綜合CNI系統(tǒng)無線電測高功能設(shè)計

譚鋼

（中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610000）

0 引言

無線電高度表（Radio Altimeter,下文簡稱ALT）是一種利用C 波段電磁波的反射和接收進(jìn)行測高的電子設(shè)備，其測量范圍大、適應(yīng)姿態(tài)角度大,不受天氣影響，可以用于在各種氣候條件下快速準(zhǔn)確地測量飛行器距離地面或者海平面的實際高度，因此在民航、無人機(jī)、導(dǎo)彈制導(dǎo)等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)70年代以前，無線電高度表主要以獨(dú)立功能端機(jī)形式加裝于飛機(jī)，作為機(jī)上電子系統(tǒng)的主要測高設(shè)備[1]。近年來，隨著微電子技術(shù)和集成電路的高速發(fā)展，結(jié)合軟件無線電技術(shù)在航空工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，機(jī)載分布式電子系統(tǒng)進(jìn)行了集成化設(shè)計，無線電高度表在分布式航電系統(tǒng)中以LRU形式加裝，集成化設(shè)計后座艙內(nèi)的高度表顯示分機(jī)被取消，高度表LRU端機(jī)一般由綜合CNI系統(tǒng)以模塊化的形式進(jìn)行集成，本文主要對綜合化架構(gòu)下高度表的實現(xiàn)進(jìn)行探討[2]。

1 功能組成及工作原理

1.1 功能組成

綜合CNI 系統(tǒng)無線電測高功能示意圖如圖1 所示。機(jī)上CNI 系統(tǒng)產(chǎn)生調(diào)制后的無線電測高發(fā)射信號，經(jīng)高度表發(fā)射天線向地面輻射，并通過高度表接收天線接收經(jīng)地面發(fā)射后的回波信號，再由CNI系統(tǒng)對信號進(jìn)行解調(diào)等處理，計算出高度值，通過航電總線送座艙顯控系統(tǒng)顯示高度值，供飛行員觀測，實現(xiàn)對飛機(jī)的引導(dǎo)和護(hù)航。

圖1 無線電測高功能示意圖

1.2 工作原理

ALT功能采用偽碼測距原理進(jìn)行高度測量，模擬信號的產(chǎn)生、處理在ALT 接收激勵模塊中完成，對采樣后的接收中頻信號的進(jìn)行高度解算在信號處理模塊中實現(xiàn)。

CNI系統(tǒng)上電初始化ALT接收激勵模塊后，接收/激勵單元中的偽隨機(jī)碼產(chǎn)生單元生成隨機(jī)碼，通過雙向調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，并上變頻至射頻，通過發(fā)射組件進(jìn)行功率放大，最后通過高度表發(fā)射天線向測高面輻射；從測高面反射回的射頻信號通過高度表接收天線進(jìn)入接收組件，接收組件將射頻信號下邊頻處理為中頻信號，中頻信號通過帶通濾波、中頻增益放大等處理后進(jìn)行A/D采樣，最后送入數(shù)字信號處理單元進(jìn)行解調(diào)解擴(kuò)等算法處理，功能信號處理通過比較發(fā)射碼和接收碼的相位差，計算出測高值，再通過接口單元上傳至CNI系統(tǒng)顯示讀取。

偽碼測距（Pseudo Noise Ranging，PN Ranging）是目前常用的一種無線電測高算法，偽碼測距算法抗干擾性強(qiáng)、保密性強(qiáng)，具有操控簡單可靠、無模糊距離限制可多目標(biāo)同時測量等諸多優(yōu)點(diǎn)。本文所述高度表功能測量過程中選用的PN碼是一種具有近似隨機(jī)噪聲的理想二值自相關(guān)特性的碼序列，利用偽隨機(jī)信號的尖銳自相關(guān)特性，采用相關(guān)檢測的方法，使測距抗干擾能力增強(qiáng)，測距范圍在不增加發(fā)射功率的情況下也大大增加[3]。偽碼測距原理示意框圖如圖2所示。

