基于FPGA/MCU結構的線性調(diào)頻高度表
摘要： 介紹了一種基于 FPGA/MCU 結構的線性調(diào)頻（LFMCW）連續(xù)波高度表，具有精度高，結構簡單，可靠性高，成 本低等特點。
Abstract：
Key words :
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(shù)，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(diào)頻連續(xù)波體制和脈沖體制兩種，調(diào)頻連續(xù)波體制適合 1500m 以內(nèi)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(diào)頻（LFMCW）連續(xù)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(diào)頻連續(xù)波高度表的基本原理為[2]：采用三角波線性調(diào)頻微波振蕩源，經(jīng)發(fā)射天線 輻射等幅調(diào)頻波，經(jīng)過與飛行器飛行高度成正比例的時間延遲τ，由地面發(fā)射并被接收天線接 收，經(jīng)混頻后輸出差拍信號fb，該信號經(jīng)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(nèi)，控制單元根據(jù)保持或調(diào)整三角波的斜率，使差拍信號始終落入跟蹤帶內(nèi)，保持恒定值。 整個系統(tǒng)通過地面構成閉環(huán)，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(diào)頻連續(xù)波）
測高范圍：0?1500m
距離分辨率：1m
高度數(shù)據(jù)接口：RS422，9600 波特率
該高度表屬于收發(fā)天線分開、三角波調(diào)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(diào)頻高度表工作原理圖 上圖中，三角波發(fā)生器輸出信號的幅度是一個常數(shù)，而其斜率是控制電壓的函數(shù)。在測 高過程中，通過測高回路自動校正，使調(diào)制信號的斜率隨高度而變化，以保持差拍恒定。變 化規(guī)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(nèi)，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(tài)， 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(jù)跟蹤鑒頻器是否輸出 鎖定信號進行調(diào)整。當調(diào)制斜率對應飛行高度時跟蹤鑒頻器輸出高電平，高度表環(huán)路鎖定并 保持跟蹤地面發(fā)射的信號。
接收、發(fā)射天線選用微帶集成平板天線，天線間距不小于1m，使收發(fā)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(fā)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(diào)制帶寬最高可達200MHz，調(diào)制線性度優(yōu)于1.2。組件的接收增益30dB，噪聲系數(shù)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(nèi)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(lián)使用以提高增益和擴大動態(tài)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F(xiàn)PGA 和1 片MCU，通過軟件算法實現(xiàn)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(jù)鎖定門限判決電路的輸出狀態(tài)，按一定算法改 變VCO 調(diào)制信號的頻率，使差拍信號落入225kHz 的跟蹤帶內(nèi)。在地面高度的搜索過程中，VGC 電壓與高度的對數(shù)呈線性關系，從而實現(xiàn)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(tài)，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(xiàn)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(diào)制信號 的產(chǎn)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(diào)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(chǎn)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(tài) 的控制、高度數(shù)據(jù)的校正/補償?shù)裙ぷ鳌S422 接口采用MAXIM 公司的AD844E，全雙工工作， 既可輸出地面高度數(shù)據(jù)，也可通過該接口實現(xiàn)SST89V564RD 的在線編程和在線仿真。
MCU 與FPGA 之間采用8 位的數(shù)據(jù)/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(xiàn)邏輯控制和數(shù)據(jù)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(xiàn)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(nèi)時，高度表進入搜索狀態(tài)：通過改變調(diào) 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(shù)， n=1?1500（正整數(shù)）。
采用了線性搜索算法，分頻系數(shù)n 從小到大連續(xù)變化，使高度表從低到高，以距離分辨 率Δh=1.0m 為步長連續(xù)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(tài)，由跟蹤鑒頻回路與地面組成閉環(huán)系統(tǒng)，伺服于高度的變化。
b. 跟蹤算法
當高度表進入鎖定狀態(tài)時，由跟蹤鑒頻回路與地面組成閉環(huán)系統(tǒng)。由于線性調(diào)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(diào)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(chǎn)生一個誤差搜索區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)從低到高進行線性搜索，使高度表出現(xiàn)失鎖→鎖定 的狀態(tài)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(shù)，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(nèi)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(qū)域內(nèi)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(chǎn)生誤差 搜索區(qū)域進行跟蹤。如在整個誤差搜索區(qū)域內(nèi)都未出現(xiàn)鎖定信號，高度表從跟蹤狀態(tài)轉為搜 索狀態(tài)。 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(wěn)定，數(shù)據(jù)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(diào)頻連續(xù)波高度表，主要創(chuàng)新點在于：采用了FPGA/單片機的硬件 平臺，通用性強，并具備現(xiàn)場軟件升級能力；通過軟件算法實現(xiàn)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(xiàn)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(chuàng)造經(jīng)濟效益50 萬元。
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