基于軟件無線電原理導航接收機信號解算

張建明

(中國電子科技集團公司第二十研究所,陜西西安710068)

0 引言

針對導航系統的特性,采用軟件無線電原理進行了接收機的設計,該接收機的主要功能是完成導航系統角度參數及數據信息的解算,為飛機提供實時準確的引導信號。

軟件無線電技術是現代通信技術及信號處理中重要的研究領域,其核心思想是將天線接收到的射頻信號盡可能數字化,將模擬信號變換成適合于數字信號處理的數據流,然后通過軟件算法來完成各種功能。由于具有良好的開放性和可編程性,采用軟件無線電原理對接收機進行了設計,并且對設計過程進行了仿真。

1 系統功能及信號特性

系統分為地面設備和機載設備,地面設備由方位制導設備、仰角制導設備和基本數據傳送系統組成。數據傳輸系統向飛機提供用于精密進近和著陸的必要基本數據和輔助數據信息。基本數據包括地面設備識別、信號覆蓋范圍、可用最低下滑道、設備性能級別和所用頻道等與著陸有關的數據,而輔助數據一般包括地面設備的安裝狀況、航空氣象情報、跑道狀況和其他輔助信息。

系統工作頻率為C波段,分為200個波道,波道間隔為300 kHz。地面臺信號的發射采用了時分多路復用技術,全部角度制導信息和數據都在同一頻率上發射,不同功能的信號都占有自己的發射時隙,在每個發射時隙前部用差動相移鍵控(DPSK)調制的前導碼來區分不同的模塊。下面以角度制導功能為例說明信號特性,角度制導功能包括前導信號、扇區信號和“往”、“返”掃描波束等部分組成。

①前導信號。前導信號包括3個部分:載波截獲段、接收機基準時間碼和功能識別碼,全部信號在±42°(對于高速方位制導功能)的比例覆蓋區中發射,載波截獲段中有段同步頭,它是一段未經調制的純載波,接著是用差分相移鍵控(DPSK)調制的編碼。差分相移鍵控是利用前后碼元之間載波相位的相對變化來傳遞信息的一種編碼方式。接收機基準時間碼即同步碼,采用5位Barker碼,其固定形式為11101,其功能是使接收機在每個功能段都產生一個基準時間,各個功能格式中的其他碼均嚴格按照基準時間而產生;

②扇區信號。對于不同的功能來說,扇區信號的內容也有所不同,對方位制導功能而言,由機載天線選擇脈沖、覆蓋區外指示(OCI)信號和接收處理器檢查脈沖組成;

③掃描波束。地面臺天線產生一個方向較窄的扇形波束,在比例覆蓋區內進行往返掃描,通過接收機得到一對“往”、“返”掃描脈沖,用于角度的測量。對方位臺而言,掃描波束在水平范圍內順時針和逆時針掃描,對仰角臺則相對于向上和向下掃描。

2 基于軟件無線電接收電路的設計

2.1 電路組成

本電路主要由射頻接收前端、中頻電路、數據解調、幅度解調模塊和信號處理等模塊組成。接收機原理框圖如圖1所示。

圖1 接收機原理

天線接收到的地面設備發射信號,經低噪聲放大和混頻等電路后,把C波段信號下變頻為一固定頻率的中頻信號,中頻信號經過A/D采樣電路變為數字信號。采樣后的數字信號經帶通濾波處理后分2路輸出,一路信號通過DDC數字下變頻后進行DPSK數據的解調,輸出幀同步信號和基本數據字及輔助數據字,另一路信號進行AM幅度解調,解調出信號包絡,最后通過信號處理模塊,解算出所需要的角度信息。

2.2 采樣頻率的確定

中頻直接采樣后的信號頻譜是原信號頻譜以采樣速率fs為周期的延拓。為了使頻譜不重疊,則信號作周期延拓時應滿足一定的條件。

對于本接收機來說,中頻頻率f0=70 MHz,信號帶寬BW=120 kHz,根據帶通采樣定理,選取采樣頻率fs=40MHz。

2.3 數字下變頻及抽取電路

對A/D采樣后的數字信號先進行帶通濾波,經過數字下變頻(DDC),一路進行數字信號解調,另一路進行幅度解調。

數字下變頻技術是軟件無線電的核心技術之一,其根本任務是實現從高數字中頻到低數字中頻或基帶信號的變換。A/D數字化后的中頻信號與數字本振cos(ω0n)相乘,經過濾波處理,從而實現了將信號由高中頻搬到低中頻或基帶的變頻功能。

帶通濾波后的信號下變頻為800 kHz信號,為了減小后續數字信號的處理壓力,對采樣率為40MHz的800 kHz信號進行抽取。

2.4 數字信號的解調

數字信號解調相對比較復雜,包括載波恢復與跟蹤、幀同步信號的提取、相干解調和數據信號的抽樣判決等電路。

2.4.1 載波恢復與跟蹤

載波提取有平方環和costas鎖相環等幾種,平方環的工作頻率是載波頻率的2倍,當工作頻率較高時,平方環法不易實現。這里采用數字costas鎖相環技術實現載波恢復與跟蹤,并且根據環路鎖定時間、環路帶寬和采樣頻率等參數可設計出所需要的環路濾波器。costas環原理框圖如圖2所示。