圖2 偽碼測距原理示意框圖

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)下ALT功能流程圖

通過比較發(fā)射信號和接收信號的相位計算出收發(fā)兩個m序列的相位差，即發(fā)射信號和接收信號的時延差τ，從而可以算出被測距離h：

而最大被測距離決定于m序列的周期pTc：

其中，p= 2n- 1 為m 序列的長度，n 為產(chǎn)生m 序列的移位寄存器的級數(shù)，Tc為m序列的碼元寬度。

1.3 技術(shù)指標(biāo)要求

1)工作頻率：4 200～4 400MHz；

2)測高范圍：0～6 000m；

3)系統(tǒng)靈敏度（設(shè)備端口）：

①0m：35～55dB；

②6 000m：≥105dB。

2 CNI系統(tǒng)架構(gòu)下ALT功能實現(xiàn)

2.1 CNI系統(tǒng)架構(gòu)下ALT功能硬件流程

在CNI系統(tǒng)中實現(xiàn)ALT功能的收發(fā)信號、高度解算需配置的模塊主要包括：高度表發(fā)射天線（含功放）、高度表接收天線、ALT 接收激勵模塊、數(shù)字中頻信號處理模塊等。其中高度表收發(fā)天線實現(xiàn)信號的輻射與接收；數(shù)字中頻信號處理模塊為CNI系統(tǒng)公用模塊，實現(xiàn)數(shù)字中頻的信號處理，解算出高度；ALT接收激勵模塊是ALT功能的重要組成部分，實現(xiàn)載波信號的產(chǎn)生以及調(diào)制、接收信號的混頻、濾波、放大、采樣；基準(zhǔn)頻率源模塊給接收模塊及激勵模塊提供變頻所需要的本振源；電源模塊將機(jī)載直流27V 電源經(jīng)DC-DC轉(zhuǎn)換為需要的數(shù)字和模擬工作電壓[4]。

2.2 主要功能模塊設(shè)計

2.2.1 天線設(shè)計

高度表天線功能為接收和發(fā)射電磁信號，包含高度表發(fā)射天線和高度表接收天線。

1）發(fā)射天線

本文中發(fā)射天線除了天線輻射體，還包括功率放大器模塊。其中功率放大器模塊主要作用是將高度表接收激勵模塊輸入的激勵信號進(jìn)行功率放大，發(fā)射天線主要作用是將功率放大后的射頻信號向地面發(fā)射。

發(fā)射天線單元采用高增益天線，天線增益＞12.4dBi，半功率波瓣寬度大于40，在工作頻率4.3GHz，天線E面、H面副瓣電平低于-17dB。電性能良好，滿足無線電測高功能的方向性性能需求，同時高增益和寬波束的天線設(shè)計有利于提高載機(jī)轉(zhuǎn)彎或其他大角度機(jī)動場景下的測高范圍和姿態(tài)范圍。

功率放大器模塊主要由驅(qū)動放大器、射頻帶通濾波器、功率放大器等部分組成。ALT接收激勵模塊輸入的激勵信號頻率為f=4.3±0.1GHz，激勵信號大小為0～-5dBm。激勵信號通過驅(qū)動放大器放大，帶通濾波器濾除帶外雜波，通過功率放大器將發(fā)射信號放大至P=27±3dBm，最后通過發(fā)射天線將放大后的信號發(fā)射出去進(jìn)行測高,高度表發(fā)射天線原理框圖見圖4。

圖4 ALT發(fā)射天線原理框圖

2）接收天線

接收天線主要由輸入隔離器和帶通濾波器組成，接收天線將收到的地面或海面反射信號經(jīng)過隔離器，然后通過帶通濾波器濾除帶外的干擾信號及噪聲，最后將濾波后的射頻信號發(fā)送到后端ALT 接收激勵模塊。接收天線中的濾波器和隔離器可以保證良好的駐波比和較小的帶外干擾，提高后端ALT接收激勵模塊的抗干擾能力和接收靈敏度。高度表接收天線原理框圖見圖5。

