精密测距机载设备邻道抑制的实现

精密测距机载设备邻道抑制的实现

张宗卫 王禹翔 韩晓龙

陕西凌云电器集团有限公司， 陕西 宝鸡 721000

摘要：在精密测距机载设备中，带宽与抗干扰（主要为邻道信号）指标是两个互相矛盾的指标，为了能同时满足这两个指标，本文设计了一种基于数字滤波器的算法，可同时满足两个指标要求。

关键词：精密测距；邻道抑制；数字滤波器

引言

在机场附近通常部署了精密测距（DME/P）信标台及测距器（DME）信标台，为飞机提供着陆及航路引导信息。当两者波道设置接近时，存在DME干扰DME/P的情况，本文设计了一种基于数字滤波器的算法可有效抑制邻波道信号，并对其中的低通数字滤波器及正交解调做了详细的仿真。

1概述

本文介绍了精密测距机载设备中基于数字滤波器实现的邻道抑制指标设计实现方法，通过仿真和实际使用，该设计能有效保证邻道抑制指标，同时满足精密测距机载设备的测距误差要求。

2精密测距邻道抑制指标及相关规定

精密测距（DME/P）系统，用于与微波着陆联合工作，给近程飞机指示距着陆点的距离，作用距离较近，但精度要求较高，最终进场模式（FA）精度在±15m以内，初始进场模式（IA）精度在±30m以内[1]。

在精密测距系统中，为了获得更高的测距精度，相比于DME及塔康信号用了上升沿更陡峭的测距脉冲波形，测距定时点在FA模式下规定为5%～30%。脉冲信号上升沿时间与其带宽成反比，上升沿时间越短，带宽越宽。为了保证无失真的得到精密测距波形，在工程中常采用3.5M带宽实现，但此带宽无法抑制邻道信号。

表1信号上升沿与带宽及测距精度对比

3设计与实现

精密测距机载设备接收机使用2次变频的超外差接收机体制，接收原理框图如图1所示，接收信号经过两次变频后，得到二中频信号（频率为70MHz），使用模数转换器（ADC）对中频信号进行采样，送入FPGA内完成DME/P信号的处理。在接收机中，对带外的抑制主要通过中频滤波器来实现。在DME机载设备及塔康机载设备中，二中频带宽通常为0.8MHz，对偏离接收频率的900KHz的带外信号，可有效抑制邻道信号。

图1精密测距机载设备接收机原理框图

在精密测距机载设备中，为了满足脉冲信号的上升沿以保证测距精度，接收带宽需满足第二章节中带宽的规定。通常在工程设计中，使用中心频率为70M、带宽为3.5M带宽的中频滤波器来满足测距误差要求。

但在使用3.5M带宽滤波器的情况下，由于其带宽宽于抗干扰要求中的900kHz，导致与本波道相邻近的波道的信号（中频69Mhz或者71MHz）可以通过二中频滤波器，最终进入算法中。由于塔康、DME的X/Y模式下其编码与DME/P信号相同（12/36μs），仅波形存在略微差异，这些信号容易对DME/P造成干扰，影响其正常使用。在某型号试飞过程中，当地DME地面台与DME/P地面台部署时，波道设置相差1，存在DME信号干扰DME/P功能的情况。

为了既能满足精密测距误差要求，又能满足抗干扰要求，在使用3.5M中频带宽的滤波器基础上，在FPGA内增加一路窄带数字信号处理，用于抑制邻道信号。

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3.1邻道抑制原理

使用ADC对70M中频信号进行采样时，采样速率为40Msps，由于是欠采样，采样后中频信号频率进行了一次搬移，采样后其频率搬移到了10M。为了能从中频信号中恢复脉冲波形，用于后续的测距算法，在数字端使用数字正交解调算法对脉冲进行解包络，其原理框图如图2所示。

图2数字正交解调算法

在图2中，通常由NCO产生两路严格正交的数字本振信号与数字中频信号进行混频，混频后两路信号分别过完全一样的两个低通滤波器，通过对两路滤波器输出的信号进行平方和开根运算即可得到包络信号[3]