圖2 costas環原理

2.4.2 相干解調及碼變換

解調器的任務是恢復出傳輸的原始信息,在DPSK編碼中,數字信息是用前后碼元已調信號的相位變化來表示的,在輸入相同信噪比的情況下,雖然相干解調比非相干解調實現起來相對復雜一些,但相干解調的誤碼率比非相干解調的誤碼率要低,為了盡可能提高系統的測試精度,在設計中采用相干解調方式來實現DPSK信號的解調。

2.4.3 幀同步信號的提取

為保證數字解調和后續信號處理,必須有一個同步系統。在本系統中,采用5位巴克碼實現每一功能段的同步。巴克碼組具有尖銳單峰特性的自相關函數,在求它的自相關函數時,除了在時延j=0的情況下,序列中的全部元素都參加相關運算外,在j≠0的情況下,序列中只有部分元素參加相關運算,其表達式為:

巴克碼識別器輸出同步脈沖表示一幀的開始,作為每一功能段的同步信號。

2.5 幅度解調

為了保證解調的效果,幅度解調采用數字正交解調的方法,這種方法具有較強的抗載頻失配能力,即參考信號與輸入信號載波之間允許有一定程度的偏差,并且不要求嚴格的同頻同相。

設輸入信號為:S(n)=A(n)cos(ωcn+φ0)。式中,A(n)=A0+m(n),m(n)為幅度調制信號。

對信號正交分解后的同相分量和正交分量取模得:A0+m(n),減去直流分量A0就可得調制信號m(n)。

2.6 角度的測量

角度的測量基于時基掃描波束技術,接收機在接收到“往”掃和“返”掃2次掃描波束后,測定其時間差,這個時間差值的大小與飛機在空中相對于跑道的角位置有直接關系,由此得到飛機在空中的角位置。

式中,θ為方位(或仰角)制導角度值(°);t為任意進近角時飛機接收到“往”和“返”脈沖之間的時間差;T0為以零角度進近飛機時接收到“往”和“返”脈沖之間的時間差;v為波束掃描速率,這里為20 000°/s。

以高速方位為例,此時最大掃描角度為-42°～+42°,往返掃描2次經過中心0°之間的時間T0=4.8 ms,則

3 MATLAB仿真試驗

為了分析系統解調的性能及角度解算的精度,采用MATLAB語言對信號解算進行系統仿真,仿真分為模擬信號的產生、中頻采樣、數字下變頻及信號抽取、數據解調、幅度解調、角度信息解算等幾部分。

3.1 信號的產生

模擬信號為:

式中,數字中頻fc=70 MHz±2 kHz;采樣頻率fs=40 MHz;φ為產生的隨機相位;am(n)為基帶幅度調制信號。

由于仰角功能段中既有數據信息,又包含角度信息,同時相對于方位功能段時間長度略短,有利于減小仿真時間,這里選取仰角功能段作為所需要的模擬信號。仰角功能的角度設為10.000°,中頻信號與標準信號頻偏為2 kHz,中頻信號輸出信噪比設為30 dB,采樣后的信號如圖3(a)所示。

3.2 中頻采樣及數字下變頻

載波為70MHz的信號經采樣頻率40 MHz的信號采樣,經帶通濾波后輸出載波頻率為800 kHz的信號。同時,為減小后續電路的處理壓力,此時將采樣率為40MHz的800 kHz數字信號進行10倍抽取,最終輸出采樣率為4MHz的信號進行數據解調和角度的解算。

3.3 數據信號的解調

3.3.1 同步

同步在信號解算中起著至關重要的作用,針對信號特性,分為載波同步和幀同步2個部分。

①載波同步信號的解算。由于數據信號為DPSK調制,在相干解調過程中,需要與一個接收載波同頻同相的本振信號。這里進行科斯塔斯環算法進行載波信號的提取。由仿真可以看出:當輸入頻偏為2 kHz時 ,經過500 μ s后,恢復后的載波與輸入信號的載波頻率和相位誤差都非常小,滿足數據信號的相干解調;

②幀同步信號的解算。通過幀同步信號的解算,可以對基帶信號進行正確的抽樣判決,最終解算出信號所攜帶的數據信息。這里采用5位巴克碼信號作為接收機的幀同步碼,與標準巴克碼進行相關運算后的峰值作為接收機信號解算的時間基準,如圖3(b)所示。

圖3 仿真結果輸出波形

3.3.2 基帶信號與數據信息的解算輸出

相干載波解算完成后,與輸入信號進行相干解調即可解調出接收信號所攜帶的基帶信息,如圖3(d)所示。經幀同步信號的解算,確定了整個接收機的基準,通過抽樣判決及碼變換電路最終得到巴克碼后所攜帶的數據信息為1100001,與仰角的功能識別碼相同,表明數據解算正常。

3.4 角度信息的解調

幅度解調如圖3(c)所示,通過測量2個掃描波束的時間就可得到具體的仰角數值,經過多次仿真后發現,當輸入中頻信號信噪比大于30 dB時,所測得的角度在±0.005°范圍內變化,滿足設計要求。

4 結束語

由仿真結果可以看出,信號解調方案可行。為接收機各功能模塊的指標分配及其參數的確定提供了依據。另外,經多次仿真,發現隨著輸入信號信噪比的下降,角度解調誤差也隨之增大。

上述只是一些功能性仿真,由于實際信號比較復雜,有很多細節方面還考慮不周,需在今后的具體工作中不斷改進。

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