摘要：

應(yīng)答接收機是通用航空測距機地面設(shè)備的核心，接收來自飛機的高斯脈沖對測量其與地面臺之間的距離。接收機采用數(shù)字化、模塊化的設(shè)計方法，按功能劃分成不同的模塊，以FPGA為核心進行設(shè)計。將設(shè)計分為接收機通道部分和后端信號處理部分兩大模塊，其中，接收機通道部分又分為射頻處理、半幅檢波等模塊；后端信號處理部分又分為譯碼編碼、莫爾斯識別脈沖生成、發(fā)射脈沖優(yōu)先權(quán)控制等模塊。經(jīng)測試表明，電路性能穩(wěn)定，工作可靠。

0 引言

距離測量設(shè)備(Distance Measuring Equipment，DME)是國際民航組織(ICAO)批準的標準導航系統(tǒng)[1]，由地面設(shè)備和機載設(shè)備兩部分組成，為飛機提供相對于地面臺的斜距[2]。

隨著通用航空迅速的發(fā)展，天空中的飛行器會越來越多，這就對接收機的處理能力提出了更高的要求[3]。目前現(xiàn)有接收機采用模擬信號接收機，本設(shè)計充分利用FPGA的并行處理能力，大大提高了信號處理速度，提高了系統(tǒng)的容量。本次設(shè)計的數(shù)字接收機將在射頻端完成數(shù)字化。

1 DME應(yīng)答接收機系統(tǒng)設(shè)計

DME是一種詢問回答式脈沖測距系統(tǒng)，距離是通過對無線電脈沖信號在飛機與地面信標之間往返時間的測量獲得的[4]。DME測距系統(tǒng)簡化組成如圖1所示。

地面應(yīng)答器接收機接收到機載詢問器發(fā)射機發(fā)射來的詢問脈沖信號，經(jīng)過一個固定的延時后轉(zhuǎn)發(fā)一個適當?shù)幕卮鹦盘朳5]。該回答信號由機載設(shè)備接收，通過計算機載發(fā)射信號與接收信號之間的延時時間，得出飛機與地面臺間的斜距，如式(1)所示。

式中：T為DME機載設(shè)備測量得到的發(fā)射和接收信號之間的時間間隔；T0為系統(tǒng)延時，即DME地面臺內(nèi)部的固定時延，一般為50 μs；C為電磁波傳播速度，即光速。

針對DME應(yīng)答器接收機的功能與特性，將其分為接收機通道和信號處理兩個模塊進行研究，應(yīng)答接收機配置如圖2所示。

2 接收機通道模塊設(shè)計

接收機通道的作用從整體來說是接收發(fā)來的詢問信號，進行判斷處理，若為有效信號，則發(fā)送給信號處理板。接收機通道硬件組成如圖3所示。

2.1 射頻處理模塊

預(yù)選器、射頻放大器和第一混頻器可以起到抑制發(fā)射頻率信號、鏡像頻率信號和其他雜散信號、低噪聲放大天線接收到的信號及轉(zhuǎn)換接收頻率為63 MHz中頻的作用。

2.2 半幅度檢測電路

半幅度檢測電路是接收機通道的核心，主要包括：

(1)視頻運算放大器：63 MHz檢波輸出與來自調(diào)制器的接收機禁止脈沖都送至視頻運算放大器。

(2)峰值監(jiān)測器：峰值監(jiān)測器檢測已被衰減一半的詢問視頻信號的峰值。

(3)觸發(fā)比較器：當詢問視頻信號大于靈敏度門檻設(shè)置時，當詢問視頻信號大于自動增益降低控制電壓時，當詢問視頻信號大于抗回波制約值時（制約值=直達波+3 dB），觸發(fā)半幅檢波“使能”信號。

2.3 詢問觸發(fā)產(chǎn)生電路

半幅度檢測電路輸出較寬的觸發(fā)脈沖，經(jīng)微分電路變成寬度為100 ns的脈沖，受鑒頻器的控制，輸出詢問觸發(fā)脈沖，送至信號處理作進一步的信號處理。

3 信號處理模塊設(shè)計

信號處理器承擔著系統(tǒng)所有信號的譯碼、編碼、識別脈沖的生成、信號發(fā)射順序等工作，它也是測距系統(tǒng)中重要的組成部分之一。

3.1 譯碼器

譯碼器受控制器的控制，有X—模式、Y—模式等二種譯碼時間的設(shè)置。信號處理譯碼器的邏輯原理關(guān)系示于圖4。

3.2 主延時

主延時受控于控制器，根據(jù)兩個監(jiān)測器對應(yīng)答延時的監(jiān)測結(jié)果，求出應(yīng)有的主延時量，主延時結(jié)束時產(chǎn)生應(yīng)答觸發(fā)脈沖。主延時原理方框圖示如圖5。