为了满足脉冲邻道抑制指标，设计了一路用于抑制邻道信号的窄带滤波器，其带通频率低于0.5M，数字中频进入窄带滤波器后，滤除邻道信号，经过峰值25%比较模块，产生高低电平的脉冲信号，用此路脉冲信号抑制邻道的信号，原理示意如图3所示。

图3DME/P邻道抑制原理示意图

3.2Matlab仿真实现

窄带一路的低通滤波器的设计是保证邻道抑制的关键，为了对邻道信号进行抑制，使用Matlab中的filterDesigner工具设计低通滤波器，窄带低通滤波器参数：Fs=40M，Fpass=0.3M，Fstop=1M，Apass=1，Astop=80。

通过FPGA在线抓取DME/P波形及邻道信号，将其作为仿真的输入信号，该输入信号与10M本振信号进行混频，再使用设计的窄带滤波器进行滤波，最后产生包络，其实现结果如图4所示。

图4窄带滤波后解调出的波形

如图4所示，ADC共采集到两个脉冲对信号，第一对为邻道信号，第二对脉冲对为本波道信号，对其进行频谱分析，邻道信号频点为9M，本波道信号为10M，从图4中可看到经过窄带滤波后邻道信号被有效抑制。

3.3FPGA实现

在本设计中，中频信号为70M，采样率为40Msps，采样后频率为10M，为了得到脉冲包络（零频信号），需与数字本振10M进行混频。在使用40M时钟信号产生本振信号时，本振信号分别为周期性重复的{0，1，0，-1}、{1，0，-1，0}序列，输入中频信号分别与这两个序列相乘即可完成混频。由于本振信号的特殊性（仅为1、0、-1）：当本振信号为0时混频输出为0；当本振信号为1时，混频输出为中频信号自身；当本振信号为-1时，输出信号为中频信号的相反数（按位取反再加1的运算）。按此编码生成状态机即可实现混频，将混频后信号送入低通滤波器中。

低通滤波器输出后，为了得到包络需进行两路信号的平方和开根运算，使用的是Cordic核中Translate模式。关于这两个IP核的使用，此文中不做详细介绍，可查阅IP核的使用手册。

通过此设计思路实现的基于FPGA的低通滤波器，将图4中的采样数据作为解调模块的输入信号进行仿真，其仿真结果如图5所示。

图5FPGA仿真结果图

图5中，上方的波形为中频输入信号，前一个脉冲对为邻道信号，后一个脉冲对为本波道信号（幅度较小），通过窄带滤波器实现的正交解调后输出基带信号（下方的波形），可以看到邻道信号被有效抑制，与Matlab仿真结果符合。

3.4工程测试与验证

按上述章节实现的邻道抑制算法加入原DME/P工程中，使用两个模拟器及功分器为精密测距机载设备提供输入信号。模拟器1设置为精密测距本波道信号，由于DME/P相邻波道指标频点相差2M，模拟器2设置为DME模式，波道与模拟器1相差1，按此测试算法的指标符合性。模拟器设置值及测试结果如表2所示。

表2模拟器设置及测试结果

通过实际测试，该算法实现的邻道信号抑制指标可达到76dBc。

4总结

本文设计了一种邻道抑制算法，通过窄带滤波器的设计满足邻道抑制指标的要求。通过仿真和工程验证，该算法可满足精度及抗干扰两项指标要求，实际使用过程中可解决由于机场DME、DME/P信标台波道部署冲突带来的DME/P机载设备工作异常的问题，具有重要的实际意义。

参考文献：

[1]GJB 6277-2008 《航空精密距离测量系统性能要求和测试方法》。

[2]徐会彬，孙树芳，基于超宽带测距的定位精度及时延的研究 传感技术学报[J]2019.05

[3]楼才义，徐建良，杨小牛 《软件无线电原理与运用》第三版