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(jì)。

1 脈沖測距系統(tǒng)概述

1.1 脈沖測距系統(tǒng)工作原理

    DME采用詢問-應(yīng)答式測距原理，如圖1所示。假設(shè)被測距離為R，C為光速，Δt為測量設(shè)備中詢問脈沖到應(yīng)答脈沖間的時(shí)間間隔，其中包含系統(tǒng)的處理時(shí)間和固定延遲，記作t_d，因此距離R滿足公式：

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，通常可采用脈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(gè)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。

    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(gè)脈沖位置，作為計(jì)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算距離R，詢問和應(yīng)答脈沖間隔的不同所引入的時(shí)間差通常被計(jì)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?yàn)槎鄰礁蓴_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。

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?yàn)樽g碼輸出的波形前沿，即距離測算電路的計(jì)時(shí)基準(zhǔn)點(diǎn)通常取決于第二脈沖的前沿時(shí)刻，當(dāng)系統(tǒng)受到多徑分量的影響時(shí)，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(jì)時(shí)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。

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(jì)時(shí)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(gè)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(jì)時(shí)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。

    本方案基于設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)單元，如圖5所示。

4.2 FPGA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(jì)中采用了狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)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(gè)脈沖的間隔時(shí)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(shí)間，但每個(gè)DME工作狀態(tài)下該時(shí)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(shí)，轉(zhuǎn)換到S5，同時(shí)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(shí)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。

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(jì)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(shí)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給出了第二徑位于不同位置時(shí)，譯碼電路各節(jié)點(diǎn)輸出的波形，其中①同步方波脈沖信號；②采用正交采樣所得到的原始波形；③-6 dB取樣進(jìn)行波形整形后的方波；④經(jīng)過脈沖寬度譯碼及第一脈沖檢測電路輸出波形；⑤延遲單元1對原始波形延遲了12 μs后的波形，用來進(jìn)行第二脈沖位置檢測；⑥延遲單元2對原始波形延遲13 μs的波形，用來進(jìn)行編碼對間隔檢測；⑦經(jīng)過編碼對間隔檢測后，譯碼電路輸出的譯碼脈沖。表1給出了不同延遲情況下，多徑對脈沖間隔的影響和該方案延遲譯碼后時(shí)間基準(zhǔn)取樣點(diǎn)的延遲。

    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(jì)方案滿足了第一脈沖譯碼方案的設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)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。

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。

參考文獻(xiàn)

[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(bào)，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.