圖5 ALT接收天線原理框圖

2.2.2 ALT接收激勵模塊

ALT 接收激勵模塊組成主要包括：射頻收發(fā)組件、電源單元、時鐘單元、A/D 單元、信號處理單元、接口單元。圖6為ALT接收激勵模塊功能單元簡圖。

圖6 ALT接收激勵模塊功能單元簡圖

1）發(fā)射組件：偽隨機(jī)碼將本振信號調(diào)制后，進(jìn)行混頻和上變頻，在信號處理單元的控制下進(jìn)行功率放大。

2）接收組件：接收天線送入的測高面反射射頻信號，對其進(jìn)行限幅、濾波、放大，通過混頻進(jìn)行下變頻后變?yōu)槟M中頻信號，并進(jìn)行AD 采樣為數(shù)字中頻信號。

3）電源單元:將CNI 系統(tǒng)電源模塊提供的27V 及數(shù)字5V電壓分別轉(zhuǎn)換為發(fā)射組件和接收組件單元需要的各路模擬電壓和數(shù)字電壓，解決模塊功耗。

4）時鐘單元:將CNI 系統(tǒng)基準(zhǔn)頻率源模塊提供的模擬100M轉(zhuǎn)換為發(fā)射組件和接收組件單元需要的變頻信號，同時經(jīng)過數(shù)字板轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號處理單元需要的數(shù)字時鐘。

5）AD 單元:AD 單元接收來自接收組件送來的模擬中頻信號，進(jìn)行AD采樣，將采樣后的高速中頻數(shù)字信號送至功能信號處理單元進(jìn)行解調(diào)。

6）信號處理單元:主要完成數(shù)字接收機(jī)通道處理、生成發(fā)射偽隨機(jī)碼、自動增益控制、發(fā)射功率控制等功能。

7）接口單元:主要實現(xiàn)高度表接收激勵模塊和CNI系統(tǒng)的各種接口，包括CAN總線、異步串行總線、高速串行總線、離散控制線等。

2.2.3 數(shù)字中頻信號處理模塊

數(shù)字中頻信號處理模塊為CNI系統(tǒng)通用模塊，采用平臺化設(shè)計，可在系統(tǒng)控制下加載運(yùn)行不同的功能程序。與ALT功能相關(guān)的功能和技術(shù)指標(biāo)如下：

2.2.3.1 主要功能

數(shù)字中頻信號處理模塊包含四個處理通路，以支持對四路信號的處理。用于ALT 功能的處理通路主要完成以下功能：完成ALT功能中采樣數(shù)字中頻相關(guān)處理后的高度解算處理完成對ALT 模塊的參數(shù)控制和狀態(tài)管理，如碼控制字、載波控制字、功能BIT輸出等；通過接口控制模塊實現(xiàn)與其他模塊的信息交互：接收控制模塊的控制信息、將信號處理結(jié)果傳至核心控制模塊等。

2.2.3.2 主要器件處理能力

FPGA 處理能力：中頻處理400 萬門；DSP 處理能力：運(yùn)算模式32bit 定點(diǎn)，運(yùn)算速率：4 800MIPS；LVDS高速串行數(shù)據(jù)接口傳輸波特率；450～720Mbps（對應(yīng)AD/DA并行數(shù)據(jù)速率為25～40MHz）；總線傳輸能力：異步串行接口3.125Mbps。

2.2.3.3 信號處理流程設(shè)計

ALT 功能信號處理單元接收來自ALT 接收激勵模塊的相關(guān)處理結(jié)果等信息，通過門限計算、捕獲/跟蹤判斷等，實現(xiàn)高度的結(jié)算及跟蹤。主要完成以下處理：設(shè)備初始化、碼型選擇；回波解調(diào)及載波NCO 調(diào)整；捕獲及跟蹤判斷處理；高度解算。主要處理流程如圖7。

圖7 主程序流程圖

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)下ALT功能工作過程

2.3.1 功能配置過程

系統(tǒng)加電，完成模塊自檢、狀態(tài)查詢后，構(gòu)建相應(yīng)功能線程，并首先進(jìn)行功能參數(shù)的初始配置：

1）首次加電工作時，系統(tǒng)控制接口模塊采用缺省參數(shù)，對預(yù)先選定功能模塊進(jìn)行程序加載和參數(shù)配置，以實現(xiàn)ALT 功能。配置內(nèi)容包括：對數(shù)字中頻信號處理模塊進(jìn)行通道配置；對ALT預(yù)置高度等工作參數(shù)進(jìn)行配置。

