基于赛灵思FPGA和MCU结构的线性调频高度表

只看该作者 · 2012-10-7 19:47

本文介绍了一种新型调频连续波高度表，主要创新点在于：采用了FPGA/单片机的硬件平台，通用性强，并具备现场软件升级能力；通过软件算法实现了高度搜索、高度跟踪、STC、 AGC 等功能，改变信号处理算法和控制软件能实现多种功能，满足更多应用场合的需要；采用恒定差拍结构，抗干扰能力强,并具有频谱前沿跟踪能力；具有1500m 的大范围测高能力，在低高度上具有1m 的测高精度。
无线电高度表不仅可以精确测量飞行器与地面或海面的相对高度，而且还可以测量地表粗糙度、海洋波浪高度等多种参数，在飞机的自动着陆、自动导航、地形匹配等领域得到了广泛的应用。无线电高度表主要分为调频连续波体制和脉冲体制两种，调频连续波体制适合 1500m 以内的低高度应用，脉冲体制适合1500m 以上的中高高度应用。本文介绍了一种基于 FPGA/MCU 结构的线性调频（LFMCW）连续波高度表，具有精度高，结构简单，可靠性高，成本低等特点。
　　2 工作原理
　　线性调频连续波高度表的基本原理为[2]：采用三角波线性调频微波振荡源，经发射天线辐射等幅调频波，经过与飞行器飞行高度成正比例的时间延迟τ，由地面发射并被接收天线接收，经混频后输出差拍信号fb，该信号经窄带滤波器选频后，被一个增益随高度变化的放大器放大、滤波，送到跟踪鉴频器。跟踪鉴频器输出高、低电平表示差拍信号是否进入跟踪带内，控制单元根据保持或调整三角波的斜率，使差拍信号始终落入跟踪带内，保持恒定值。整个系统通过地面构成闭环，飞行器的高度由三角波的斜率和最大频偏Δf 来决定。
　　其主要性能指标为：
　　工作频率：C 波段
　　体制：LFMCW（线性调频连续波）
　　测高范围：0?1500m
　　距离分辨率：1m
　　高度数据接口：RS422，9600 波特率
　　该高度表属于收发天线分开、三角波调频、频谱前沿跟踪、恒定差拍式无线电高度表，其工作原理如图1 所示。

工作原理
　　图1 线性调频高度表工作原理图上图中，三角波发生器输出信号的幅度是一个常数，而其斜率是控制电压的函数。在测高过程中，通过测高回路自动校正，使调制信号的斜率随高度而变化，以保持差拍恒定。变化规律是高度升高，斜率增大；高度降低，斜率减小。跟踪鉴频器判别差拍信号fb 是否进入跟踪带内，如是则输出锁定信号。跟踪鉴频器的中心频率为225kHz，带宽仅为30kHz 左右，使高度表有较高的抗噪声和抗干扰的能力。在没有跟踪锁定信号时，高度表进入搜索状态，变化三角波的斜率，从最低高度到限制的最高高度周期地扫描，并根据跟踪鉴频器是否输出锁定信号进行调整。当调制斜率对应飞行高度时跟踪鉴频器输出高电平，高度表环路锁定并保持跟踪地面发射的信号。

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　　3 信号处理组件
　　3.1 硬件设计
　　信号处理组件完成地面高度的搜索/跟踪、AGC、STC 等功能，其电路框图如图2 所示，核心是1 片FPGA 和1 片MCU，通过软件算法实现大部分信号处理功能。