3.3 信號處理模塊邏輯設(shè)計

譯碼編碼、自動增益控制等模塊是利用狀態(tài)機轉(zhuǎn)換進行編寫的。狀態(tài)機共分為4個狀態(tài)：rev_s0、rev_s1、rev_s2、rev_s3，具體實現(xiàn)流程如圖6所示。

其中，rev_s0為等待狀態(tài)，當有詢問脈沖到來時進入rev_s1狀態(tài)。

在rev_s1狀態(tài)下，判斷是否為有效的詢問脈沖，如果是有效的詢問觸發(fā)脈沖，則進入rev_s2狀態(tài)。

在rev_s2狀態(tài)下，判斷應(yīng)答脈沖是否發(fā)送完畢，如果發(fā)送完畢，則進入rev_s3狀態(tài)。

在rev_s3狀態(tài)下，判斷靜寂時間是否結(jié)束，如果靜寂時間結(jié)束，則返回rev_s0的等待狀態(tài)。

4 應(yīng)答接收機功能仿真與測試

采用Xilinx ISE Design Suite 13.1自帶仿真軟件I-sim進行仿真[6]。

4.1 接收機通道功能仿真

A/D采樣數(shù)據(jù)仿真（由十進制表示）如圖7所示。

在上述仿真示意圖中，系統(tǒng)時鐘為50 MHz，A/D采樣頻率為20 MHz，A/D采樣到的數(shù)據(jù)是經(jīng)過MATLAB模擬出來以供仿真使用。

根據(jù)脈沖檢測模塊的工作原理，如果接收到的高斯脈沖對是有效的，而且半幅度值計算也正確，那么可以通過詢問觸發(fā)脈沖的檢測確定該模塊的正確性，詢問觸發(fā)脈沖的仿真如圖8。

如上圖所示，圖中前兩行為系統(tǒng)時鐘和A/D采樣時鐘，第三行每一個陰影部分表示一組數(shù)據(jù)。因此，可以看到每兩個數(shù)據(jù)組結(jié)束后，第五行將會生成一個詢問觸發(fā)脈沖，表示接收機通道模塊的功能已經(jīng)實現(xiàn)。

4.2 信號處理功能仿真

采用接收機通道生成的詢問觸發(fā)脈沖，對信號處理模塊功能進行檢驗。首先，應(yīng)答脈沖的生成仿真如圖9所示。

如圖9所示，第一行為詢問觸發(fā)脈沖，第二行為應(yīng)答脈沖，二者之間有一個固定延時，用來進行距離測量。信號處理模塊功能得以實現(xiàn)。

4.3 測試結(jié)果

首先，檢測A/D能正常工作之后，對接收機通道模塊的有效性進行驗證，詢問觸發(fā)脈沖經(jīng)示波器顯示，當發(fā)送脈沖為符合半幅脈沖檢測要求的高斯脈沖對時，測得實際接收到的詢問觸發(fā)脈沖寬度為12.2 μs，與12 μs的標準脈沖相差0.2 μs，符合要求。

信號處理模塊接收到詢問脈沖對，進行譯碼處理，并生成莫爾斯識別脈沖。通過示波器觀察，測試結(jié)果如表1所示。

如上表所示，經(jīng)過大量試驗后，詢問脈沖對與應(yīng)答脈沖之間的固定延時最大為50.4 μs，與設(shè)置的50 μs標準延時相差最大0.4 μs，在誤差范圍內(nèi)。因此，信號處理模塊的譯碼功能得以實現(xiàn)。

莫爾斯脈沖的生成，是以1 MHz為時鐘基準，分頻產(chǎn)生1 350 Hz的脈沖方波，方波寬度為1 μs，1 350 Hz的脈沖方波作為MORSE碼的點或劃的調(diào)制輸出脈沖，因此1 M/1 350=741 μs。根據(jù)表1統(tǒng)計，每兩個脈沖之間最大間隔為744 μs，符合要求。

5 結(jié)論

本文對DME應(yīng)答接收機的設(shè)計方法進行了研究，通過模擬飛機發(fā)送的高斯詢問脈沖對應(yīng)答接收機進行測試，從測試結(jié)果可以看出該接收機可以正常接收并生成應(yīng)答脈沖，實測結(jié)果符合理論分析。此外，通過模擬畸變的詢問脈沖對對接收機抑制回波、抗干擾等性能測試，從各個指標的測試結(jié)果來看，半幅檢波的功能得以實現(xiàn)，且識別脈沖、隨機脈沖、靈敏度控制等功能均滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。目前，本接收機已制成樣機，投入調(diào)試使用。