2）非首次加電工作時，按照上次加電工作后的狀態(tài)參數(shù)工作。

功能參數(shù)初始配置完成后，需要進(jìn)行功能狀態(tài)自檢，即采用測試程序，完成ALT 功能的自檢。若發(fā)現(xiàn)故障，則進(jìn)行故障告警和顯示，轉(zhuǎn)入功能故障處理。

在ALT功能進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，若發(fā)現(xiàn)航電系統(tǒng)通過系統(tǒng)控制接口模塊輸入新的工作模式控制內(nèi)容，系統(tǒng)控制接口模塊將根據(jù)新的控制內(nèi)容對ALT功能相關(guān)模塊重新進(jìn)行參數(shù)配置，以滿足航電要求。

2.3.2 功能工作過程

ALT 功能實現(xiàn)載機(jī)相對地面/海面高度的測量是通過發(fā)射經(jīng)調(diào)制、放大的偽隨機(jī)碼信號輻射載機(jī)經(jīng)過地面/海面，獲取其經(jīng)地面/海面反射后的回波信號，經(jīng)濾波、放大、A/D采樣、解調(diào)解擴(kuò)等處理后，比對發(fā)射碼和接受碼的相位差以解算出實際離地面/海面高度[5]。其中：

發(fā)射時：系統(tǒng)配置ALT 功能，由ALT 接收激勵模塊中的接收/激勵單元產(chǎn)生發(fā)射偽隨機(jī)碼，調(diào)制到射頻后經(jīng)發(fā)射組件處理（變頻、激勵等），經(jīng)高頻線纜送高度表發(fā)射天線（功率放大）輻射。

接收時：ALT接收激勵模塊中的接收組件接收來自高度表接收天線的射頻信號后，對其進(jìn)行濾波、變頻、增益控制，中頻采樣、碼相關(guān)等處理后送數(shù)字中頻信號處理模塊進(jìn)行數(shù)字解調(diào)和測量，并計算出相應(yīng)高度值，將高度信息送接口控制模塊，與系統(tǒng)進(jìn)行交互。

3 關(guān)鍵指標(biāo)論證

3.1 測高范圍計算

偽碼測距方案利用PN碼序列具有的近似隨機(jī)噪聲的理想二值自相關(guān)特性，和偽隨機(jī)信號的尖銳自相關(guān)特性，采用相關(guān)檢測的方法，能使測距抗干擾能力大大增強(qiáng)，測量距離在不增加發(fā)射功率的情況下也能大幅增加，同時使測距精度得到提高[6]。

本文論述的ALT 功能中碼測距方案選用自相關(guān)性能優(yōu)良的m 序列偽碼，選擇的碼片長度為M=1023，碼片寬度Tc=0.1μs。由于偽隨機(jī)碼的周期性，測量時延的最大值（不產(chǎn)生高度模糊的狀態(tài)）為：

對應(yīng)高度為：

由此可分析，此狀態(tài)下能滿足測高范圍0～6 000m的要求。

3.2 靈敏度指標(biāo)計算

ALT接收激勵模塊臨界靈敏度定義為[7]：

模塊接收端最小可檢測信號為：

其中，帶寬Bn= 20MHz，噪聲系數(shù)NF= 5.7dB（含接收濾波器衰減）；

最終檢測最小信噪比SNR= 16dB，信號處理最大增益GSmax= 42dB；

對于ALT 接收激勵模塊而言，其系統(tǒng)最大靈敏度為：

其中，發(fā)射功率Pt= 0dBm，電纜衰減L1=1.6dB，L2=1.6dB。

ALT 接收激勵模塊最大靈敏度為116.5dB，較系統(tǒng)靈敏度需求有11.5dB 的余量，因此在此方案下的ALT功能可以滿足系統(tǒng)靈敏度需求。

4 結(jié)論

無線電高度表是飛機(jī)電子系統(tǒng)的主要測高設(shè)備，以模塊形式進(jìn)行綜合化設(shè)計后，高度表以功能形式集成于綜合CNI系統(tǒng)內(nèi)，其功能性能可以滿足系統(tǒng)測高需求，同時有利于減輕載機(jī)重量、功耗等。