图 2 信号处理组件电路框图
　　地面高度的搜索/跟踪是FPGA 和MCU 根据锁定门限判决电路的输出状态，按一定算法改变VCO 调制信号的频率，使差拍信号落入225kHz 的跟踪带内。在地面高度的搜索过程中，VGC 电压与高度的对数呈线性关系，从而实现STC（时间-灵敏度控制）功能。在地面高度的跟踪过程中，VGC 电压受控于饱和门限判决电路的输出状态，饱和时减小VGC 电压，直到差拍信号的强度低于饱和门限，降低地面回波强度对测高精度的影响，从而实现AGC（自动增益控制）功能。
　　FPGA 选用Xilinx 公司的XC2V500[4]，完成高速信号处理算法的运行，如VCO 调制信号的产生、VGC 控制电压的生成、搜索/跟踪的控制等。外围的高速D/A 采用AD 公司的AD9754AR， 40MSPS 采样率，14 位分辨率，能满足VCO 调制信号对其线性度的要求。AD9754AR 采用差分电流输出接口，以抑制共模干扰，通过运放将电流转换成电压输出。
　　VGC 接口采用D/A 转换器和运放，来产生精密的VGC 电压，VGC 电压的输出范围为0?9V。 D/A 转换器选用并行12 位D/A 转换器AD7392AR，速度比较快。
　　MCU 选用SST 公司的8 位单片机SST89V564RD[5]，64K Flash 编程空间，完成高度表状态的控制、高度数据的校正/补偿等工作。RS422 接口采用MAXIM 公司的AD844E，全双工工作，既可输出地面高度数据，也可通过该接口实现SST89V564RD 的在线编程和在线仿真。
　　MCU 与FPGA 之间采用8 位的数据/地址复用总线接口，速度快，通过访问特定地址的寄存器来实现逻辑控制和数据的读取。SST89V564RD 的工作电压为3.3V，可直接与FPGA 进行通讯，不需进行电压转换。
　　3.2 软件设计
　　该高度表的软件设计包括两部分：一部分是FPGA 的编程，采用VHDL 语言编写；另一部分是MCU 的编程，采用汇编语言编写。两部分软件共同实现高度表的搜索、跟踪等功能。
　　a. 搜索算法
　　当高度表的差拍信号未落入225kHz 的跟踪带内时，高度表进入搜索状态：通过改变调制频率fm从低高度到高高度进行搜索。fm的值是离散的，满足fm=112.5kHz/n，n 为分频系数， n=1?1500（正整数）。
　　采用了线性搜索算法，分频系数n 从小到大连续变化，使高度表从低到高，以距离分辨率Δh=1.0m 为步长连续搜索，即fm=112.5kHz/n，n=1→1500。当差拍信号fb0=225kHz±15kHz 时，锁定门限输出高电平，高度表进入跟踪状态，由跟踪鉴频回路与地面组成闭环系统，伺服于高度的变化

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　b. 跟踪算法
　　当高度表进入锁定状态时，由跟踪鉴频回路与地面组成闭环系统。由于线性调频信号的特殊性，其谱线是离散的，当高度变化时，各个频率成分的信号都有，只是各个谱线的幅度不同。在低高度上，由于跟踪带宽很窄（30kHz），调制频率变化量Δfm大于30kHz 时，造成高度表失锁。另外，由于面目标的回波差拍信号的能量并不是集中在一根谱线上，而是多根谱线或谱线带具有相同量级的回波能量，要使高度表能跟踪到最低谱线，即最低高度，要采用具有频谱前沿跟踪能力的算法。
　　我们设计了误差抖动跟踪算法，具有频谱前沿跟踪能力，其基本思路为：在当前跟踪高度上产生一个误差搜索区域，在此区域内从低到高进行线性搜索，使高度表出现失锁→锁定的状态变化，从而跟踪到最低高度。
　　n 为当前高度所对应的分频系数，误差量Δn 取为5（对应的高度误差量为±5m），在（n- Δn）→（n+Δn）范围内从低到高进行搜索。如n 小于6，则从1→（n+Δn）进行搜索。如该误差搜索区域内的最小n 值都能满足锁定条件，则以该最小n 值为当前n 值，再产生误差搜索区域进行跟踪。如在整个误差搜索区域内都未出现锁定信号，高度表从跟踪状态转为搜索状态。误差抖动跟踪算法的流程图如图3 所示。

图 3 误差抖动跟踪算法的流程图

4 飞行试验
　　该高度表采用动力滑翔机，进行了多个架次的飞行试验，飞行地貌有城市、田地、树林、水面等，最高飞行高度超过1500m。试验过程中高度表性能稳定，数据完整，50m 以下高度的测高精度可达1m。
　　5 结束语
　　本文介绍了一种新型调频连续波高度表，主要创新点在于：采用了FPGA/单片机的硬件平台，通用性强，并具备现场软件升级能力；通过软件算法实现了高度搜索、高度跟踪、STC、 AGC 等功能，改变信号处理算法和控制软件能实现多种功能，满足更多应用场合的需要；采用恒定差拍结构，抗干扰能力强,并具有频谱前沿跟踪能力；具有1500m 的大范围测高能力，在低高度上具有1m 的测高精度。
　　该高度表已用于某型四轴飞行器，创造经济效益50 万元。