的頻域信號(hào)再恢復(fù)到時(shí)域信號(hào)并保持原有的數(shù)據(jù)速率，以便于后續(xù)信號(hào)的解調(diào)和DDM值的計(jì)算。其處理流程如圖4所示。

圖4 FFT信號(hào)處理流程

具體步驟如下：

1）經(jīng)過(guò)二次下變頻的20 kHz±5 kHz中頻信號(hào)，數(shù)據(jù)速率為50 kHz，輸入到256個(gè)存儲(chǔ)單元的雙口隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random Access Memory，RAM）進(jìn)行緩存。

2）雙口RAM1的緩存數(shù)據(jù)存滿后，啟動(dòng)FFT，將變換后的實(shí)部和虛部數(shù)據(jù)進(jìn)行暫存。

3）通過(guò)FFT后的數(shù)據(jù)計(jì)算其幅度譜值，并存儲(chǔ)幅度譜數(shù)據(jù)。

4）查找存儲(chǔ)的幅度譜的最大峰值，并確定最大峰值對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)的位置。

5）在最大峰值所確定的數(shù)據(jù)范圍之外，查找存儲(chǔ)的幅度譜的次峰值，并確定次峰值對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)的位置。

6）剔除次峰值位置及附近范圍內(nèi)的FFT后的數(shù)據(jù)，將其置為0。

7）將剔除次峰值所對(duì)應(yīng)FFT后數(shù)據(jù)，輸入到快速傅里葉逆變換（Inverse Fast Fourier Transform，IFFT）模塊，進(jìn)行IFFT。

8）將IFFT后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到雙口RAM進(jìn)行 緩存。

9）雙口RAM2的緩存數(shù)據(jù)按照50 kHz固有數(shù)據(jù)速率，輸出恢復(fù)的時(shí)域數(shù)據(jù)，進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)解調(diào)及DMM值計(jì)算。

3 測(cè)試仿真

根據(jù)DO-195測(cè)試要求，在三種不同的測(cè)試條件下，仿真設(shè)計(jì)中選用信號(hào)功率-50 dBm、波道1（108.1 MHz）的信號(hào)，加入FFT頻域處理過(guò)程與不加入FFT的時(shí)域處理過(guò)程進(jìn)行DDM值的比較結(jié)果如圖5～圖7所示。圖中紅色曲線代表經(jīng)過(guò)FFT處理后的DDM值，藍(lán)色曲線代表未經(jīng)過(guò)FFT處理后的DDM值。

從仿真測(cè)試結(jié)果可以得出結(jié)論，未做FFT處理的DDM值超出了精度范圍要求；經(jīng)過(guò)FFT處理后的DDM值能夠滿足0±0.005 812的要求。

圖6 測(cè)試條件2的仿真結(jié)果對(duì)比圖

從仿真測(cè)試結(jié)果可以得出結(jié)論，未做FFT處理的DDM值超出了精度范圍要求；而經(jīng)過(guò)FFT處理后的DDM值能夠滿足0.155±0.009 3的要求。

圖7 測(cè)試條件3的仿真結(jié)果對(duì)比圖

從仿真測(cè)試結(jié)果可以得出結(jié)論，DDM值精度要求相對(duì)寬松，未做FFT處理和經(jīng)過(guò)FFT處理后DDM計(jì)算值均能滿足≥0.155的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了ILS系統(tǒng)雙載波干擾情況下信號(hào)頻率的處理措施，在傳統(tǒng)信號(hào)處理流程的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了頻域中帶內(nèi)干擾信號(hào)的剔除方法。仿真結(jié)果顯示，相對(duì)于傳統(tǒng)的時(shí)域處理方法，經(jīng)過(guò)頻域處理的DDM值受干擾信號(hào)的影響小，輸出結(jié)果穩(wěn)定，精度滿足DO-195標(biāo)準(zhǔn)的誤差要求。

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Processing Method of ILS Dual-Carrier Interference Test

HE Xing, WANG Tao, WU Xiuming, LI Kuo

Due to the problem of dual-carrier test interference mentioned in the RTCA/DO-195 (Radio Commission for Aeronautics/Document-195) standard requirements. How to deal with the in-band signal interference in frequency domain and how to improve the accuracy of the solution are focused on. An effective and practical solution for similar in-band signal interference problems are provided by design method.

Dual Carrier Test; Signal Jamming; In-Band Signal

V243

A

1674-7976-(2023)-06-405-05

2023-08-09。

賀星（1984.01—），山西太原人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槊裼煤娇针娮蛹夹g(shù)。

科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2020YFB0505601）資助